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如图所示,质量为m的小球A穿在绝缘杆上,细杆的倾角为α,小球A带正电,电荷量为q.在杆上B点处固定一个电荷量为Q的正电荷.将A由距B竖直高度为H处无初速释放,小球A下滑过程中电荷量不变,不计A与细杆间的摩擦,整个装置处于真空中,已知静电力常量k和重力加速度g,求:
(1)A球刚释放时的加速度是多大?
(2)当A球的动能最大时,A球与B点的距离.
(3)若小球到达C点速度最大为v,求A、C两点的电势差UAC.
分析:(1)对A球受力分析,受到重力、支持力和静电斥力,根据牛顿第二定律求加速度;
(2)小球A先加速下滑,当静电斥力等于重力的下滑分量时,小球速度最大,之后减速下降,再加速返回,减速返回到最高点,完成一次振动,即在平衡位置速度最大;
(3)对从A到C过程运用动能定理列式求解即可.
解答:解:(1)A球刚释放时,受到重力、沿细杆向上的库仑力和细杆的支持力,根据牛顿第二定律得:
mgsinα-
kQq
(
H
sinα
)
2
=ma;
得:a=gsinα-
kQq
H2m
sin2α;
(2)到达平衡位置时,速度最大,根据平衡条件,有:
mgsinα-
kQq
x2
=0
得:x=
kQq
mgsinα
;
(3)从A到C过程,只有重力和电场力做功,根据动能定理,有:
mgsinα?x+q?UAC=
1
2
mv2
-0
将x代入,解得:UAC=
mv2-2
kQqmgsinα
2q

答:(1)A球刚释放时的加速度是gsinα-
kQq
H2m
sin2α;
(2)当A球的动能最大时,A球与B点的距离为
kQq
mgsinα
;
(3)A、C两点的电势差为
mv2-2
kQqmgsinα
2q
.
点评:本题关键是分析小球的受力情况,来确定小球的运动情况.从力和能两个角度研究动力学问题是常用的思路.
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