问题 问答题

如图所示,A、B两小球大小相同,A绝 缘且不带电,B带正电,其质量之比为1:3,现让A 球从光滑绝缘的四分之一圆弧轨道的项点由静止 释放,当与静止在轨道最低点的B球发生完全弹性 碰撞后,B球飞入右边的匀强电场区.场强方向水平向左,最终B球恰好落至离抛出点的正下方h处的 C点,已知圆弧轨道半径为R,重力加速度为g.

求:(1)碰撞后,A球离C点的最大竖直高度; 

(2)B球的最大水平位移;

(3)B球受到的电场力F与重力G的大小之比.

答案

(1)设A球与B球碰撞前的速度为VA,碰撞后的A、B的速度分别为VA′和VB′,则:

由动能定理得:

1
2
mAVA2=mAgR  ①

由动量守恒得:mAVA=mAVA′+mBVB′②

A球与B球发生完全弹性碰撞机械能守恒,

1
2
mAVA2=
1
2
mAVA2+
1
2
mBVB2   ③

A、B质量之比为1:3,④

联立以上式子解得:

VA′=-

2gR
2
  VB′=
2gR
2

即A球反向运动.

设A上升到离圆弧轨道最低点的最大高度为H,由机械能守恒:

1
2
mAVA2=mAgH  ⑤

解得:H=

1
4
R

所以A球离C点的最大高度为h+

1
4
R.

(2)B球的运动轨迹如图中虚线,其运动分为两个运动:

即:水平方向匀减速直线运动和竖直方向的自由落体运动,设B球运动时间为2t,

最大水平位移为S,由于两个分运动的等时性和水平方向的对称性得:

1
2
vB′t=S    ⑥

1
2
g(2t)2=h    ⑦

解得:S=

Rh
4
    ⑧

(3)设电场力产生的加速度为a,S=

1
2
at2   ⑨

由⑦⑧⑨解得:

a
g
=
R
h

所以

F
G
=
R
h

答::(1)碰撞后,A球离C点的最大竖直高度是h+

1
4
R; 

(2)B球的最大水平位移是

Rh
4

(3)B球受到的电场力F与重力G的大小之比

R
h

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