Question

【題目】如圖所示，直角坐標平面Oxy在豎直平面內(nèi)，y軸豎直向上，在第一象限內(nèi)分布著方向豎直向上的勻強電場(不包含y軸)，場強大小用E1表示，在第二象限內(nèi)分布著方向沿x軸負方向的勻強電場，場強大小用E2表示。用長度為L的絕緣細線將質(zhì)量為m、電荷量為+q的帶電小球(可看成質(zhì)點)懸掛在P點，P點在y軸上，坐標為(0, 2L)，在P點正下方與P點距離小于L的某點Q釘一釘子。現(xiàn)用外力把小球拉到左側(cè)與P等高處，細線被拉直與x軸平行，由靜止釋放，小球運動到最低點時繩恰被拉斷，然后進入第一象限，經(jīng)過時間，立即在第一象限內(nèi)再加垂直于Oxy平面向里的勻強磁場(圖中未畫出)，磁感應(yīng)強度為，再經(jīng)過to時間，撤去勻強磁場。已知E1=，E2=，細線能夠承受的最大拉力是F0=3mg。(結(jié)果用g、L、m表示)求：

(1)小球在下擺過程中的最大速度vm

(2)Q點與P點之間的距離h

(3)小球在第一象限運動的時間t=?小球離開第一象限的位置坐標?

Answer 1

【答案】（1） （2） （3）

【解析】(1)小球在向下擺動過程中，設(shè)合力與豎直方向的夾角為θ，當速度方向與合力方向垂直時，即細線與豎直方向的夾角為θ時，速度最大，設(shè)為vm，則 ①

由動能定理有，有 ②

解得 ③

（2）設(shè)小球運動到Ｐ點正下方時速度為v1，由動能定理有，有 ④

解得 ⑤

小球運動到最低點時，細線被釘子擋住，做圓周運動的半徑為r，則根據(jù)牛頓第二定律，有r=L-h⑥

⑦

解得⑧

（3）繩被拉斷，小球進入第一象限，由于qE1=mg，所以小球沿水平方向做勻速直線運動。經(jīng)過時間t0，加上勻強磁場后，小球做勻速圓周運動，設(shè)半徑為R，周期為T，則

⑨

⑩

解得 , 所以， ⑾

即小球做圓周運動時間是四分之三個周期，撤去勻強磁場后，小球向下做勻速直線運動穿過x軸，設(shè)撤去勻強磁場時，小球的位置與x軸的距離是y，運動時間為t1，則

Y=2L-R ⑿

⒀

在第一象限的總時間t=t0+t0+t1⒁

⒂

設(shè)小球離開x軸的坐標為（x，0），則

X=v1t0-R ⒃

解得 ，小球離開第一象限的位置坐標是（） ⒄