Question

如圖，光滑水平面上帶電量為q、質(zhì)量為m的小球P靠在一勁度系數(shù)為k的輕彈簧的右端．現(xiàn)將彈簧向左壓縮長(zhǎng)度為L(zhǎng)后自A點(diǎn)靜止釋放小球P，小球P運(yùn)動(dòng)到B處時(shí)恰與靜止的不帶電的相同小球Q相碰并粘在一起，進(jìn)入水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)中．C點(diǎn)右側(cè)是垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，小球運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)時(shí)，電場(chǎng)突然變?yōu)樨Q直向上，但大小不變．此后物體開始在豎直平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)撤去電場(chǎng)，小球正好又落回B點(diǎn)．已知AB=BC=L，彈簧的彈性勢(shì)能與其形變量x的關(guān)系是E_p=

1

2

kx2，式中k為彈簧的勁度系數(shù)．求：
（1）判斷小球P的電性和在B點(diǎn)碰后的共同速度；
（2）電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小；
（3）若把小球P從A到B的過程視為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，其周期T=2π

m k

，則小球從A出發(fā)最終落回到B點(diǎn)的總時(shí)間．

Answer 1

分析：（1）小球進(jìn)入磁場(chǎng)后在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，知小球受重力和電場(chǎng)力平衡，從而確定出小球的電性．根據(jù)能量守恒，求出小球剛離開彈簧時(shí)的速度，再根據(jù)動(dòng)量守恒定律求出和B碰后的共同速度．
（2）根據(jù)進(jìn)入磁場(chǎng)后，重力與電場(chǎng)力平衡，求出電場(chǎng)強(qiáng)度的大��；碰撞后的結(jié)合體做圓周運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)，撤去電場(chǎng)，將做平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)水平位移和速度，求出運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，從而求出豎直的位移（直徑），根據(jù)帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑公式，求出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大�。�
（3）小球從A出發(fā)最終落回到B點(diǎn)的過程中可分為四個(gè)過程，第一段A到B做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，第二段B到C做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，第三段圓周運(yùn)動(dòng)（半圈），第四段平拋運(yùn)動(dòng)，分別求出四段時(shí)間，再求和．

解答：解：（1）小球進(jìn)入磁場(chǎng)后做圓周運(yùn)動(dòng)，知重力和電場(chǎng)力平衡．則電場(chǎng)力的方向豎直向上，該小球的電性為正電．由 能量守恒得：

1

2

kL2=

1

2

mv2 
解得 v=

kL2 m

由動(dòng)量守恒得，碰撞后的共同速度為v′．
mv=2mv′v′=

kL2 4m

（2）2mg=qE     則E=

2mg

q

B到C段的加速度a=

qE

2m

=g
     v12-v′2=2aL    
撤去電場(chǎng)后做平拋運(yùn)動(dòng)，平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t=

L

v1

     2R=

1

2

gt2
帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)qvB=m

v2

R

B=

mv1

qR

=

4m

gqL2

(2gL+

kL2

4m

)

3

2

（3）第一段簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t1=

T

4

=

π

2

m k

第二段勻加速直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t2=

v1-v′

a

=

2gL+ kL2 4m - kL2 4m

g

 第三段在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t3=

T′

2

         T′=

2πm

qB

所以t3=

πm

qB

=

πm

4m gL2 (2gL+ kL2 4m ) 3 2

第四段做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t4=

L

v1

=

L

2gL+ kL2 4m

小球從A出發(fā)最終落回到B點(diǎn)的總時(shí)間
t=t₁+t₂+t₃+t₄=

π

2

m k

+

2gL+ kL2 4m - kL2 4m

g

+

πm

4m gL2 (2gL+ kL2 4m ) 3 2

+

L

2gL+ kL2 4m

點(diǎn)評(píng)：解決本題的關(guān)鍵搞清楚整個(gè)過程的運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程有簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、勻加速直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)．