如图所示,
一个半径为R(具体数值为0.8米)的光滑绝缘导轨被固定在垂直平面内,当施加某一方向的均匀电场后,带电小球沿着导轨内侧进行圆周运动。观察发现,小球动能达到最大值的点位于A处,而圆心O与A点之间的连线与垂直方向形成了θ度的夹角。在A位置时,小球对导轨产生的正压力Fɴ等于120牛顿。已知小球的最大动能比最小动能高出32焦耳,并且假设小球可以在导轨上的任意位置运动(忽略空气阻力的影响)。基于这些信息,我们需要解决以下问题:
(1)求小球动能最小的值是多少?
(2)如果小球在动能最小位置时突然移除导轨,同时保持其他条件不变,那么在0.04秒之后,小球的动能与在A点时的动能相等,求小球的质量?
【等效重力法】
例:如图所示,
在水平方向的均匀电场中,有一个质量为m的带电小球被一根长度为l的轻质、柔软且绝缘的细线悬挂在O点。当小球处于B点时,它处于静止状态,此时细线与垂直方向(即OA方向)形成了θ度的夹角。接下来,将小球拉至细线与垂直方向形成2θ度角的C点,并从静止状态释放。已知重力加速度为g,对于小球在此后的受力和运动情况,以下判断中哪一个是正确的?
A.小球所受电场力的大小为 mgtanθ
B.小球到达B点时的速度最大
C.小球有可能到达A点,并且到达A点时的速度不为零
D.小球运动到A点时所受绳子的拉力最大
【等效重力法】
☞A.小球在B点的受力情况如图所示,电场力的大小可以表示为F=qE= mgtanθ,因此A选项是正确的;
B.小球的运动可以类比为单摆的运动(通过等效重力法或类比法),B点是单摆的平衡位置,因此小球到达B点时的速度最大,所以B选项也是正确的;
C.A点与C点关于平衡位置对称,小球有可能到达A点,但在到达A点时速度为零,因此C选项是错误的;
D.单摆在通过平衡位置时绳子的拉力最大,而小球在通过B点时受到的绳子拉力最大,在A点时绳子的拉力小于通过B点时的拉力,所以D选项也是错误的。
※重力和电场力都是恒力,因此我们可以采用类比推理的方法,将这些恒力进行合并。
恒力合并后仍然形成恒力,这可以看作是等效重力的应用。
例:如图,
晾晒衣服的绳子两端分别固定在两根等高的竖直杆上,绳子的质量以及绳与衣架挂钩之间的摩擦力均忽略不计。原本衣服是垂直静止的,但当一阵风施加水平向右的恒力时,衣服开始滑动,并在新的位置保持静止。那么与原来相比,在新位置时(C)
A.挂钩左右两边绳子的拉力不再相等
B.绳子的拉力一定保持不变

C.绳对挂钩的作用力增大
D.绳对挂钩的作用力保持不变
【恒力合并法】如图:
将重力和风力进行合并,这种方法类似于等效重力。