高中 | 带电粒子在等效重力场中的运动 题目答案及解析

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选修3-1

第一章 静电场

1.9 带电粒子在电场中的运动

带电粒子在等效重力场中的运动

如图,竖直平面内有一光滑绝缘轨道,取竖直向上为$y$轴正方向,轨道形状满足曲线方程$y=x^{2}$。质量为$m$、电荷量为$q$$q\gt 0$)的小圆环套在轨道上,空间有与$x$轴平行的匀强电场,电场强度大小$E=\dfrac{2mg}{q}$,圆环恰能静止在坐标($1,1$)处,不计空气阻力,重力加速度$g$大小取$10$ $m/s^{2}$。若圆环由($3,9$)处静止释放,则$(\qquad)$

["

恰能运动到($-3,9$)处

","

在($1,1$)处加速度为零

","

在($0,0$)处速率为$10\\sqrt{3}\\;\\rm \\text{m/s}$

","

在($-1,1$)处机械能最小

"]
[["D"]]

$\rm AD$.由题意可知,圆环所受的电场力平行于$x$轴向右,如图所示

圆环所受重力与电场力的合力为$G'=\sqrt{(mg)^{2}+(qE)^{2}}=\sqrt{5}mg$

$\tan\theta=\dfrac{qE}{mg}=2$

根据题意可知,坐标($1,1$)处是等效最低点,过($1,1$)做轨道的切线,再过坐标($3,9$)作该切线的平行线,如图所示

根据题意写出该平行线的方程为$y-9=\tan \theta⋅(x-3)$

$y=2x+3$

设该平行线与轨道的交点为$A$,则$A$点的坐标满足方程$y=2x+3$

$y=x^{2}$

解得$A$点的坐标为($-1,1$),则圆环恰能运动到坐标($-1,1$)。又圆环运动到该点时克服电场力做功最多,故机械能最小,故$\rm A$错误,$\rm D$正确;

$\rm B$.圆环做曲线运动,在($1,1$)处加速度一定不为零,故$\rm B$错误;

$\rm C$.设圆环到达($0,0$)处时的速度大小为$v$,则圆环由($3,9$)处静止释放运动到($0,0$)处的过程,由动能定理得$mgy-qEx=\dfrac{1}{2}mv^{2}$

$E=\dfrac{2mg}{q}$

联立得$v=2\sqrt{15}\;\rm \text{m/s}$

$\rm C$错误。

故选:$\rm D$

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