高中 | 受力分析 题目答案及解析

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必修1

第三章 相互作用

3.5 力的分解

受力分析

设在地面上方的真空室内,存在着方向水平向右的匀强电场和方向垂直于纸面向里的匀强磁场,匀强电场的场强$E=6\ \rm N/C$。如图所示,一段光滑且绝缘的圆弧轨道$AC$固定在纸面内,其圆心为$O$点,半径$R=1.4\ \rm m$$OA$连线在竖直方向上,$AC$弧对应的圆心角$37^\circ$。今有电荷量$q=+4.5\times 10^{-4}\ \rm C$的带电小球,以$v_{A}=3.0\ \rm m/s$的初速度沿水平方向从$A$点射入圆弧轨道内,一段时间后从$C$点离开,此后小球做匀速直线运动。重力加速度$g=10\ \rm m/s^{2}$$\sin37^\circ=0.6$$\cos37^\circ=0.8$。求:

小球的质量$m$

[["

$3.6\\times 10^{-4}\\;\\rm kg$

"]]

当小球离开圆弧轨道后,对其受力分析如图所示

由平衡条件得$F_{电}=qE=mg\tan\theta$

代入数据解得$m=3.6 \times  10^{-4}\;\rm kg$

小球经过$C$点时的速率;

[["

$4\\ \\rm m/s$

"]]

小球从进入圆弧轨道到离开圆弧轨道的过程中,由动能定理得$qER\sin\theta-mgR\left( 1-\cos\theta \right)=\dfrac{1}{2}mv_{C}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{A}^{2}$

代入数据得$v_{C}=4\;\rm m/s$

小球射入至圆弧轨道$A$端的瞬间,小球对轨道的压力(计算结果保留两位有效数字)。

[["

$2.5\\times10^{-3}\\ \\rm N$,方向竖直向下。

"]]

根据小球经过$C$点时的受力分析图可知$F_{洛}=qv_{C}B=\dfrac{mg}{\cos\theta}$

解得$B=2.5\ \rm T$

分析小球经过$A$处时,由向心力公式可知$F_{{N}}+qv_{A}B-mg=m\dfrac{v_{A}^{2}}{R}$

代入数据得$F_{N} ≈ 2.5 \times  10^{-3}\;\rm N$

由牛顿第三定律得,小球对轨道的压力为$F_{N}{^\prime} ≈ 2.5 \times  10^{-3}\;\rm N$

方向竖直向下。

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