(19分)如图所示,图面内有竖直线 D D ^ ',过 D…——2016 高考物理第 11 题答案解析

2016_省自主命题(四川)

2016 四川 第 11 题 解答题 区分题
2016_省自主命题(四川)

11.(19分)如图所示,图面内有竖直线 $D D ^ { \prime }$ ',过 $D D ^ { \prime }$ 且垂直于图面的平面将空间分成I、II 两区域。区域I有方向竖直向上的匀强电场和方向垂直图面的匀强磁场B(图中未画出);区域II 有固定在水平面上高$h = 2 l$、倾角 $\alpha = \pi / 4$ 的光滑绝缘斜面,斜面顶端与直线 $D D ^ { \prime }$ 距离 $s = 4 l$,区域 II 可加竖直方向的大小不同的匀强电场(图中未画出);C 点在 $D D ^ { \prime }$ 上,距地面高 $H = 3 l$。零时刻,质量为 m、带电量为 q 的小球

P在K点具有大小 $\nu _ { \scriptscriptstyle 0 } = \sqrt { g l }$、方向与水平面夹角 $\theta = \pi / 3$ 的速度。在区域I内做半径 $r = 3 l / \pi$ 的匀速圆周运动,经C点水平进入区域 II。某时刻,不带电的绝缘小球A由斜面顶端静止释放,在某处与刚运动到斜面的小球 P 相遇。小球视为质点,不计空气阻力及小球 P 所带电量对空间电磁场的影响。l 已知,g 为重力加速度。

(1)求匀强磁场的磁感应强度B的大小;

(2)若小球A、P在斜面底端相遇,求释放小球A的时刻 $t _ { A }$

(3)若小球A、P在时刻 $t = \beta \sqrt { l / g }$ (β为常数)相遇于斜面某处,求此情况下区域II的匀强电场的场强E,并讨论场强E的极大值和极小值及相应的方向。

参考答案

(1) $B = \frac { \pi m } { 3 q } \sqrt { \frac { g } { l } } ~ ; ~$; (2) $~ ( 3 - 2 \sqrt { 2 } ) \sqrt { \frac { l } { g } }$; (3) 场强极小值为 $E _ { \mathrm { m i n } } = 0$;场强极大值为$E _ { \mathrm { m a x } } = \frac { 7 m g } { 8 q }$,方向竖直向上

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【答案】① $B = \frac { \pi m } { 3 q } \sqrt { \frac { g } { l } } ~ ; ~ ( 2 ) ~ ( 3 - 2 \sqrt { 2 } ) \sqrt { \frac { l } { g } }$ (3)场强极小值为 $E _ { \mathrm { m i n } } = 0$;场强极大值为$E _ { \mathrm { m a x } } = \frac { 7 m g } { 8 q }$,方向竖直向上。

【解析】

试题分析:(1)由题知,小球P在区域Ⅰ内做匀速圆周运动,有m $\frac { \nu _ { 0 } ^ { 2 } } { r } = q \nu _ { 0 } B \textcircled { 1 }$

代入数据解得 $B = \frac { m \pi } { 3 l q } \sqrt { g l } \left( \overline { { { 2 } } } \right)$

(2)小球P在区域Ⅰ做匀速圆周运动转过的圆心角为θ,运动到C点的时刻为 $t _ { C } ,$,到达斜面低端时刻为 $t _ { 1 }$ 有 $t _ { c } = \frac { \theta r } { \nu _ { 0 } }$ ③$s - h \cot \alpha = \nu _ { \scriptscriptstyle 0 } ( t _ { 1 } - t _ { C } )$ ④

小球A 释放后沿斜面运动加速度为 $a _ { A }$,与小球P在时刻 $t _ { 1 }$ 相遇于斜面底端,有 $m g \sin \alpha = m a _ { \scriptscriptstyle A }$ ⑤

$$ \frac { h } { \sin \alpha } = \frac { 1 } { 2 } a _ { _ A } ( t _ { 1 } - t _ { _ A } ) ^ { 2 } \textcircled { \ominus } $$

联立以上方程可得 $t _ { \scriptscriptstyle A } = ( 3 - 2 \sqrt { 2 } ) \sqrt { \frac { l } { g } } \textcircled { 7 }$

> ③ 设所求电场方向向下,在 $t _ { \mathcal { A } } ^ { \prime }$ 时刻释放小球A,小球P在区域Ⅱ运动加速度为 $a _ { P } ,$ 有

$$ s = \nu _ { 0 } ( t - t _ { C } ) + \frac { 1 } { 2 } a _ { \scriptscriptstyle A } ( t - t _ { \scriptscriptstyle A } ^ { \prime } ) ^ { 2 } \cos \alpha ( \widehat { \mathfrak { Q } } ) $$

$$ m g + q E = m a _ { \scriptscriptstyle P } \textcircled { \bar { 9 } } $$

$$ H - h + \frac { 1 } { 2 } a _ { 4 } ( t - t _ { 4 } ^ { \prime } ) ^ { 2 } \sin \alpha = \frac { 1 } { 2 } a _ { P } ( t - t _ { C } ) ^ { 2 } \llap { / } \ @ $$

联立相关方程解得 $E = \frac { ( 1 1 - \beta ^ { 2 } ) m g } { q ( \beta - 1 ) }$

对小球P的所有运动情形讨论可得 $3 \leq \beta \leq 5$

由此可得场强极小值为 $E _ { \tt m i n } = 0$;场强极大值为 $E _ { \mathfrak { r a s } } = { \frac { 7 m g } { 8 q } }$

考点:平抛运动;圆周运动;牛顿第二定律的应用

【名师点睛】此题是力、电、磁及运动大拼盘,综合考查带电粒子在磁场中及电场中的运动—圆周运动以及平抛运动和下斜面上的匀加速运动等问题;解题时要能把这些复杂的物理过程分解为一个一个的小过程,然后各个击破;此题是有一定难度的;考查学生综合分析问题,解决问题的能力.

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