| 带电粒子在等效重力场中的运动 题目答案及解析

稿件来源:高途

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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

如图所示,在竖直平面内有水平向左的匀强电场,在匀强电场中有一根长为$L$的绝缘细线,细线一端固定在$O$点,另一端系一质量为$m$的带电小球。小球静止时细线与竖直方向成$\theta$角,此时让小球获得初速度且恰能绕$O$点在竖直平面内沿逆时针方向做圆周运动,重力加速度为$g$,不考虑空气阻力。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

匀强电场的电场强度$E=\\dfrac{mg\\tan\\theta}{q}$

","

小球做圆周运动过程中动能的最小值为$E_{\\text{k}\\min}=\\dfrac{mgL}{2\\sin\\theta}$

","

小球运动至圆周轨迹的最高点时机械能最小

","

小球从初始位置开始,在竖直平面内运动一周的过程中,其电势能先减小后增大

"]
[["A"]]

$\rm A$.小球静止时细线与竖直方向成$\theta$角,对小球进行受力分析,如图所示

由平衡关系可知$\tan\theta=\dfrac{qE}{mg}$

解得$E=\dfrac{mg\tan\theta}{q}$

$\rm A$正确;

$\rm B$.小球静止时细线与竖直方向成$\theta$角,则$A$点为小球绕$O$点在竖直平面内沿逆时针方向做圆周运动的等效最高点

$A$点时小球的速度最小,动能最小,由牛顿第二定律可知$\dfrac{mg}{\cos\theta}=\dfrac{mv_{\min}^{2}}{L}$

动能$E_{\text{k}\min}=\dfrac{1}{2}mv_{\min}^{2}$

联立解得$E_{\text{k}\min}=\dfrac{mgL}{2\cos\theta}$

$\rm B$错误;

$\rm C$.由机械能守恒定律可知,机械能的变化量等于除重力和弹簧弹力之外的其他力做的功,此处即电场力做的功。由题意可知,当小球运动到最左边与$O$点等高时,电场力做负功最多,机械能最小,故$\rm C$错误;

$\rm D$.小球从初始位置开始,在竖直平面内运动一周的过程中,电场力先做负功后做正功,所以电势能先增大后减小,故$\rm D$错误。

故选:$\rm A$

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