Question

5．空間存在范圍足夠大的水平方向勻強電場，長為L的絕緣細線一斷固定于O點，另一端系一帶電量為正q質量為m小球，已知電場強度E=$\frac{3mg}{4q}$．OA處于水平方向，OC在豎直方向．小球從A點由靜止釋放，當小球運動到O點正下方B時細線恰好斷裂（取sin37°=0.6，cos37°=0.8）．求：
（1）小球從A點運動到B點過程中的最大速率；
（2）當小球再次運動到OC線上的D點時，小球速度的大小和方向；
（3）BD的高度．

Answer 1

分析 （1）對小球從A到B過程應用動能定理可以求出小球的最大速度．
（2）由動能定理求出到達B點的速度，繩子斷裂后小球做平拋運動，應用平拋運動規(guī)律可以求出小球的速度．
（3）繩子斷裂后小球做平拋運動，在豎直方向做自由落體運動，由自由落體運動的位移公式可以求出高度．

解答 解：（1）因為電場力與重力的合力方向與豎直方向成37°，所以當小球運動到細線與豎直方向成37°時速率最大．由動能定理得：
mgLcos37°-qE（L-Lsin37°）=$\frac{1}{2}$mv_m²-0，
解得：v_m=$\sqrt{gL}$；
（2）S設小球運動到B點時速度大小為v_B，由動能定理得：mgL-qEL=$\frac{1}{2}$mv_B²-0，
解得：v_B=$\sqrt{\frac{gL}{2}}$，
細線斷裂后，小球水平方向作勻減速運動，豎直方向作自由落體運動．
水平方向加速度：a=$\frac{qE}{m}$=$\frac{3}{4}$g，
小球再次運動到OC線上的D點所需時間：t=$\frac{2{v}_{B}}{a}$=$\frac{4\sqrt{2gL}}{3g}$，
小球到D點時豎直方向的速度：v_y=gt=$\frac{4\sqrt{2gL}}{3}$，
水平方向的速度：v_x=$\sqrt{\frac{gL}{2}}$，
小球的速度：v=$\sqrt{{v}_{x}^{2}+{v}_{y}^{2}}$=$\sqrt{\frac{73gL}{18}}$，
設小球的速度方向與豎直方向成θ角，則：tanθ=$\frac{{v}_{x}}{{v}_{y}}$=$\frac{3}{8}$；
（3）BD的高度：h=$\frac{1}{2}$gt²=$\frac{16}{9}$L；
答：（1）小球從A點運動到B點過程中的最大速率為$\sqrt{gL}$；
（2）當小球再次運動到OC線上的D點時，小球速度的大小為$\sqrt{\frac{73gL}{18}}$，方向：與豎直方向夾角為：arctan$\frac{3}{8}$；
（3）BD的高度為$\frac{16}{9}$L．

點評 本題是一道力學綜合題，物體運動過程復雜，難度較大，分析清楚物體運動過程是正確解題的關鍵，分析清楚運動過程后，應用動能定理、平拋運動規(guī)律可以解題．