如图复16-6所示,轴竖直向上,平面是一绝缘的、固定的、刚性平面

如图复16-6所示,轴竖直向上,平面是一绝缘的、固定的、刚性平面。在处放一带电量为的小物块,该物块与一细线相连,细线的另一端穿过位于坐标原点的光滑小孔,可通过它牵引小物块。现对该系统加一匀强电场,场强方向垂直与轴,与轴夹角为(如图复16-6所示)。设小物块和绝缘平面间的摩擦系数为,且静摩擦系数和滑动摩擦系数相同。不计重力作用。现通过细线来牵引小物块,使之移动。在牵引过程中,我们约定:细线的端只准沿轴向下缓慢移动,不得沿轴向上移动;小物块的移动非常缓慢,在任何时刻,都可近似认为小物块处在力平衡状态。若已知小物块的移动轨迹是一条二次曲线,试求出此轨迹方程。

答案

设所加匀强电场的场强为,它在方向和方向的分量分别为

由于物块带负电,电场作用于物块的电力的两个分量分别为

                                 1

                                2

平面内,方向沿轴正方向.垂直于平面,被绝缘平面的支持力所平衡,故物块对绝缘平面的正压力的大小的大小相等,即

          

绝缘平面作用于物块的摩擦力

                  3

的方向决定于物块移动的方向.

根据题意,物块在平面内的运动可看做是一种在力平衡下的缓慢移动.作用于物块的三个力和线的拉力都在平面内.物块在任一位置达到平衡时的受力情况如图预解16-6所示。为细线与轴的夹角。把沿方向分解得

               

表示的两个分量,物块平衡时,有

               4

                  5

由(4)、(5)式得

注意到(3)式,得

                                              6

因要小物块缓慢移动,需要细线牵引,不符合题意,应舍去.因,将代入(4)、(5)式,

 

摩擦力方向的斜率

                                      7

是摩擦力方向与轴夹角的正切,即摩擦力方向的斜率,因摩擦力始终沿轨道的切线方向,故也就是轨道切线的斜率.下面,通过对(7)式的分析来寻找轨道方程.

当中一0kco即在起点A时,轨道的切线与x轴垂直

,即在起点时,轨道的切线与轴垂直。

,一种情况是小物块运动到轴上后,沿轴做直线运动到点,但这与题设轨迹移动是一条二次曲线不符,因而它一定表示轨道在点的切线与轴垂直.

在二次曲线中,曲线上两点切线相互平行的只有椭圆或圆.又因为两点的切线与它们的连线相垂直,这连线应为曲线的轴线,且在轴上,另一轴在它的垂直平分线上且与轴平行。曲线与此轴线的交点的切线的斜率为0.代入(7)式得,故该曲线为圆,其方程为

                                             8

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