Question

18．如圖所示，在互相垂直的水平方向的勻強(qiáng)電場(chǎng)E和勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，有一固定的豎直絕緣桿，桿上套一個(gè)質(zhì)量為m、電量為q的小球，它們之間的摩擦因數(shù)為μ，現(xiàn)由靜止釋放小球，試分析小球運(yùn)動(dòng)的加速度和速度的變化情況，并求出最大速度v_max和最大加速度a_max．（mg＞μqE）；若將磁場(chǎng)的方向反向而保持其他因素都不變，最大速度v_max和最大加速度a_max又是多少？

Answer 1

分析 對(duì)小環(huán)進(jìn)行受力分析，再根據(jù)各力的變化，可以找出合力及加速度的變化；即可以找出小環(huán)最大速度及最大加速度的狀態(tài)．

解答 解：（1）根據(jù)左手定則，洛倫茲力與電場(chǎng)力同向，故知：
F_N=Eq+qvB
故合力為：
F_合=mg-F_摩=mg-μ（qE+qvB） 
可見(jiàn)，隨v的增大，F(xiàn)_合減小，由牛頓第二定律可知，小球做加速度越來(lái)越小的變加速度運(yùn)動(dòng)，直到最后勻速運(yùn)動(dòng)．
故當(dāng)v=0時(shí)，加速度最大，${a}_{max}=\frac{mg-μqE}{m}$=$g-\frac{μqE}{m}$
當(dāng)F_合=0，即a=0時(shí)，v有最大值v_m
即：mg-μ（Bqv_m+Eq）=0
故：v_max=$\frac{mg}{μqB}-\frac{E}{B}$
（2）若將磁場(chǎng)的方向反向而保持其他因素都不變，電場(chǎng)力的方向向右而洛倫茲力的方向向左，
F_N′=Eq-qvB
故合力：F_合′=mg-F_摩′=mg-μ（qE-qvB）
結(jié)合牛頓第二定律可知，小球先做加速度增大的加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電場(chǎng)力等于洛倫茲力時(shí)，絕緣桿對(duì)小球的支持力等于0，故此時(shí)滑動(dòng)摩擦力等于0，則物體所受的合外力等于物體的重力，此時(shí)物體的加速度最大，故物體最大的加速度a=g；
然后小球做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)物體勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的加速度為0，此時(shí)物體的速度最大，且物體所受的滑動(dòng)摩擦力等于物體所受的重力即：mg=μF_N，
而此時(shí)qvB-Eq=F_N，即qvB-Eq=$\frac{mg}{μ}$，
解得物體的最大速度：v_max′=$\frac{mg}{μqB}+\frac{E}{B}$
 答：開(kāi)始時(shí)隨v的增大，F(xiàn)_合減小，由牛頓第二定律可知，小球做加速度越來(lái)越小的變加速度運(yùn)動(dòng)，直到最后勻速運(yùn)動(dòng)．最大加速度為$g-\frac{μqE}{m}$，最大速度為$\frac{mg}{μqB}-\frac{E}{B}$；
若將磁場(chǎng)反向，則小球先做加速度增大的加速運(yùn)動(dòng)，后做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)，最大加速度是g，最大速度是$\frac{mg}{μqB}+\frac{E}{B}$

點(diǎn)評(píng) 本題要注意分析帶電小環(huán)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，屬于牛頓第二定律的動(dòng)態(tài)應(yīng)用與電磁場(chǎng)結(jié)合的題目，此類(lèi)問(wèn)題要求能準(zhǔn)確找出物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并能分析各力的變化．同時(shí)注意因速度的變化，導(dǎo)致洛倫茲力變化，從而使合力發(fā)生變化，最終導(dǎo)致加速度發(fā)生變化．