Question

如圖甲所示，一個絕緣傾斜直軌道固定在豎直面內，軌道的AB部分粗糙，BF部分光滑．整個空間存在著豎直方向的周期性變化的勻強電場，電場強度隨時間的變化規律如圖乙所示，t=0時電場方向豎直向下．在虛線的右側存在著垂直紙面向里的勻強磁場，磁感應強度為．現有一個質量為m，電量為q的帶正電的物體（可以視為質點），在t=0時從A點靜止釋放，物體與軌道間的動摩擦因數為μ，t=2s時刻，物體滑動到B點．在B點以后的運動過程中，物體沒有離開磁場區域，物體在軌道上BC段的運動時間為1s，在軌道上CD段的運動時間也為1s．（物體所受到的洛倫茲力小于2mgcosθ）
（1）若軌道傾角為θ，求物塊滑動到B的速度大小．
（2）若軌道傾角θ角未知，而已知BC及CD的長度分別為S₁、S₂，求出傾角θ的三角函表達式（用S₁、S₂、g表示）
（3）觀察物體在D點以后的運動過程中，發現它并未沿著斜面運動，而且物塊剛好水平打在H點處的豎直擋板（高度可以忽略）上停下，斜面傾角θ已知，求F點與H點的間距L．

Answer 1

【答案】分析：（1）在0～1s內，電場力方向豎直向下，根據牛頓第二定律求出加速度，從而根據運動學公式求出末速度，在1～2s內，電場力方向豎直向上，大小等于重力，物體做勻速直線運動．
（2）根據牛頓第二定律求出物體在光滑斜面上運動的加速度，根據相等時間內的位移之差是一恒量，求出傾角θ的表達式．
（3）物體在D點重力和電場力平衡，做勻速圓周運動，圓弧的軌跡恰好相切于H點，根據幾何關系，結合帶電粒子在勻強磁場中的半徑公式求出F點與H點的間距L．
解答：解：（1）由題意可知 qE=mg       
t=0 到t=1s過程中，對物體有
2mgsinθ-2μmgcosθ=ma               
t=1s到t=2s過程中物體做勻速直線運動，所以
V_B=at=2gsinθ-2μgcosθ               
其中t=1s
（2）物體在t=2s到t=3s做勻加速直線運動，加速度為
a'=2gsinθ                        
在t=3s到t=4s做勻速圓周運動，周期為
剛好完成一周，在t=4s到t=5s繼續以a'做勻加速運動到D點，則
S₂-S₁=a't²
解得：
（3）物體運動到D點時速度為
V_D=V_B+a'?2t=6gsinθ-2μg cosθ       
離開D點后做勻速圓周運動，半徑為R，軌跡如圖，則
由幾何關系可知 
聯立解得
答：（1）若軌道傾角為θ，求物塊滑動到B的速度大小為2gsinθ-2μgcosθ．
（2）傾角θ的三角函表達式為（用S₁、S₂、g表示）；
（3）F點與H點的間距L為．
點評：解決本題的關鍵搞清物體在整個過程中的運動情況，根據物體的受力，判斷物體的運動，物體經歷了勻加速直線運動、勻速直線運動，以及勻加速直線運動和勻速圓周運動，過程較復雜，且與數學幾何結合的比較緊密，對數學能力的要求較高．