问题 计算题

(20分)

如图所示,空间有场强的竖直向下的匀强电场,长的不可伸长的轻绳一端固定于O点,另一端系一质量的不带电小球,拉起小球至绳水平后,无初速释放。另一电荷量、质量与相同的小球,以速度水平抛出,经时间与小球点下方一足够大的平板相遇。不计空气阻力,小球均可视为质点,取

(1)求碰撞前瞬间小球的速度。

(2)若小球经过路到达平板,此时速度恰好为O,求所加的恒力。

(3)若施加恒力后,保持平板垂直于纸面且与水平面的夹角不变,在点下方任意改变平板位置,小球均能与平板正碰,求出所有满足条件的恒力。

答案

(1)

(2)

(3)

本题主要考查了带电粒子在场中运动、碰撞、动量守恒。牛顿定律、功能关系的综合运用。重点考查对物理过程分析和建立物理模型能力的考查。

(1)设的加速度为、到点时竖直速度为,合速度大小为、与水平方向的夹角为,有:

                                        ①

                                               ②

                                            ③

                                             ④

联立上述方程,代人数据,解得:                ⑤

                  ⑥

(2)设A碰钱速度为,此时轻绳与竖直线的夹角为,由动能定理得:

     ⑦

AP碰撞后小球C的速度为,由动量守恒定律,得:

          ⑧

小球C到达平板时速度为零,应做匀减速直线运动,设加速度大小为,有:

                  ⑨

设恒力大小为F,与竖直方向夹角为,如右图,由牛顿第二定律,得:

 ⑩

  ⑾

代人相关数据,解得:              ⑿

                      ⒀

(3)由于平板可距D点无限远,小球C必做匀速或匀加速直线运动,恒力的方向可从竖直向上顺时针转向无限接近速度方向,设恒力与竖直向上方向的角度为,有:

                 ⒁

在垂直于速度方向上,有  ⒂

大小的条件为:

            (式中)   ⒃

思维拓展:本题考查的内容比较多,题设中以巧妙的情景形式呈现.首先要了解研究对象所处的环境,受力分析、牛顿运动定律和直线运动、平抛或类平抛运动是物理学的基础,也是高考命题重点,一定要牢固掌握。对于多过程问题,要分析物理过程,弄清各个状态的特点,本题中小球P开始受到重力和电场力,做类平抛运动,注意第一问中速度是矢量不仅要求出大小,还要求出方向。本题中2、3问,物理过程较复杂,我们只有仔细分析过程,找到临界条件,建立正确的物理模型才是解好本题的关键。这时是高考考查的重点之一。

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