请写一道大学物理题:如图所示,重力场中有一竖直向上的匀强电场,水平面上固定了一质量为M、半径 为R的半圆形光滑绝缘槽;一质量为m、带电量为+q 的小球从A处由静止释放. (1)画出小球的受力图(忽略空气阻力);(2)写出小球的运动方程;(3)讨论分析 小球作简谐振动的条件和振动角频率.
时间: 2024-02-16 07:01:21 浏览: 122
(1) 小球受到重力、电场和槽的支持力三个力,如图所示。其中,重力和支持力的方向均为竖直向下和竖直向上,电场力方向为竖直向下。
![物理题示意图](https://img-blog.csdnimg.cn/20211201153935929.png)
(2) 小球的运动方程可以根据牛顿第二定律推导得到:
总力 = 质量 × 加速度
考虑竖直方向和水平方向的运动分量:
竖直方向:小球受到重力、支持力和电场力,因此:
重力 - 支持力 - 电场力 = m × 竖直方向加速度
重力和支持力大小相等,方向相反,可以互相抵消。电场力的大小为 qE,方向向下,因此:
mg - qE = m × 竖直方向加速度
水平方向:小球受到支持力,因此:
支持力 = m × 水平方向加速度
由于小球在水平方向上始终保持匀速直线运动,因此水平方向加速度为0。将支持力代入上式,得到:
支持力 = 0
此时,小球的运动方程为:
mg - qE = m × 竖直方向加速度
(3) 小球作简谐振动的条件是,小球在槽内做小角度摆动,且电场力和重力的合力始终指向平衡位置。由于电场力的方向始终向下,因此重力也应该向下,即小球应该向上摆动。
振动角频率可以根据简谐振动的公式求出:
角频率 ω = sqrt(k / m)
其中,k为恢复力系数,m为小球的质量。由于小球在槽内做小角度摆动,因此恢复力系数可以近似为:
k = mgR / (2π)
代入公式,得到:
ω = sqrt(g / Rπ)
其中,g为重力加速度。
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