Question

如圖所示，水平絕緣粗糙的軌道AB與處于豎直平面內(nèi)的半圓形絕緣光滑軌道BC平滑連接，半圓形軌道的半徑R=0.40m．在軌道所在空間存在水平向右的勻強電場，電場線與軌道所在的平面平行，電場強度E=1.0×10⁴N/C．現(xiàn)有一電荷量q=+1.0×10^-4C，質(zhì)量m=0.10kg的帶電體（可視為質(zhì)點），在水平軌道上的P點由靜止釋放，帶電體恰好能通過半圓形軌道的最高點C，然后落至水平軌道上的D點．取g=10m/s²．試求：
（1）帶電體在圓形軌道C點的速度大�。�
（2）D點到B點的距離x_DB．
（3）帶電體運動到圓形軌道B點時對圓形軌道的壓力大小．
（4）帶電體在從P開始運動到落至D點的過程中的最大動能．

Answer 1

（1）設(shè)帶電體通過C點時的速度為v_C，依據(jù)牛頓第二定律：mg=m

vC2

R

解得v_C=2.0m/s
（2）設(shè)帶電體從最高點C落至水平軌道上的D點經(jīng)歷的時間為t，根據(jù)運動的分解有：2R=

1

2

gt2
xDB=vCt-

1

2

Eq

m

t2
聯(lián)立解得x_DB=0
（3）設(shè)帶電體通過B點時的速度為v_B，設(shè)軌道對帶電體的支持力大小為F_B，帶電體在B點時，根據(jù)牛頓第二定律有FB-mg=m

vB2

R

帶電體從B運動到C的過程中，依據(jù)動能定理：-mg?2R=

1

2

mvC2-

1

2

mvB2
聯(lián)立解得F_B=6.0N
根據(jù)牛頓第三定律，帶電體對軌道的壓力FB′=6.0N
（4）由P到B帶電體作加速運動，故最大速度一定出現(xiàn)在從B經(jīng)C到D的過程中．在此過程中只有重力和電場力做功，這兩個力大小相等，其合力與重力方向成45°夾角斜向右下方，故最大速度必出現(xiàn)在B點右側(cè)對應(yīng)圓心角為45°處．
設(shè)小球的最大動能為E_km，根據(jù)動能定理有：qERsin45°-mgR(1-cos45°)=Ekm-

1

2

mvB2
解得E_km=1.17J（或

2 2 +3

5

J）．
答：（1）帶電體在圓形軌道C點的速度大小為2m/s．
（2）D點到B點的距離為0m．
（3）帶電體運動到圓形軌道B點時對圓形軌道的壓力大小為6N．
（4）帶電體在從P開始運動到落至D點的過程中的最大動能為1.17J．