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在水平方向的匀强电场中,把一个质量为m,电量为q的小球,用长为l的轻绳悬挂于O点,当小球平衡时,轻绳与竖直方向的夹角为θ,如图所示。现给小球一个冲量,使小球恰能在竖直平面内做圆周运动,问这个冲量至少为多少?

答案

解析:本题中电场与重力场构成一个复合场,带电粒子在这一复合场中做圆周运动。将本题的情境与重力场中的竖直平面内的圆周运动问题相类比,解答比较简捷。

    在重力场中小球在平衡位置静止时,小球所受的绳的拉力与质量之比为重力加速度g;加上电场后,小球的平衡位置要变为B,小球静止在B时所受拉力与质量之比(可叫类重力加速度)为g′=g/cosθ。再由竖直圆周运动的最高点和最低点(即平衡位置)类比出本题中“类最高点”A和“类最低点”B,进而定出B点为“类重力势能”零点,A点为“类重力势能”最高点。

    设小球在A点的速度为va,在B点的速度为vb。要使小球恰能在竖直平面内做圆周运动,小球在类最高点A应满足mv2a/l=mg′

小球从B点运动到A点的过程中应满足=+mg′·2l

施加给小球的冲量I=mvb

联立以上四式得I=m

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