如图所示,一绝缘细圆环半径为r,其环面固定在竖直面上,场强为E的匀强电场与圆环平面平行,环上穿有一电荷量+q,质量为m的小球,可沿圆环做无摩擦的圆周运动,若小球经A点时速度vA的方向恰与电场垂直,且圆环与小球间沿水平方向无力的作用.
(1)求小环运动到A点的速度vA是多少?
(2)当小球运动到与A点对称的B点时,小球对圆环在水平方向上的作用力FB是多少?
(3)若E=
,小球最大动能为多少.mg q

(1)由题意可知小球到达A点时电场力提供向心力即qE=m v 2A r
解得vA=qEr m
(2)从A到B的运动过程中,根据动能定理可得
2qEr=
mvB2-1 2
mvA21 2
在B点根据向心力公式可得NB-qE=mv 2B r
联立以上三式得NB=6qE
根据牛顿第三定律可得小球对圆环在水平方向的作用力大小为6qE.
(3)若E=
,由qE=mg.由于球只受到重力和电场力的作用,并且重力和电场力的大小相等,当两个力的合力沿半径向外时,如图所示经过D点时,动能最大,CD与竖直方向的夹角为45°,根据动能定理得:mg q
从A→B:mgrcos45°+qE(1+sin45°)r=Ek-
m1 2 v 2A
解得球最大动能为Ek=(
+3 2
)mgr2
答:
(1)求小环运动到A点的速度vA是
;qEr m
(2)当小球运动到与A点对称的B点时,小球对圆环在水平方向上的作用力FB是6qE.
(3)若E=
,小球最大动能为(mg q
+3 2
)mgr.2