题目
+ N-|||-+-|||-o-|||-B-|||-R iv-|||-square -|||-A R M如图所示,绝缘水平轨道与光滑绝缘竖直圆槽形轨道相切于A点,圆形轨道半径为R,圆形轨道上B点与圆心等高,水平轨道AM段长度也为R,竖直边界MN左侧分布有水平向左的匀强电场,场强E=(3mg)/(4q)。质量为m,带电量为+q的物块(可视为质点)以水平方向速度v0从M点进入电场,水平轨道AM段与物块间的动摩擦因数μ可调,(重力加速度为g,sin37°=0.6,sin53°=0.8)。求:(1)若μ=0.75,且物块的速度v0=sqrt(gR),物块经过圆形轨道最低点A时对轨道的压力大小;(2)若物块的速度v0=sqrt((9gR)/(2)),要使物块能做完整的圆周运动,AM段与物块间动摩擦因数满足什么条件;(3)若μ=0.75,只把MN左侧的电场方向变成水平向右,其他条件不变,为使滑块能到达B点,物块的初速度v0应满足什么条件。
如图所示,绝缘水平轨道与光滑绝缘竖直圆槽形轨道相切于A点,圆形轨道半径为R,圆形轨道上B点与圆心等高,水平轨道AM段长度也为R,竖直边界MN左侧分布有水平向左的匀强电场,场强E=$\frac{3mg}{4q}$。质量为m,带电量为+q的物块(可视为质点)以水平方向速度v0从M点进入电场,水平轨道AM段与物块间的动摩擦因数μ可调,(重力加速度为g,sin37°=0.6,sin53°=0.8)。求:(1)若μ=0.75,且物块的速度v0=$\sqrt{gR}$,物块经过圆形轨道最低点A时对轨道的压力大小;
(2)若物块的速度v0=$\sqrt{\frac{9gR}{2}}$,要使物块能做完整的圆周运动,AM段与物块间动摩擦因数满足什么条件;
(3)若μ=0.75,只把MN左侧的电场方向变成水平向右,其他条件不变,为使滑块能到达B点,物块的初速度v0应满足什么条件。
题目解答
答案
解:(1)物块从M点到A点,由动能定理得
$qER-μmgR=\frac{1}{2}m{v}_{A}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
物块在A点做圆周运动,受轨道的支持力为NA,在A点由牛顿第二定律可得
NA−mg=$m\frac{{v}_{A}^{2}}{R}$
解得
NA=2mg
由牛顿第三定律可得,物块对轨道的压力大小为2mg。
(2)当物块通过等效最高点C时,重力和电场力的合力恰好提供向心力时,物块恰能做完整的圆周运动,受力分析如图所示

NC=0
合力与竖直方向夹角为37°;物块从M点到C点,由动能定理得
qER(1−sin37°)−μmgR−mgR(1+cos37°)=$\frac{1}{2}{mv}_{C}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
在等效最高点C时,由牛顿第二定律得
$\sqrt{(mg)^{2}+(qE)^{2}}=\frac{m{v}_{C}^{2}}{R}$
联立解得
μ=0.125
要使物块能做完整的圆周运动,AM段与物块间动摩擦因数
μ≤0.125
(3)物块从M点到B点,由动能定理得
−2qER−μmgR−mgR=$\frac{1}{2}{mv}_{B}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
物块恰能到B点,则对轨道压力为
NB=0
由牛顿第二定律得
$qE=\frac{m{v}_{B}^{2}}{R}$
联立解得
${v}_{0}=\frac{\sqrt{29gR}}{2}$
因此,物块的初速度
${v}_{0}≥\frac{\sqrt{29gR}}{2}$
答:(1)物块经过圆形轨道最低点A时对轨道的压力大小为2mg;
(2)要使物块能做完整的圆周运动,AM段与物块间动摩擦因数满足μ≤0.125;
(3)为使滑块能到达B点,物块的初速度v0应满足${v}_{0}≥\frac{\sqrt{29gR}}{2}$。
$qER-μmgR=\frac{1}{2}m{v}_{A}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
物块在A点做圆周运动,受轨道的支持力为NA,在A点由牛顿第二定律可得
NA−mg=$m\frac{{v}_{A}^{2}}{R}$
解得
NA=2mg
由牛顿第三定律可得,物块对轨道的压力大小为2mg。
(2)当物块通过等效最高点C时,重力和电场力的合力恰好提供向心力时,物块恰能做完整的圆周运动,受力分析如图所示

NC=0
合力与竖直方向夹角为37°;物块从M点到C点,由动能定理得
qER(1−sin37°)−μmgR−mgR(1+cos37°)=$\frac{1}{2}{mv}_{C}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
在等效最高点C时,由牛顿第二定律得
$\sqrt{(mg)^{2}+(qE)^{2}}=\frac{m{v}_{C}^{2}}{R}$
联立解得
μ=0.125
要使物块能做完整的圆周运动,AM段与物块间动摩擦因数
μ≤0.125
(3)物块从M点到B点,由动能定理得
−2qER−μmgR−mgR=$\frac{1}{2}{mv}_{B}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
物块恰能到B点,则对轨道压力为
NB=0
由牛顿第二定律得
$qE=\frac{m{v}_{B}^{2}}{R}$
联立解得
${v}_{0}=\frac{\sqrt{29gR}}{2}$
因此,物块的初速度
${v}_{0}≥\frac{\sqrt{29gR}}{2}$
答:(1)物块经过圆形轨道最低点A时对轨道的压力大小为2mg;
(2)要使物块能做完整的圆周运动,AM段与物块间动摩擦因数满足μ≤0.125;
(3)为使滑块能到达B点,物块的初速度v0应满足${v}_{0}≥\frac{\sqrt{29gR}}{2}$。
解析
步骤 1:物块从M点到A点的动能定理
物块从M点到A点,受到电场力和摩擦力的作用,由动能定理可得:
$qER-μmgR=\frac{1}{2}m{v}_{A}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
步骤 2:物块在A点的圆周运动
物块在A点做圆周运动,受轨道的支持力为N_A,在A点由牛顿第二定律可得:
N_A−mg=$m\frac{{v}_{A}^{2}}{R}$
步骤 3:物块通过等效最高点C时的条件
当物块通过等效最高点C时,重力和电场力的合力恰好提供向心力时,物块恰能做完整的圆周运动,受力分析如图所示,合力与竖直方向夹角为37°,物块从M点到C点,由动能定理得:
qER(1−sin37°)−μmgR−mgR(1+cos37°)=$\frac{1}{2}{mv}_{C}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
步骤 4:物块恰能到B点的条件
物块从M点到B点,由动能定理得:
−2qER−μmgR−mgR=$\frac{1}{2}{mv}_{B}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
物块恰能到B点,则对轨道压力为N_B=0,由牛顿第二定律得:
$qE=\frac{m{v}_{B}^{2}}{R}$
物块从M点到A点,受到电场力和摩擦力的作用,由动能定理可得:
$qER-μmgR=\frac{1}{2}m{v}_{A}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
步骤 2:物块在A点的圆周运动
物块在A点做圆周运动,受轨道的支持力为N_A,在A点由牛顿第二定律可得:
N_A−mg=$m\frac{{v}_{A}^{2}}{R}$
步骤 3:物块通过等效最高点C时的条件
当物块通过等效最高点C时,重力和电场力的合力恰好提供向心力时,物块恰能做完整的圆周运动,受力分析如图所示,合力与竖直方向夹角为37°,物块从M点到C点,由动能定理得:
qER(1−sin37°)−μmgR−mgR(1+cos37°)=$\frac{1}{2}{mv}_{C}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
步骤 4:物块恰能到B点的条件
物块从M点到B点,由动能定理得:
−2qER−μmgR−mgR=$\frac{1}{2}{mv}_{B}^{2}-\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
物块恰能到B点,则对轨道压力为N_B=0,由牛顿第二定律得:
$qE=\frac{m{v}_{B}^{2}}{R}$