2.如圖所示,水平地面上有一輛小車,車上固定一個豎直光滑絕緣管,管的底部有一質(zhì)量m1=0.2g、電荷量q=8×10-5C的帶正電小球,小球的直徑比管的內(nèi)徑略小.在管口所在水平面MN的下方存在著垂直紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度B1=15T的勻強(qiáng)磁場,MN面的上方還存在著豎直向上、場強(qiáng)E=25V/m的勻強(qiáng)電場和垂直紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度B2=5T的勻強(qiáng)磁場,現(xiàn)讓小車始終保持vx=2m/s的速度勻速向右運(yùn)動,以帶電小球剛經(jīng)過磁場的邊界PQ為計時的起點,測得小球在管內(nèi)運(yùn)動的這段時間為t=1s,g取10/s2,不計空氣阻力.
(1)求小球進(jìn)入磁場B1時的加速度a的大小.
(2)求小球離開管口時的速度v的大。
(3)若小球離開管口后,在運(yùn)動中的最高點,與靜止在絕緣支架的微小光滑水平臺上的、質(zhì)量為m2=0.2g、不帶電的小球(圖中未畫出)碰撞后成為一個整體,且碰撞導(dǎo)致該整體不帶電.求該整體穿過MN平面的位置到小球剛離開管口時的位置之間的距離s的大。

分析 (1)由洛倫茲力與重力共同提供合力,根據(jù)牛頓第二定律,即可求解;
(2)根據(jù)速度的分解,結(jié)合矢量法則,即可求解;
(3)因電場力與重力相平衡,則洛倫茲力提供向心力,結(jié)合牛頓第二定律、運(yùn)動學(xué)公式,與幾何關(guān)系,及動量守恒定律,即可求解.

解答 解:(1)小球在管中參與兩個方向的運(yùn)動,即水平方向,
以vx向右勻速運(yùn)動,豎直方向,因水平速度而受到豎直向上的洛倫茲力,向上勻加速運(yùn)動.
小球進(jìn)入磁場B1時的加速度為a,由牛頓第二定律得:B1qvx-m1g=m1a,解得:a=2m/s2;
(2)小球在t=1s時,豎直分速度,vy=at=2m/s;而水平分速度vx=2m/s;
則小球離開管口的速度v=$\sqrt{{v}_{x}^{2}+{v}_{y}^{2}}$=2$\sqrt{2}$m/s;
(3)小球離開管子后,進(jìn)入MN上方的復(fù)合場中,因Eq1=2×10-3N=m1g;
所以小球在洛倫茲力的作用下,做勻速圓周運(yùn)動,設(shè)v與MN成θ角,
則tanθ=$\frac{{v}_{y}}{{v}_{x}}$=1,解得:θ=45°;
其運(yùn)動的軌跡如圖所示:

由牛頓第二定律得:
B2qv=m1$\frac{{v}^{2}}{r}$,解得:r=$\sqrt{2}$m,
當(dāng)小球運(yùn)動到最高點時,速度水平,與小球2碰撞,
水平方向動量守恒,且合成的整體不帶電,此后做平拋運(yùn)動,設(shè)共同速度為v1;
以向右為正方向,由動量守恒定律得:m1v=(m1+m2)v1,解得:v1=$\sqrt{2}$m/s,
設(shè)最高點距MN的距離為h,則有:h=r-rsin45°=($\sqrt{2}$-1)m;
設(shè)平拋運(yùn)動的時間為t1,則有:h=$\frac{1}{2}$gt12,解得:t1=$\sqrt{\frac{\sqrt{2}-1}{5}}$,
所求距離s=rcos45°+v1t1;
解得:s=(1+$\sqrt{\frac{2(\sqrt{2}-1)}{5}}$)m≈1.4m.
答:(1)小球進(jìn)入磁場B1時的加速度a的大小2m/s2
(2)小球離開管口時的速度v的大小2$\sqrt{2}$m/s.
(3)該整體穿過MN平面的位置到小球剛離開管口時的位置之間的距離s的大小1.4m.

點評 考查洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動,理解牛頓第二定律的應(yīng)用,掌握矢量的分解法則,注意幾何關(guān)系的正確建立,掌握動量守恒定律,注意其方向性.

練習(xí)冊系列答案
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A.鐵鏈的下端A下落到窗口的上沿B時,鐵鏈的速度大小為20m/s
B.接著鐵鏈經(jīng)過整個窗口用了t=0.3s的時間,窗口的高度h為0.45m
C.若升高懸點的高度,鐵鏈經(jīng)過整個窗口所用時間變長
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7.一平行板電容器C的極板是水平放置的,它和四個可變電阻及電源(電源內(nèi)有內(nèi)阻)連接成如圖所示的電路,今有一質(zhì)量為m的帶正電油滴懸浮在兩極板之間靜止不動,現(xiàn)調(diào)節(jié)其中一個電阻,其余電阻不變,則( 。
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C.若增大R3,油滴加速上升D.若增大R4,油滴加速上升

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14.如圖所示,一重物靜止在粗糙斜面體上,斜面體固定在水平面上,現(xiàn)用一水平力F作用在該重物上,當(dāng)水平力F從零逐漸增大的過程中( 。
A.重物所受合力逐漸增大
B.斜面對重物的摩擦力逐漸增大
C.斜面對重物的彈力逐漸增大
D.當(dāng)F增大到足夠大時,重物一定沿斜面向上滑動

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7.用單擺測重力加速度的實驗中:
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A.$\frac{{3p}_{0}L}{2S}$B.$\frac{{p}_{0}L}{2S}$C.$\frac{{p}_{0}L}{S}$D.$\frac{{2p}_{0}L}{S}$

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