问题 问答题

如图,在竖直面内的坐标系xoy中,x轴上方存在竖直向下的匀强电场,电场强度 E=12N/C,在x轴下方存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度B=2T,一带电量为q=+3×10-4c、质量为m=3.6×10-4kg的小球,从(1m,0.5m)处以初速度v0沿x轴负方向抛出,刚好经坐标原点与x轴成45°,沿切线方向进入图中半径为R1=

6
5
(2+
2
)m的光滑圆弧轨道Ⅰ,再次经 x轴沿切线方向进入半径为R2=3(2+
2
)
m,的光滑圆弧轨道Ⅱ,求:(g取10m/s2

(1)小球抛出时的初速度;

(2)小球到达轨道Ⅰ的最低点时对轨道的压力;

(3)若小球从从第一象限某位置沿x轴负向抛出后均能通过坐标原点沿切线方向进入轨道Ⅰ,再沿轨道Ⅱ外侧到达最高点,求小球抛出的所有可能位置.

答案

(1)由题意知:Eq=mg=3.6×10-3N,则:a=

Eq+mg
m
=2g=20m/s2

y1=

1
2
at2得  t=
2
5
20
s  

由x1=v0t  得   v0=2

5
m/s

(2)设小球到达轨道Ⅰ最底点的速度为v1,所受支持力为FN,洛化兹力为FB,则:

1
2
m
v21
-
1
2
m
v20
=(Eq+mg)y1+mgR1(1-cos45°)

代入数据得:v1=8m/s

在轨道Ⅰ的最低点,有 FN-FB-mg=m

v2
R1

代入数据得 FN=1.27×10-2N

即此时小球对轨道Ⅰ的压力为1.27×10-2N

(3)因小球达坐标原点时的速度偏向角为45°,则小球的位移偏向角正切值为0.5,即小球抛出点的位置必在方程y=

1
2
x上.

(Ⅰ)设小球从(x2,y2)处以初速度v01抛出,达轨道Ⅱ最高点的速度为零,则:

  0-

1
2
m
v20
=(Eq+mg)[y2+R2(1-cos45°)]

代入数据并化简得:

v20
=40(3-y2)

由:y2=

1
2
x2

  

1
2
a
t22
=
1
2
v01t2得:20t2=v01

由上两式得:t2=

3
20

           v01=2

15
(m/s)

故:x2=v01t=2

15
×
3
20
=3(m)

(Ⅱ)设小球从(x3,y3)处以初速度v02抛出,达轨道Ⅱ最高点的最大速度为v2,则:

 

1
2
m
v22
-
1
2
m
v202
=(Eq+mg)[y3+R2(1-cos45°)]

  Eq+mg=

m
v22
R2

代入数据并化简得:

v202
-60(2+
2
)=40(3-y3)

得:t2=

3(4-
2
)
40
s  

   v02=

30(4-
2
)
m/s  

则得 x02=t2v02=3(4-

2
)m

由此可知:要让小球到达轨道Ⅱ的最高点,小球抛出的位置在y=

1
2
x上,

区间为3m≤x≤3(4-

2
)m

答:

(1)小球抛出时的初速度是2

5
m;

(2)小球对轨道Ⅰ的压力为4.56×10-3N;

(3)要让小球到达轨道Ⅱ的最高点,小球抛出的位置在y=

1
2
x上,区间为3m≤x≤3(4-
2
)
m.

单项选择题
判断题