Question

在光滑絕緣體豎直面上建立一直角坐標(biāo)系，如圖所示，一質(zhì)量為m=1kg、電荷量為q的帶正電小球，系于長(zhǎng)為L(zhǎng)=2m的不可伸長(zhǎng)的彈性輕繩的一端，繩的另一端固定在坐標(biāo)原點(diǎn)O，如圖．現(xiàn)豎直平面上加一電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E=3mg/q，方向沿y軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電場(chǎng)，若把小球從O點(diǎn)的正上方距離O點(diǎn)1m處的O₁點(diǎn)以速度v2=4

5

m/s沿x軸正方向拋出．g=10m/s²．求：
（1）輕繩即將伸直時(shí)，繩與豎直方向的夾角為θ為多少？
（2）繩被拉直的瞬時(shí)，繩對(duì)小球所做的功；
（3）當(dāng)小球再一次經(jīng)過y軸的瞬時(shí)，繩對(duì)小球的拉力為多大？

Answer 1

分析：小球在復(fù)合場(chǎng)中注意分清小球的運(yùn)動(dòng)過程，輕繩即將伸直時(shí)，小球做類似平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律可求得繩與豎直方向的夾角；繩被拉直的瞬間，有能量損失，小球損失的能量即為繩對(duì)小球做的功；然后小球做圓周運(yùn)動(dòng)，由能量守恒求得小球到最低點(diǎn)的速度，根據(jù)向心力公式可求繩的拉力．

解答：解：（1）第一過程：小球做類似平拋運(yùn)動(dòng)，設(shè)繩子即將伸直時(shí)，繩子與豎直向上的方向的夾角為θ
如圖所示：

v₀t=Lsinθ
a=

qE+mg

m

=3g+g=4g

1

2

at2=

L

2

-Lcosθ，其中v₀=4

5

m/s，L=2m
聯(lián)立解得：θ=

π

2

         
（2）第二過程：繩繃直過程，繩繃直時(shí)，繩剛好水平，如下圖所示：                                      
由于繩不可伸長(zhǎng)，故繃直時(shí)，v₀損失，小球僅有速度v_⊥，且v⊥2=2×4g×

L

2

=4gL
小球損失的能量即為繩對(duì)小球做的功
W=0-

1

2

m

v

2 0

=-

1

2

m

v

2 0

代入數(shù)據(jù)，解得：W=-40J
（3）第三過程：小球在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)小球到達(dá)O點(diǎn)正下方時(shí)，速度為v′
根據(jù)能量守恒有：

1

2

mv′2=

1

2

m

v

2 ⊥

+4mgL
設(shè)此時(shí)繩子對(duì)小球的拉力為F
則F-4mg=

mv′2

L

聯(lián)立可得：F=160N
答：（1）輕繩即將伸直時(shí)，繩與豎直方向的夾角為θ為

π

2

；（2）繩被拉直的瞬時(shí)，繩對(duì)小球所做的功為-40J；（3）當(dāng)小球再一次經(jīng)過y軸的瞬時(shí)，繩對(duì)小球的拉力為160N

點(diǎn)評(píng)：本題考查小球在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵要分清小球的運(yùn)動(dòng)過程，小球先做類平拋運(yùn)動(dòng)，繩繃直時(shí)有能量損失，然后做圓周運(yùn)動(dòng)，題目綜合性較強(qiáng)，有一定的難度．