等效法处理电场中的圆周运动

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例1 光滑绝缘的圆形轨道竖直放置,半径为R ,在其最低点A 处放一质量为m 的带电小球,整个空间存在匀强电场,使小球受到电场力的大小为m g 33,方向水平向右,现给小球一个水平向右的初速度0v ,使小球沿轨道向上运动,若

小球刚好能做完整的圆周运动,求0v .

例2如图所示,半径R = 0.8m 的光滑绝缘导轨固定于竖直平面内,加上某一方向的匀强电场时,带正电的小球沿轨道内侧做圆周运动.圆心O 与A 点的连线与竖直成一角度θ,在A 点时小球对轨道的压力N = 120N ,此时小球的动能最大.若小球的最大动能比最小动能多32J ,且小球能够到达轨道上的任意一点(不计空气阻力).则:

(1)小球的最小动能是多少?

(2)小球受到重力和电场力的合力是多少?

(3)现小球在动能最小的位置突然撤去轨道,并保持其他量都不变,

若小球在0.04s 后的动能与它在A 点时的动能相等,求小球的质量.

例3、如图12所示为一真空示波管的示意图,电子从灯丝K 发出(初速度可忽略不计),经灯丝与A 板间的电压U 1加速,从A 板中心孔沿中心线KO 射出,然

后进入两块平行金属板M 、N 形成的偏转电场中(偏转电场可视为匀强电场),电子进入M 、N 间电场时的速度与电场方向垂直,电子经过电场后打在荧光屏上的P 点。 已知M 、N 两板间的电压为U 2,两板间的距离为d ,板长为L ,电子的

质量为m ,电荷量为e ,不计电子受到的重力及它

们之间的相互作用力。

(1)求电子穿过A 板时速度的大小;

(2)求电子从偏转电场射出时的侧移量;

(3)若要使电子打在荧光屏上P 点的上方,可采

取哪些措施?

1、解析:小球同时受到重力和电场力作用,这时也可以认为小球处在等效重力场中. 小球受到的等效重力为mg mg mg G 332)33()(22=+=' 等效重力加速度g m G g 3

32='=' 与竖直方向的夹角︒=30θ,如图甲所示.所以B 点为等效 重力场中轨道的最高点,由题意,小球刚好能做完整的圆周运动,小球运动到B 点时的速度R g v B '=

在等效重力场中应用机械能守恒定律

2202

1)cos (21B mv R R g m mv ++'=θ 将g '、B v 分别代入上式,解得给小球的初速度为

gR v )13(20+= 2、解:(1)、(2)小球在电场和重力场的复合场中运动,因为小球在A 点具有最大动能,所以复合场的方向由O 指向A ,在AO 延长线与圆的交点B 处小球具有最小动能E kB .设小球在复合场中所受的合力为F ,则有;

R

v m F N A 2=- 即:4

.08.01202kA A E v m F ==- 带电小球由A 运动到B 的过程中,重力和电场力的合力做功,根据动能定理有:

-F 2R = E KB -E KA = -32

由此可得:F = 20N ,E KB =8J

即小球的最小动能为8J ,重力和电场力的合力为20N .

(3)带电小球在B 处时撤去轨道后,小球做类平抛运动,即在BA 方向上做初速度为零的匀加速运动,在垂直于BA 方向上做匀速运动.设小球的质量为m ,则:

2R = 12 F m

t 2 得:m = Ft 24R

= 0.01kg

图甲

3解:(1)设电子经电压U l加速后的速度为v0,由动能定理得

解得:

(2)电子以速度v0进入偏转电场后,垂直于电场方向做匀速直线运动,沿电场方向做初速度为零的匀加速直线运动,设偏转电场的电场强度为E,电子在偏转电场巾运动的时间为t,加速度为a,电子离开偏转电场时的侧移量为y,由牛顿第二定律和运动学公式得

,,。

(3)减小加速度电压U1;增大偏转电压U2。