在如图甲所示的空间里,存在垂直纸面向里即水平方向的匀强磁场,磁感应强度大小为,在竖直方向存在如图乙所示交替变化的电场(竖直向上为正),电场强度E0大小为
,空间中有一倾角为θ的足够长的光滑绝缘斜面,斜面上有一质量为m,带电荷量为-q的小球,从t=0时刻由静止开始沿斜面下滑,设第7s内小球不会离开斜面,重力加速度为g,求:
(1)第2s末小球速度υ2的大小;
(2)前8s内小球通过的路程L;
(3)若第19s末小球仍未离开斜面,θ角应满足的条件。
解:(1)第一秒内小球受到竖直向下的重力mg和电场力qE0作用,在斜面上以加速度a做匀加速运动。
由牛顿第二定律得 (mg+qE0)sinθ=ma
第一秒末小球的速度 υ1=at1=2gsinθ
第二秒内电场力反向,且满足qE0=mg
第二秒内小球受到洛伦兹力作用将离开斜面以υ1做半径为R2的匀速圆周运动。
由向心力公式得
小球做匀速圆周运动周期
结合题图可知,小球在奇数秒内沿斜面做匀加速运动,
在偶数秒内离开斜面恰好做完整的圆周运动,小球运动轨迹如图所示。
小球第2s末的速度υ2=υ1=at2=2gsinθ
(2)第3s末小球速度υ3=a(t1+t3)=4gsinθ
第5s末速度υ5=a(t1+t3+t5)=6gsinθ
第7s末速度υ7=a(t1+t3+t5+t7)=8gsinθ
第2s内小球做圆周运动的半径
第4s内小球做圆周运动的半径
第6s内小球做圆周运动的半径
第8s内小球做圆周运动的半径
第1s内小球做匀加速直线运动的路程
第2s内小球做匀速圆周运动的路程s2=2πR2=2gsinθ
0~8s内小球做匀加速直线运动的总路程L1=s1+3s1+5s1+7s1=16s1=16gsinθ
0~8s内小球做匀速圆周运动的总路程L2=s2+s4+s6+s8=s2+2s2+3s2+4s2=10s2=20gsinθ
前8s内小球通过的路程L=L1+L2=36gsinθ
(3)第19s末仍在斜面上,则有υ19=a(t1+t3+t5+t7+t9+t11+t13+t15+t17+t19)=10a=20gsinθ
且19s末小球所受洛伦兹力Bqυ19、重力mg和电场力qE0作用,应满足 Bqυ19≤(mg+qE0)cosθ
解得。