如图所示,绝缘光滑水平轨道AB的B端与处于竖直平面内的四分之一圆弧形粗糙绝缘轨道BC平滑连接.圆弧的半径R=0.40 m. 在轨道所在空间存在水平向右的匀强电场,电场强度E=1.0×104 N/C.现有一质量m=0.10 kg的带电体(可视为质点)放在水平轨道上与B端距离s=1.0 m的位置,由于受到电场力的作用带电体由静止开始运动,当运动到圆弧形轨道的C端时,速度恰好为零.已知带电体所带电荷量q=8.0×10-5C,取g=10 m/s2,求:
(1)带电体在水平轨道上运动的加速度大小及运动到B端时的速度大小;
(2)带电体运动到圆弧形轨道的B端时对圆弧轨道的压力大小;
(3)带电体沿圆弧形轨道从B端运动到C端的过程中,摩擦力做的功.
(1)8.0 m/s2;4.0 m/s.(2)5.0 N.(3)-0.72 J.
题目分析:(1)设带电体在水平轨道上运动的加速度大小为a,
根据牛顿第二定律qE=ma 解得a=qE/ m=8.0 m/s2
设带电体运动到B端的速度大小为vB,则=2as,
解得vB==4.0 m/s.
(2)设带电体运动到圆弧形轨道B端时受轨道的支持力为FN,根据牛顿第二定律
FN-mg=m
解得 FN=mg+m=5.0 N
根据牛顿第三定律可知,带电体对圆弧轨道B端的压力大小FN′=FN=5.0 N.
(3)设带电体沿圆弧形轨道运动过程中摩擦力所做的功为W摩,根据动能定理得
W电+W摩-mgR=0-m
因电场力做功与路径无关,所以带电体沿圆弧形轨道运动过程中,电场力所做的功
W电=qER=0.32 J,
联立解得 W摩=-0.72 J.
(另解:全过程用动能定理: 可得