如图所示，空间有场强E=1.0×103V/m竖直向下的电场，长L=0.4m不可伸长的轻绳固定于O点，另一端系一质量m=0.05kg带电q=5×10-4C的小球，拉起小球至绳水平后在A点无初速度释放，当小球运动至O点的

Question

如图所示，空间有场强E=1.0×10³V/m竖直向下的电场，长L=0.4m不可伸长的轻绳固定于O点，另一端系一质量m=0.05kg带电q=5×10^-4C的小球，拉起小球至绳水平后在A点无初速度释放，当小球运动至O点的正下方B点时，绳恰好断裂，小球继续运动并垂直打在同一竖直平面且与水平面成θ=30°、无限大的挡板MN上的C点．试求：
（1）绳子至少受多大的拉力才能被拉断；
（2）A、C两点的电势差；
（3）当小球刚要运动至C点时，突然施加一恒力F作用在小球上，同时把挡板迅速水平向右移动3.2m，若小球仍能垂直打在档板上，所加恒力F的方向的取值范围．

Answer 1

（1）A→B由动能定理及圆周运动知识有：
（mg+qE）•L=(1)/(2)mv_B²            
F-（mg+qE）=m(v2B)/(L)          
代入数据可解得：F=3N                      
（2）由（1）分析得vB＝√((2(mg+qE)L)/(m))＝√((2(0.05×10+5×10−4×1.0×103))/(0.05))m/s=4m/s，
小球离开B点做类平抛运动，到达C点时由水平方向速度保持不变有：
小球垂直撞在斜面上，故满足vC＝(vB)/(sin30o)＝8m/s
根据动能定理有：W_电+W_G=2qU=(1)/(2)mv_c²  
代入数据可解得：U=1600V                   
（3）挡板向右移动3.2米，小球沿速度方向运动了1.6米，
若小球做减速运动恰好垂直打到档板，则a=v²/2S=20m/s²=2g，所以要求a≤2g，F_合≤2mg
设恒力F与竖直方向的夹角为α，作出小球的受力矢量三角形分析如图所示∴α≤15°（左斜向上） 
若小球做匀速直线或匀加速直线运动垂直打在档板上，设恒力F与竖直向上方向的夹角为α，作出小球的受力矢量三角形分析如图所示 0≤（α+θ）＜180°
0°≤α＜150°（如图斜右下方）

综上：恒力F与竖直向上的夹角α（以顺时针为正）范围为-15°≤α＜150°
答：（1）绳子至少受3N的拉力才能被拉断；
（2）A、C两点的电势差为1600V；
（3）当小球刚要运动至C点时，突然施加一恒力F作用在小球上，同时把挡板迅速水平向右移动3.2m，若小球仍能垂直打在档板上，所加恒力F与竖直向上的夹角α（以顺时针为正）范围为-15°≤α＜150°．