Question

3．如圖所示，一絕緣輕繩繞過(guò)無(wú)摩擦的兩輕質(zhì)小定滑輪O₁、O₂，一端與質(zhì)量m=0.2kg的帶正電小環(huán)P連接，且小環(huán)套在絕緣的均勻光滑直桿上（環(huán)的直徑略大于桿的截面直徑），已知小環(huán)P帶電q=4×10^-5C，另一端加一恒定的力F=4N．已知直桿下端有一固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸O，上端靠在光滑豎直墻上的A處，其質(zhì)量M=1kg，長(zhǎng)度L=1m，桿與水平面的夾角為θ=53°，直桿上C點(diǎn)與定滑輪在同一高度，桿上CO=0.8m，滑輪O₁在桿中點(diǎn)的正上方，整個(gè)裝置在同一豎直平面內(nèi)，處于豎直向下的大小E=5×10⁴N/C的勻強(qiáng)電場(chǎng)中．現(xiàn)將小環(huán)P從C點(diǎn)由靜止釋放，求：（取sin53°=0.8）
（1）作出小環(huán)剛釋放時(shí)的受力示意圖，并求出豎直墻A處對(duì)桿的彈力大��；
（2）下滑過(guò)程中小環(huán)能達(dá)到的最大速度；
（3）若僅把電場(chǎng)方向反向，其他條件都不變，則環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電勢(shì)能變化的最大值．

Answer 1

分析 （1）分析剛釋放時(shí)小環(huán)的受力情況，由平衡條件求得桿對(duì)環(huán)的支持力，再以直桿為研究對(duì)象，由力矩平衡條件求解豎直墻A處對(duì)桿的彈力大小；
（2）當(dāng)小環(huán)沿桿方向的合外力為零時(shí)，速度最大，由平衡條件求得此時(shí)繩與桿之間的夾角，根據(jù)動(dòng)能定理求解小環(huán)能達(dá)到的最大速度；
（3）當(dāng)電場(chǎng)力反向時(shí)，小環(huán)所受的電場(chǎng)力正好與重力平衡，當(dāng)小環(huán)下滑至繩拉力方向與桿垂直時(shí)，速度最大．根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，由幾何關(guān)系求出小環(huán)下滑的距離，即可求得電勢(shì)能變化的最大值．

解答 解：（1）設(shè)環(huán)受到重力為Gp，電場(chǎng)力為F，繩子拉力為 T，對(duì)環(huán)受力分析如圖，其中F=qE=4×10^-5C×5×10⁴N/C=2N．
由平衡條件得：T cos37°+N₁=（Gp+F） cos53°　　
代入數(shù)據(jù)得：N₁=0.8N  
則環(huán)對(duì)桿的壓力大小為N₁′=N₁=0.8N
設(shè)豎直墻A處對(duì)桿的彈力為N，對(duì)桿分析，由力矩平衡條件得：
    G•$\frac{L}{2}$cos53°=NLsin53°+N₁′$\overline{CO}$

代入數(shù)據(jù)得：N=2.95（N）
（2）設(shè)小環(huán)下滑時(shí)，繩與桿之間的夾角為α?xí)r，小環(huán)速度最大，此時(shí)小環(huán)沿桿方向的合外力為零（F+G）sin53°=Fsinα得：α=37°

也即小環(huán)滑至O₁正下方時(shí)，小環(huán)速度最大，此時(shí)小環(huán)下滑s=0.3m   
（F+G）Ssin53°-FS（sin53°-cos53°）=$\frac{1}{2}$mv_m²得v_m=2.68m/s
（3）當(dāng)電場(chǎng)力反向，電場(chǎng)力正好與重力平衡，當(dāng)小環(huán)下滑至繩拉力方向與桿垂直時(shí)，速度最大．由對(duì)稱(chēng)性得：
小環(huán)下滑s₁=2scos53° cos53°=2×0.3×0.6×0.6（m）=0.216（m）
此時(shí)電勢(shì)能變化值最大：△E=Fs₁sin53°=2×0.216×0.8=0.3456J
答：（1）作出小環(huán)剛釋放時(shí)的受力示意圖，豎直墻A處對(duì)桿的彈力大小是2.05N；
（2）下滑過(guò)程中小環(huán)能達(dá)到的最大速度是2.68m/s；
（3）若僅把電場(chǎng)方向反向，其他條件都不變，則環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電勢(shì)能變化的最大值是0.3456J

點(diǎn)評(píng) 了解研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是解決問(wèn)題的前提，根據(jù)題目已知條件和求解的物理量選擇物理規(guī)律解決問(wèn)題．選取研究過(guò)程，運(yùn)用動(dòng)能定理解題．動(dòng)能定理的優(yōu)點(diǎn)在于適用任何運(yùn)動(dòng)包括曲線運(yùn)動(dòng)．