帶電體在疊加場中的運動 功能問題

2023-02-04 02:51:05 字數 2332 閱讀 7294

對於帶電體在疊加場中的運動,還經常遇到有變力參加作用,運動軌跡是曲線的情況。這種題型在具體分析帶電體的受力情況、運動過程基礎上,一般借助於功能的觀點來處理,具體方法常用兩種:

(1)用動能定理處理。要注意洛侖茲力永不做功,至於電場力的功,一般用w=qu來《計算。當電場為勻強電場時,也可用w=qes來計算(s是在電場力方向通過的直線距離)。

(2)用包括靜電勢能在內的能量守恆定律處理。列式辦法又分為兩種:(a)從初、末狀態能量相等即e1=e2列方程;(b)從某些能量的減少等於另一些能量的增加,即△e=△e′列方程。

[例題1] 如圖1所示,一光滑絕緣細桿豎直放置,它與以正電荷q為圓心的某一圓周交於b、c兩點。質量為m,帶電量為-q的有孔小球從桿上a點無初速下滑,已知q<<q,乙個磁感應強度為b的勻強磁場與虛線圓垂直,ab=bc=h,小球滑到b點的速度大小為,求:(1)小球從a到b的過程中,電場力做的功;

(2)ac兩點間的電勢差;(3)小球滑到c處時的洛侖茲力。

[分析] 小球從a向b滑行時,由於電場變化,故電場力的大小和方向均變化,無法用恒力功公式來計算。小球從a運動到b過程中,已知小球到達b的速度,動能的變化可求,這個過程中重力做功也可以計算,洛侖茲力始終不做功,故可用動能定理求出電場力做的功。然後,根據公式w=qu可求a、c間的電勢差。

再利用功能觀點求小球在c處的速度,便可求出洛侖茲力。

[解答] (1)設小球從a到b,電場力做功w,則由動能定理得:

(2)因為b、c處於點電荷q產生的電場中的乙個等勢面上,即uac=uab。

(3)小球從b滑到c過程中,若取c處為零重力勢能位置,則由eb=ec得:

洛侖茲力,方向向左。

[例題2] 如圖所示,乙個帶電量為-q的小油滴從a點出發以速度v0射入水平向右的勻

強電場中,v0與水平方向的夾角為θ,已知油滴質量為m、重力加速度為g,當油滴到達軌跡最高點時速度大小又恰為v0,試問:(1)油滴運動的最高點大致處在什麼位置?

( 2 ) 電場強度e的大小;

(3)最高點與a點的電勢差u的大小。

[分析] 油滴在運動中受重力mg和電場力qe(水平向左)的作用如圖3所示,設它們的合力f與水平方向夾角為α,∵重力和電場力均為恒力,∴合力f也是恒力,油滴從a點射入以後,運動的軌跡可能有三種情況:(ⅰ)若α=θ,即qe=mgctgθ,則油滴作勻變速直線運動,徑跡如圖3中①所示,最高點p1速度為零。(ⅱ)若α>θ,即qe<mgctgθ,則油滴作勻變速曲線運動,徑跡如圖3中②所示,最高點p2的速度的水平分量小於v0cosθ,速度豎直分量為零。

∴v2必小於v0。(ⅲ)若α<θ,即qe>mgctgθ,則油滴將斜向左上方偏離ap1,徑跡如圖3中③所示,粒子在最高點時速度豎直分量為零,速度的水平分量向左,大小達到v0,因為粒子在水平方向作初速為v0cosθ,加速度大小為qe/m,方向向左的勻變速直線運動,當粒子在超過a點正上方,向左上方運動時,水平分速度大小為v0cosθ,再向左運動時,速度水平分量大於v0cosθ,到達圖中p3時,速度沿水平向左方向,大小為v0。

[解答]

①要實現題設要求,場強要大到一定程度,滿足qe>mgctgθ的某值時,油滴將運動到a點左上方某點,速度沿水平方向向左,大小為v0。

②將油滴的運動沿水平方向與豎直方向分解,豎直方向油滴作豎直上拋運動,最高點速度為零,∴從a到p3運動時間,水平方向的速度方向向左,大小為v0,則

③由動能定理

△ek=qu-mgh=0

又即最高點與a點電勢差大小為, ,a點電勢較低。

[說明] 上述講座中,可以發現三種不同徑跡最高點p1、p2、p3必處在同一水平高度

上,它們離a的豎直高度均為。

[例題3] 如圖4所示,虛線上方有場強為e的勻強電場,方向豎直向下,虛線上下有磁感應強度相同的勻強磁場,方向垂直紙面向外,ab是一根長l的絕緣細桿,沿電場線放置在虛線上方的場中,b端在虛線上,將一套在杆上的帶正電的小球從a端由靜止釋放

後,小球先作加速運動,後作勻速運動到達b端,已知小球與絕緣桿間的動摩擦係數μ=0.3,小球重力忽略不計,當小球脫離杆進入虛線下方後,運動軌跡是半圓,圓的半徑是l/3,求帶電小球從a到b運動過程中克服摩擦力所做的功與電場力所做功的比值。

[分析] 從分析帶電小球在絕緣桿上運動時的受力情況入手,由最終小球運動的平衡方程求出電場力與洛侖茲力大小的關係。再由磁場中所作r=l/3的圓周運動列出動力學方程,求出小球從b端飛出時速度大小。小球從a到b運動過程中受的摩擦力是變力,可以由動能定理求出其所做功的值。

[解答] ①小球在沿杆向下運動時,受力情況如圖5,向左的洛侖茲力f,向右的彈力n,向下的電場力qe,向上的摩擦力f。

f=bqv,n=f=bqv0

∴f=μn=μbqv

當小球作勻速運動時,qe=f=μbqv0

②小球在磁場中作勻速圓周運動時,

又  ∴vb=bql/3m

③小球從a運動到b過程中,由動能定理得

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