带电粒子在电场和重力场复合场中的运动

带电粒子在电场和重力场复合场中的运动景宁中学：米久璐例1：用长为R的绝缘细线栓一小球，质量为m，刚好能在竖直平面内做圆周运动，求小球运动过程中的最小速度和绳的最大拉力。ORAB解：（1）在最高点A重力刚好提供向心力，速度最小，由牛顿第二定律：mg=mv2/R得v1=（gR）1/2（2）在最低点B拉力和速度最大。由动能定理：2mgR=mv22/2-mv2/2由牛顿第二定律：T-mg=mv22/R得T=6mg例2：用长为R的绝缘细线栓一带正电q的小球，质量为m，在竖直向下的场强为E匀强电场中，刚好能在竖直平面内做圆周运动，求小球运动过程中的最小速度和绳的最大拉力。ERAB(1)在最高点A，当绳的拉力为零时，重力和电场力的合力提供向心力，有最小速度v1由牛顿第二定律：mg+qE=mv12/R解得最小速度v1=解：qE/m)R(g(2)小球运动到最低点B时有最大拉力T，设此时速度最大为v2由牛顿第二定律：T–（mg+qE）=mv22/R小球由A到B的过程，由动能定理：(mg+qE).2R=mv22/2-mv12/2解得：T=6(mg+qE)等效：题中电场力为恒力，且与重力同向可将两者合力F=qE+mg即g‵=g+qE/m等效成重力G‵=mg‵小球运动到最低点时有最大拉力T=6mg‵=6(mg+qE)最高点有最小速度v=qE/m)R(g用g‵替换结论中的g就可快速得到[例2]的结果：思考1：如果粒子带负电，大小为q，则结果如何？ER解：若qE﹤mg，则重力与电场力的合力等效重力竖直向下，最高点A速度最小，重力提供向心力。由牛顿第二定律：F=mv12/RBAF=mg-qE得v1=（（mg-qE）R/m）1/2（2）B点速度最大，合力提供向心力由牛顿第二定律：T-F=mv22/R由动能定理：2FR=mv22/2-mv12/2得T=6F=6(mg-qE)解：若qE﹥mg，则重力与电场力的合力等效重力竖直向上，最低点B速度最小，重力提供向心力。由牛顿第二定律：F=qE-mgF=mv2/R得v1=（（qE-mg）R/m）1/2（2）A点速度最大，合力提供向心力由牛顿第二定律：T-F=mv22/R由动能定理：2FR=mv22/2-mv12/2得T=6F=6(qE-mg)思考2：如果将电场方向改为水平向右，则结果如何？ERBAGF电F解（1）A点速度最小，F为等效重力，提供向心力由牛顿第二定律：F=mv12/R得v=（FR/m）1/2（2）B点速度最大，合力提供向心力由牛顿第二定律：T-F=m1v2/R由动能定理：2FR=mv22/2-mv12/2得T=6F=6(G2+q2E2)1/2如图，一条长为L的细线，上端固定，下端栓一质量为m的带电小球，此时小球处于平衡状态。画出受力分析。若将细线剪短，则小球做什么运动？TGE如图，一条长为L的细线，上端固定，下端栓一质量为m的带电小球，此时小球处于平衡状态。画出受力分析。●LEmαGF电FT例3：如图，一条长为L的细线，上端固定，下端栓一质量为m的带电小球，将它置于方向水平的匀强电场E中。当细线离开竖直位置的偏角为α时，小球处于平衡。求：（1）小球带何种电荷？小球的电量？（2）若将细线剪短，则小球做什么运动？T时间后小球的位移是多少？●LEmα解：(1)小球受三个力平衡：mgTqEα可得：小球带正电qE/mg=tgαq=mgtgα/Emg/F合=cosαF合=mg/cosα=maX=at2/2=gt2/2cosα（2）小球做初速度为0的匀加速直线运动例3：如图，一条长为L的细线，上端固定，下端栓一质量为m的带电小球，将它置于方向水平的匀强电场E中。当细线离开竖直位置的偏角为α时，小球处于平衡。求：（3）如果使细线与竖直方向的偏角由α增大到θ，然后将小球由静止释放，则θ为多大时，可使小球到达竖直位置时速度刚好为零？●LEmα解：(3)将小球的运动等效成单摆，其平衡位置等效为单摆最低点，由题意可知摆角为α，由摆动对称性可知θ=2α。小结1.等效重力法解带电粒子在电场和重力场复合场中做圆周运动2.等效重力法解带电粒子在电场和重力场复合场中的平衡3.等效重力法解带电粒子在电场和重力场复合场中的匀加速直线运动1.此小球摆动过程中的振动周期为多少?（摆角小于50）2.若将原题中电场E突然反向，求细线偏离竖直方向的最大偏角？（α小于45o）3.原题中至少给小球多大的初速度，才能使小球做圆周运动？作业：[拓展1]此小球摆动过程中的振动周期为多少?（摆角小于50）解：由单摆周期公式T周=2π设此题中等效重力加速度为g′由题意可知等效重力mg′=mg/cosα将g′代入周期公式得:T周=2π'/gla/glcos[拓展2]若将原题中电场E突然反向，求细线偏离竖直方向的最大偏角？（α小于45o）解：电场E反向，由受力可知摆动的等效最低点在竖直偏左α角处，等效摆的摆角为2α，再由对称性可知，小球偏离竖直方向的最大夹角为3α。[拓展3]原题中至少给小球多大的初速度，才能使小球做圆周运动？解：由题意等效重力F合=mg/cosαg，=g/cosα等效最高点v0=由动能定理:F合×2L=mv2/2-mv02/2解得:v=Lg/cosa5Lg/cosa