匀强电场场强大小为E,方向竖直向下,如图所示,电场中有一绝缘光滑的半圆环位于图示竖直面内,半圆环最高点A处有质量为m,电荷量为q的带正电小球,小球由静止开始滑下,经最低点B时,球对环的压力大小为多少?

问题描述:

匀强电场场强大小为E,方向竖直向下,如图所示,电场中有一绝缘光滑的半圆环位于图示竖直面内,半圆环最高点A处有质量为m,电荷量为q的带正电小球,小球由静止开始滑下,经最低点B时,球对环的压力大小为多少?

小球由静止开始下滑的过程中,由动能定理得
    mgR+qER=

1
2
mv2   ①
小球经过最低点时,由重力、电场力和轨道的支持力的合力提供向心力,则有
   N-mg-qE=
mv2
R
    ②
联立①②得,轨道对小球的支持力N=3(mg+qE),
则由牛顿第三定律知,小球经过最低点时对环底的压力N′=N=3(mg+qE).
答:经最低点B时,球对环的压力大小为3(mg+qE).
答案解析:小球由静止开始下滑的过程中,重力和电场力做功,由动能定理求出小球经过最低点时的速度.小球经过最低点时,由重力、电场力和轨道的支持力的合力提供向心力,由牛顿运动定律求解小球经过最低点时对环底的压力.
考试点:动能定理的应用;向心力;带电粒子在匀强电场中的运动.
知识点:本题是动能定理和牛顿运动定律结合处理圆周运动中动力学问题,是常用的方法和思路.