Question

abc是光滑絕緣的軌道，其中ab是水平的，bc為與ab相切的位于豎直平面內(nèi)的半圓，半徑R=0.4m，質(zhì)量m=0.20㎏的不帶電小球A靜止在軌道上，另一質(zhì)量M=0.60㎏，速度V₀，帶正電，電量為1×10^-3C的小球B與小球A發(fā)生正碰，碰后兩球粘在一起，所帶電量不變，在半圓軌道中存在水平向右勻強(qiáng)電場(chǎng)E=8

3

×103N/C半圓軌道bc左側(cè)無(wú)電場(chǎng)．已知相碰后AB球經(jīng)過半圓軌道最高點(diǎn)C落到軌道上距b點(diǎn)L=0.4m處，重力加速度g=10m/s²求：
（1）小球B的初速度v₀大小
（2）AB球碰后粘在一起，在半圓軌道上，運(yùn)動(dòng)的最大速度？
（3）AB球在速度最大時(shí)，球?qū)�軌道的壓力大�。?/div>

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分析：（1）兩球相碰的過程中滿足動(dòng)量守恒定律，b到c的過程中重力做功，機(jī)械能守恒；小球離開c后做平拋運(yùn)動(dòng)，使用平拋運(yùn)動(dòng)的公式即可解題；
（2）兩球在等效最低點(diǎn)時(shí)的速度最大，確定該最低點(diǎn)的位置，算出外力的總功，使用動(dòng)能定理即可；
（3）小球在圓軌道內(nèi)，軌道對(duì)小球的支持力與重力、電場(chǎng)力的合力提供向心力．

解答：解：（1）對(duì)碰撞的過程，由動(dòng)量守恒定律得：Mv₀=（M+m）v₁
碰后小球達(dá)到半圓的最高點(diǎn)c時(shí)的速度為v₂，則對(duì)小球在豎直方向上有：

1

2

(M+m)

v

2 1

=

1

2

(M+m)

v

2 2

+2(M+m)gR
小球離開c后做平拋運(yùn)動(dòng)，豎直方向：

1

2

gt2=2R
水平方向：x=v₂t
代入數(shù)據(jù)解得：v₀=

4

3

17

m/s，v₁=

17

m/s；
（2）碰后小球在電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力：F1=qE=1×0-3×8

3

×103N=8

3

N
兩個(gè)小球的重力和電場(chǎng)力的合力：F=

(M+m)2g2+ F 2 1

=

256

N=16N
設(shè)合力與豎直方向的夾角為θ，則sinθ=

F1

F

=

3

2

，cosθ=

mg+Mg

F

=0.5；
過圓弧的圓心，沿重力與電場(chǎng)力合力的方向做直線，直線與圓弧的交點(diǎn)就是復(fù)合場(chǎng)的等效最低點(diǎn)，小球在等效最低點(diǎn)的速度最大，設(shè)為v_m；
兩個(gè)小球從B到等效最低點(diǎn)的過程中，重力和電場(chǎng)力做功，小球的動(dòng)能增加：

1

2

(M+m)

v

2 m

-

1

2

(M+m)

v

2 1

=qERsinθ-(M+m)gR(1-cosθ)
代入數(shù)據(jù)解得：vm=

25

m/s=5m/s
（3）速度最大時(shí)，軌道對(duì)小球的支持力與重力、電場(chǎng)力的合力提供向心力：
FN-F=

(M+m) v 2 m

R

代入數(shù)據(jù)解得：FN=F+

(M+m) v 2 m

R

=16N+50N=66N
根據(jù)牛頓第三定律，球?qū)�軌道的壓力大小和軌道�?duì)小球的支持力大小相等方向相反，所以球?qū)�軌道的壓力大小�?6N．
答：（1）小球B的初速度v₀大小為

4

3

17

m/s；
（2）AB球碰后在半圓軌道上運(yùn)動(dòng)的最大速度為5m/s；
（3）AB球在速度最大時(shí)，球?qū)�軌道的壓力大小�?6N．

點(diǎn)評(píng)：在本題中物體不僅受重力的作用，還有電場(chǎng)力，在解題的過程中，一定要分析清楚物體的受力和運(yùn)動(dòng)過程，兩球在碰撞過程中動(dòng)量守恒，碰后b到c的過程機(jī)械能守恒，b到最低點(diǎn)的過程機(jī)械能不守恒．題目中物體的運(yùn)動(dòng)過程比較復(fù)雜，在解題時(shí)一定分析清楚運(yùn)動(dòng)過程．

Answer 1

分析：（1）兩球相碰的過程中滿足動(dòng)量守恒定律，b到c的過程中重力做功，機(jī)械能守恒；小球離開c后做平拋運(yùn)動(dòng)，使用平拋運(yùn)動(dòng)的公式即可解題；
（2）兩球在等效最低點(diǎn)時(shí)的速度最大，確定該最低點(diǎn)的位置，算出外力的總功，使用動(dòng)能定理即可；
（3）小球在圓軌道內(nèi)，軌道對(duì)小球的支持力與重力、電場(chǎng)力的合力提供向心力．

解答：解：（1）對(duì)碰撞的過程，由動(dòng)量守恒定律得：Mv₀=（M+m）v₁
碰后小球達(dá)到半圓的最高點(diǎn)c時(shí)的速度為v₂，則對(duì)小球在豎直方向上有：

1

2

(M+m)

v

2 1

=

1

2

(M+m)

v

2 2

+2(M+m)gR
小球離開c后做平拋運(yùn)動(dòng)，豎直方向：

1

2

gt2=2R
水平方向：x=v₂t
代入數(shù)據(jù)解得：v₀=

4

3

17

m/s，v₁=

17

m/s；
（2）碰后小球在電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力：F1=qE=1×0-3×8

3

×103N=8

3

N
兩個(gè)小球的重力和電場(chǎng)力的合力：F=

(M+m)2g2+ F 2 1

=

256

N=16N
設(shè)合力與豎直方向的夾角為θ，則sinθ=

F1

F

=

3

2

，cosθ=

mg+Mg

F

=0.5；
過圓弧的圓心，沿重力與電場(chǎng)力合力的方向做直線，直線與圓弧的交點(diǎn)就是復(fù)合場(chǎng)的等效最低點(diǎn)，小球在等效最低點(diǎn)的速度最大，設(shè)為v_m；
兩個(gè)小球從B到等效最低點(diǎn)的過程中，重力和電場(chǎng)力做功，小球的動(dòng)能增加：

1

2

(M+m)

v

2 m

-

1

2

(M+m)

v

2 1

=qERsinθ-(M+m)gR(1-cosθ)
代入數(shù)據(jù)解得：vm=

25

m/s=5m/s
（3）速度最大時(shí)，軌道對(duì)小球的支持力與重力、電場(chǎng)力的合力提供向心力：
FN-F=

(M+m) v 2 m

R

代入數(shù)據(jù)解得：FN=F+

(M+m) v 2 m

R

=16N+50N=66N
根據(jù)牛頓第三定律，球?qū)�軌道的壓力大小和軌道�?duì)小球的支持力大小相等方向相反，所以球?qū)�軌道的壓力大小�?6N．
答：（1）小球B的初速度v₀大小為

4

3

17

m/s；
（2）AB球碰后在半圓軌道上運(yùn)動(dòng)的最大速度為5m/s；
（3）AB球在速度最大時(shí)，球?qū)�軌道的壓力大小�?6N．

點(diǎn)評(píng)：在本題中物體不僅受重力的作用，還有電場(chǎng)力，在解題的過程中，一定要分析清楚物體的受力和運(yùn)動(dòng)過程，兩球在碰撞過程中動(dòng)量守恒，碰后b到c的過程機(jī)械能守恒，b到最低點(diǎn)的過程機(jī)械能不守恒．題目中物體的運(yùn)動(dòng)過程比較復(fù)雜，在解題時(shí)一定分析清楚運(yùn)動(dòng)過程．