Question

內壁光滑的圓環狀管子固定在豎直平面內，環的圓心位于坐標圓點，圓環的半徑為R，x軸位于水平面內，勻強電場在豎直平面內方向豎直向下，y軸左側場強大小，右側場強大小為．質量為m、電荷量為q的帶正電小球從A點進入管中并沿逆時針方向運動，小球的直徑略小于管子的內徑，小球的初速度不計，求：
（1）小球到達B點時的加速度；
（2）小球到達C點時對圓環的壓力；
（3）通過進一步計算說明這種物理模型存在的問題及形成原因．

Answer 1

【答案】分析：（1）根據動能定理，解得B點的速度，由向心加速度的公式，即可求得加速度的大小與方向；
（2）根據動能定理，結合牛頓第二定律，即可求解；
（3）由電場力做功與路徑無關，根據動能定理可知結論．
解答：解：（1）根據動能定理，則有
 解得：
因此，
      a_y=2g
所以，
方向斜向右下方，與豎直方向夾角為arctan2．
（2）根據動能定理，則有
解得：
由牛頓第二定律，則有
  解得：F=10mg
由牛頓第三定律，小球對圓環的壓力為10mg，方向向下．  
（3）進一步計算發現小球第一次回到A點時動能為qER，這與靜電力做功與路徑無關矛盾，
出現問題的原因是：這種方向是平行直線，但大小不等的電場是不存在的．
答：（1）小球到達B點時的加速度大小，方向與豎直方向夾角為arctan2；
（2）小球到達C點時對圓環的壓力為10mg，方向向下；
（3）通過進一步計算說明這種物理模型存在的問題及形成原因：這種方向是平行直線但大小不等的電場是不存在的．
點評：考查動能定理，牛頓第二定律及牛頓第三定律，掌握電場力做功與路徑無關．注意動能定理式中的過程的選取．