问题 问答题

半径为R的光滑绝缘半球槽处在水平向右的匀强电场中,一质量为m的带电小球从槽的右端A处(与球心等高)无初速度沿轨道滑下,滑到最低点B时,球对轨道的压力为2mg.求:

(1)小球从A到B的过程中电场力做的功及电场力的大小;

(2)带电小球在滑动过程中的最大速度.

答案

(1)设小球运动到最低位置B时速度为v,此时N-mg=

v2
R
…①

由题意,N=2mg

解得:v=

gR

设电场力大小为F,做功为W,小球从A处沿槽滑到最底位置B的过程中,根据动能定理得:mgR+W=

1
2
mv2-0…②

由①、②两式得:W=-

1
2
mgR…③

所以此过程中电场力做负功,则电场力方向水平向右,由|W|=FR,得电场力大小为 F=|

W
R
|=
1
2
mg

(2)小球在滑动过程中最大速度的条件:是小球沿轨道运动过程某位置时切向合力为零,设此时小球和圆心间的连线与竖直方向的夹角为θ,如图

mgsinθ=Fcosθ…③

则得:tanθ=

1
2

小球由A处到最大速度位置得过程中,由动能定理得:

  mgRcosθ-

1
2
mgR(1-sinθ)=
1
2
m
v2m
-0

解得 vm=

(
5
-1)gR

答:(1)小球受到电场力的大小为

1
2
mg,方向水平向右;

(2)带电小球在滑动过程中的最大速度是

(
5
-1)gR

单项选择题
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