Question

(16分) 如圖所示，ABC是固定在豎直平面內的絕緣圓弧軌道，圓弧半徑為．A點與圓心O等高，B、C點處于豎直直徑的兩端．PA是一段絕緣的豎直圓管，兩者在A點平滑連接，整個裝置處于方向水平向右的勻強電場中．一質量為、電荷量為的小球從管內與C點等高處由靜止釋放，一段時間后小球離開圓管進入圓弧軌道運動．已知勻強電場的電場強度（為重力加速度），小球運動過程中的電荷量保持不變，忽略圓管和軌道的摩擦阻力．求：

(1）小球到達B點時速度的大小；
(2）小球到達B點時對圓弧軌道的壓力；
(3）小球在圓弧軌道運動過程中速度最大為多少？

Answer 1

（1） （2） （3）

解析試題分析: （1）小球從P運動到A的過程中，由動能定理得： （3分）
解得：        （2分）
（2）小球在最低點B時，根據牛頓第二定律得：        （2分）
解得：        （2分）
則由牛頓第三定律得：小球對圓弧軌道的壓力大小為       （1分）
（3）重力場和電場看成等效場；對小球等效最低點為F點，在F點小球的速度最大，設OF與豎直方向的夾角為，在此位置小球所受的電場力與重力的合力方向沿半徑向外，則有：
則知：，         （2分）
設小球在圓弧軌道運動過程中速度最大為，小球從P到F的過程，根據動能定理得：
         （2分）
解得：         （2分）
考點：本題考查了帶電粒子在勻強電場中的運動、牛頓第二定律、牛頓第三定律、動能定理．