单摆的平衡位置在哪里

2025-03-1308:26:08经营策略0

**示例一**:

图中所绘,是一个半径为R=0.8m的光滑绝缘导轨,处于竖直面内,并施加某一方向的匀强电场。带电小球沿着轨道进行圆周运动,当小球到达动能最大的A点时,其与圆心O的连线与竖直方向的夹角为θ。在A点,轨道感受到来自小球的压力为Fɴ=120N。已知小球的最大动能比最小动能多出32J,且不计空气阻力,它能够到达轨道上的任何位置。

问题一:求小球的最小动能是多少?

问题二:若在小球动能最小位置突然撤去轨道,保持其他条件不变,经过0.04秒,其动能与A点时的动能相等。我们要求解的是小球的质量。

【解析使用等效重力法】:

对于第一个问题,我们可以将小球的受力情况进行等效处理,视为受到一个等效重力的作用。在这个等效重力作用下,小球的运动类似于单摆。动能最大点A并非等效的最低点,而是与等效最低点存在一定的偏移。通过分析和计算,我们可以找到等效最低点并求出小球的最小动能。

对于第二个问题,当小球在动能最小的位置失去轨道约束后,它会沿着等效重力的方向进行类似自由落体的运动。我们可以通过分析它的运动轨迹和受力情况,结合动能定理和牛顿运动定律求解其质量。

**示例二**:

再考虑另一个场景,一个轻质的绝缘细线悬挂着质量为m的带电小球,在水平方向的匀强电场中。当小球位于B点时处于静止状态,此时细线与竖直方向的夹角为θ。若将小球从细线与竖直方向成2θ角的C点释放,我们需要分析小球的受力和运动情况。

关于小球的受力和运动,以下判断正确的是:

A.小球所受电场力的大小为mg×tanθ。

B.小球运动到B点时的速度最大。

C.小球可能能够到达A点,但到达A点时的速度不为零。

D.小球运动到A点时绳的拉力最大。

【解析使用等效重力法】:

我们可以将小球的受力情况进行等效处理,将其视为受到一个等效重力的作用,方向与细线方向垂直。这样处理之后,小球的摆动类似于单摆的运动。B点是等效的最低点,也是单摆的平衡位置,因此小球到B点时的速度最大。而A点与C点关于平衡位置对称,所以小球可以到达A点且到达时速度为零。至于绳子的拉力,在平衡位置(即B点)时最大,而在A点的拉力则较小。因此正确答案是A和B。

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