如图,一半径为
R的光滑绝缘半球面开口向下,固定在水平面上。整个空间存在匀强磁场,磁感应强度方向竖直向下。一电荷量为
q(
q>0)、质量为
m的小球
P在球面上做水平的匀速圆周运动,圆心为
O’。球心
O到该圆周上任一点的连线与竖直方向的夹角为θ(0<θ<

。为了使小球能够在该圆周上运动,求磁感应强度大小的最小值及小球
P相应的速率。重力加速度为
g。
(l9分) 据题意,小球
P在球面上做水平的匀速圆周运动,该圆周的圆心为
O’。P受到向下的重力
mg、球面对它沿
OP方向的支持力
N和磁场的洛仑兹力
f=
qvB ①式中
v为小球运动的速率。洛仑兹力
f的方向指向
O’。根据牛顿第二定律

②

③ 由①②③式得

④由于
v是实数,必须满足

≥0 ⑤由此得
B≥

⑥可见,为了使小球能够在该圆周上运动,磁感应强度大小的最小值为

⑦此时,带电小球做匀速圆周运动的速率为

⑧由⑦⑧式得

⑨