Question

（14分）如圖所示，豎直平面坐標(biāo)系xOy的第一象限，有垂直xOy面向外的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)和豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)，大小分別為B和E；第四象限有垂直xOy面向里的水平勻強(qiáng)電場(chǎng)，大小也為E；第三象限內(nèi)有一絕緣光滑豎直放置的半徑為R的半圓軌道，軌道最高點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)O相切，最低點(diǎn)與絕緣光滑水平面相切于N。一質(zhì)量為m的帶電小球從y軸上（y＞0）的P點(diǎn)沿x軸正方向進(jìn)入第一象限后做圓周運(yùn)動(dòng)，恰好通過坐標(biāo)原點(diǎn)O，且水平切入半圓軌道并沿軌道內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，過N點(diǎn)水平進(jìn)入第四象限，并在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)（已知重力加速度為g）。

（1）判斷小球的帶電性質(zhì)并求出其所帶電荷量；
（2）P點(diǎn)距坐標(biāo)原點(diǎn)O至少多高；
（3）若該小球以滿足（2）中OP最小值的位置和對(duì)應(yīng)速度進(jìn)入第一象限，通過N點(diǎn)開始計(jì)時(shí)，經(jīng)時(shí)間小球距N點(diǎn)的距離s為多遠(yuǎn)。

Answer 1

（1）小球帶正電，且；（2） （或）；（3）2R。

解析試題分析：（1）小球進(jìn)入第一象限正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)后，在垂直磁場(chǎng)的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，說明重力與電場(chǎng)力平衡，qE＝mg① （1分）故電場(chǎng)力的方向是豎直向上的，由于電場(chǎng)強(qiáng)度的方向豎直向上，故小球帶正電（1分）。且存在如下關(guān)系：②  （1分）。
（2）小球在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度為v、軌道半徑為r。
有牛頓第二定律可得：③  （1分）
小球恰能通過半圓軌道的最高點(diǎn)并沿軌道運(yùn)動(dòng)，有：④（1分）
由③④聯(lián)立得：⑤（1分）
PO的最小距離為：⑥  （1分）
即： （或）（1分）
（3）小球由O運(yùn)動(dòng)到N的過程中機(jī)械能守恒：mg·2R＋mv²＝mv⑦  （1分）
由④⑦得：⑧       （1分）
根據(jù)運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性可知，小球從N點(diǎn)進(jìn)入電場(chǎng)區(qū)域后，在x軸方向以速度v_N做勻速直線運(yùn)動(dòng)，沿電場(chǎng)方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則沿x軸方向有：x＝v_Nt⑨（1分）
沿電場(chǎng)方向有：z＝at²⑩ （1分）        ? （1分）
t時(shí)刻小球距N點(diǎn)： （1分）
考點(diǎn)：牛頓第二定律，二力平衡，機(jī)械能守恒定律，平拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)等。