3.如图所示,竖直固定的光滑绝缘的直圆筒底部放置一场源A,![]()
其电荷量Q = +4×10-3 C,场源电荷A形成的电场中各点的![]()
电势表达式为
,其中k为静电力恒量,r为空间某点![]()
到A的距离.有一个质量为m = 0.1 kg的带正电小球B,B球与![]()
A球间的距离为a = 0.4 m,此时小球B处于平衡状态,且小球B在![]()
场源A形成的电场中具有的电势能表达式为
,其中r为q![]()
与Q之间的距离。有一质量也为m的不带电绝缘小球C从距离B的![]()
上方H = 0.8 m处自由下落,落在小球B上立刻也小球B粘在一起向下运动,它们到达最低点后又向上运动,它们向上运动到达的最高点P。(取g = 10 m/s2,k = 9×109
N·m2/C2),求:![]()
(1)小球C与小球B碰撞后的速度为多少?![]()
(2)小球B的带电量q为多少?![]()
(3)P点与小球A之间的距离为多大?![]()
(4)当小球B和C一起向下运动与场源A距离多远时,其速度最大?速度的最大值为多少?![]()
解析:(1)小球C自由下落H距离的速度v0 =
= 4 m/s![]()
小球C与小球B发生碰撞,由动量守恒定律得:mv0 = 2mv1,所以v1
= 2 m/s![]()
(2)小球B在碰撞前处于平衡状态,对B球进行受力分析知:![]()
代入数据得:
C![]()
(3)C和B向下运动到最低点后又向上运动到P点,运动过程中系统能量守恒,设P与A之间的距离为x,由能量守恒得:![]()
![]()
![]()
代入数据得:x = (0.4+
) m(或x = 0.683 m)![]()
(4)当C和B向下运动的速度最大时,与A之间的距离为y,对C和B整体进行受力分析有:
,代入数据有:y =
m(或y = 0.283 m)![]()
由能量守恒得:
![]()
代入数据得:
(或vm = 2.16 m/s)![]()
点评:此题是动量守恒和能量守恒与电学知识的综合。![]()
2.
如图所示的装置是在竖直平面内放置光滑的绝缘轨道,处于水平向右的匀强电场中,以带负电荷的小球从高h的A处静止开始下滑,沿轨道ABC运动后进入圆环内作圆周运动。已知小球所受到电场力是其重力的3/4,圆环半径为R,斜面倾角为θ=53°,sBC=2R。若使小球在圆环内能作完整的圆周运动,h至少为多少?![]()
![]()
![]()
解析:小球所受的重力和电场力都为恒力,故可两力等效为一个力F,如图可知F=1.25mg,方向与竖直方向左偏下37º,从图中可知,能否作完整的圆周运动的临界点是能否通过D点,若恰好能通过D点,即达到D点时球与环的弹力恰好为零。![]()
由圆周运动知识得:
即:![]()
![]()
由动能定理有:![]()
![]()
联立可求出此时的高度h=10R![]()
点评:用极限法通过分析两个极端(临界)状态,来确定变化范围,是求解“范围类”问题的基本思路和方法。当F供=F需时,物体做圆周运动;当F供>F需时物体做向心运动;当F供<F需时物体做离心运动,这是分析临界问题的关键。![]()
![]()
![]()
1.
如图所示,在某水平方向的电场线AB上(电场线方向未标明),将一受到水平向右恒定拉力的带电粒子(不计重力)在A点由静止释放,带电粒子沿AB方向开始运动,经过B点时的速度恰好为零,则下列结论正确的有[
]![]()
A.粒子在A、B两点间移动时,恒力做功的数值大于粒子在AB两点间电势能差的绝对值![]()
B.可能A点的电势高于B点的电势,也可能A点的电势低于B点的电势![]()
C.A处的场强可能大于B处的场强![]()
D.粒子的运动不可能是匀速运动,也不可能是匀加速运动![]()
解析:根据动能定理,恒力做的正功跟电场力做的负功,数值相等,即恒力做功跟电势能之差的绝对值应相等,A错误;带电粒子从A点由静止开始向B运动,经过B点时速度为零,这表明带电粒子在恒力和电场力作用下先做加速运动后做减速运动,因此粒子的运动不可能是匀速运动。同时表明电场力的方向向左。粒子先做加速运动,说明水平向右的恒力大于水平向左的电场力,后做减速运动,表明后来水平向左的电场力大于水平向右的恒力,因此粒子不可能做匀加速运动,D选项正确;粒子在B处受到的电场力比A处大,因此B处的场强大于A处的场强,C选项错误;如粒子带正电,电场线方向应由B指向A、B点电势高于A点电势;如粒子带负电,电场线方向应由A指向B,A点电势高于B点电势。因此,A、B两点电势的高低无法判断。答案:BD![]()
点评:此题是动力学观点与电场性质、能量观点等知识点的综合应用判断题目。![]()
7.实际应用模型有:显像管、回旋加速器、速度选择器、正负电子对撞机、质谱仪、电磁流量计、磁流体发电机、霍尔效应等等。![]()
6.带电粒子在复合场中运动的基本分析![]()
复合场是指电场、磁场、重力场并存,或其中某两种场并存的场。带电粒子在这些复合场中运动时,必须同时考虑电场力、洛伦兹力和重力的作用或其中某两种力的作用,因此对粒子的运动形式的分析就显得极为重要。所以问题本质还是物体的动力学问题。![]()
分析此类问题的一般方法为:首先从粒子的开始运动状态受力分析着手,由合力和初速度判断粒子的运动轨迹和运动性质,注意速度和洛伦兹力相互影响这一特点,将整个运动过程和各个阶段都分析清楚,然后再结合题设条件,边界条件等,选取粒子的运动过程,选用有关动力学理论公式求解。?![]()
(1)粒子所受的合力和初速度决定粒子的运动轨迹及运动性质:![]()
当带电粒子在复合场中所受的合外力为0时,粒子将做匀速直线运动或静止。![]()
当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时,粒子将做变速直线运动。![]()
当带电粒子所受的合外力充当向心力时,粒子将做匀速圆周运动,且恒力的合力一定为零。![]()
当带电粒子所受的合外力的大小、方向均是不断变化的,则粒子将做变加速运动,这类问题一般只能用能量关系处理。![]()
(2)匀变速直线运动公式、运动的合成和分解、匀速圆周运动的运动学公式;![]()
(3)牛顿运动定律、动量定理和动量守恒定律;![]()
(4)动能定理、能量守恒定律。![]()
5.不计重力的带电粒子在匀强磁场中做不完整圆周运动的解题思路:![]()
不计重力的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径r=mv/Bq;其运动周期T=2pm/Bq(与速度大小无关)![]()
(1)用几何知识确定圆心并求半径:因为F方向指向圆心,根据F一定垂直v,画出粒子运动轨迹中任意两点(大多是射入点和出射点)的F或半径方向,其延长线的交点即为圆心,再用几何知识求其半径与弦长的关系;![]()
(2)确定轨迹所对的圆心角,求运动时间:先利用圆心角与弦切角的关系,或者是四边形内角和等于360°(或2p)计算出圆心角q的大小,再由公式t=qT/3600(或qT/2p)可求出运动时间。![]()
4.带电粒子在独立匀强场中的运动:![]()
(1)不计重力的带电粒子在匀强电场中的运动可分二种情况:平行进入匀强电场,在电场中做匀加速直线运动和匀减速直线运动;垂直进入匀强电场,在电场中做匀变速曲线运动(类平抛运动);![]()
(2)不计重力的带电粒子在匀强磁场中的运动可分二种情况:平行进入匀强磁场时,做匀速直线运动;垂直进入匀强磁场时,做变加速曲线运动(匀速圆周运动);![]()
3.电场力和洛伦兹力的比较:![]()
(1)在电场中的电荷,不管其运动与否,均受到电场力的作用;而磁场仅仅对运动着的、且速度与磁场方向不平行的电荷有洛伦兹力的作用;![]()
(2)电场力的大小与电荷的运动的速度无关;而洛伦兹力的大小与电荷运动的速度大小和方向均有关;![]()
(3)电场力的方向与电场的方向或相同、或相反;而洛伦兹力的方向始终既和磁场垂直,又和速度方向垂直;![]()
(4)电场既可以改变电荷运动的速度大小,也可以改变电荷运动的方向,而洛伦兹力只能改变电荷运动的速度方向,不能改变速度大小;![]()
(5)电场力可以对电荷做功,能改变电荷的动能;洛伦兹力不能对电荷做功,不能改变电荷的动能;![]()
(6)匀强电场中在电场力的作用下,运动电荷的偏转轨迹为抛物线;匀强磁场中在洛伦兹力的作用下,垂直于磁场方向运动的电荷的偏转轨迹为圆弧。![]()
2.重力的分析:![]()
(1)对于微观粒子,如电子、质子、离子等一般不做特殊交待就可以不计其重力,因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小,可以忽略;![]()
(2)对于一些实际物体,如带电小球、液滴等不做特殊交待时就应当考虑重力;![]()
(3)在题目中有明确交待是否要考虑重力的,这种情况比较正规,也比较简单。![]()
1.三种力:![]()
|
|
大小 |
方向 |
决定因素 |
|
重力 |
G=mg=GMm/R2 |
竖直向下 |
由场决定,与物体的运动状态(v)无关 |
|
电场力 |
F=qE |
与E方向平行 |
|
|
洛伦兹力 |
f=Bqv |
与B、v平面垂直(左手定则) |
由场和物体的运动状态(v)共同决定 |
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