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如图所示,水平固定放置的平行金属板M、N,两板间电势差为U,板间距离为d,两板间有竖直固定的半径为
1
4
d的绝缘光滑半圆形管道,管道圆心O在两板间中心(即圆心O到上、下板距离相等,到板左、右端距离相等).现有一质量为m、带正电荷、电荷量q=
2mgd
U
的小球从A处以速度v0=
gd
水平进入管道(小球直径略小于管道直径且两者直径均可忽略不计),小球离开管口B后恰好从平行金属板边界飞出.求:

(1)小球刚运动至B处时的速度大小;
(2)小球刚运动至B处时对管道的压力;
(3)平行金属板的长度L.
人气:219 ℃ 时间:2020-06-03 05:19:37
解答
(1)小球受到的电场力:qE=q
U
d
=2mg,
小球受到的合力:F=qE-mg=mg,方向竖直向上,
设小球到达B点速度为vB,小球从A到B由动能定理得:
F•2R=
1
2
mvB2-
1
2
mv02
解得:vB=
2gd

(2)设小球刚运动至B处时受管道的弹力为FN
由牛顿第二定律得:FN+mg-qE=m
v2B
R

解得:FN=9mg,
由牛顿第三定律得小球对管道的压力为9mg,方向竖直向上.
(3)从B点离开后做类平抛运动,竖直方向受到恒定作用力,水平方向做匀速直线运动,
水平方向:s=vBt   
竖直方向:a=
qE−mg
m
=g 
1
4
d=
1
2
at2 
解得:s=d,
板长:L=2s=2d.
答:(1)小球刚运动至B处时的速度大小为
2gd

(2)小球刚运动至B处时对管道的压力大小为9mg,方向竖直向上;
(3)平行金属板的长度L为2d.
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