Question

如圖，在足夠大的真空空間中，存在水平向右的勻強電場，若用絕緣細線將質量為m的帶正電小球懸掛在電場中，靜止時細線與豎直方向夾角θ=37°．撤去細線，現將該小球從電場中的A點豎直向上拋出，拋出的初速度大小為v，已知sin37°=0.6，cos37°=0.8，求：
（1）小球在電場內運動過程中的最小速率．
（2）小球從拋出至達到最小速率的過程中，電場力對小球做的功．

Answer 1

【答案】分析：撤去細線，現將該小球從電場中的A點豎直向上拋出，帶電小球在水平方向的勻強電場中豎直向上拋出，小球在豎直方向受到重力，在水平方向受到電場力，從而做曲線運動，因此可將曲線分解成豎直方向與水平方向的兩個運動．利用運動學公式可求出小球速率最小值；再運用動能定理，可求出小球從拋出至達到最小速率的過程中，電場力對小球做的功．
解答：解：（1）小球靜止在電場中時，根據力的平衡條件qE=mgtan37°=mg 小球被拋出以后，受到重力和電場力的共同作用，沿重力方向的分運動是勻減速運動，加速度為g，設t時刻的速度為v₁；沿電場方向的分運動是初速度為0的勻加速運動，設加速度為a，t時刻的速度為v₂，則有
v₁=v-gt，v₂=at和a= g
小球t時刻的速度大小為v=
由以上各式得出：
 g²t²-2vgt+（v²-v²）=0
解得v的最小值為v_min=v
v_min的方向與電場力和重力的合力方向垂直，即與電場的方向夾角為37°．
（2）小球沿電場方向的位移為s_E=
而小球在到達最小速度時，沿電場方向的速度為v₂=v_mincos37°
得小球沿電場方向的位移為s_E=，
電場力做功為W_E=qE?s_E=
答：（1）小球在電場內運動過程中的最小速率．
（2）小球從拋出至達到最小速率的過程中，電場力對小球做的功 
點評：考查了運動的合成與分解研究的方法，并讓學生掌握運動學公式、牛頓第二定律、動能定理等規律．同時讓學生形成如何處理曲線的方法．如果將速度按照合力方向和垂直合力方向分解，當沿合力方向的速度減為零時其速度達到最小值，也可以解出最小速度．運用速度矢量合成的三角形法則也可求解．