Question

请教一道高中物理题

如图所示，一个质量为4√3×10^-3kg，电荷量为+2×10^-6C的小球，套在绝缘杆上，杆可在竖直平面内 绕上端转动，球与杆的动摩擦因数为0.5，,整个装置处于电场强度为2×10^4N/C的匀强电场中，
1.杆与竖直方向夹角多大时，小球运动速度变化最快。
2.当杆竖直放置时，球沿杆滑下1m所损失的机械能。

Answer 1

1.当电场力与重力的合力沿杆方向时，即杆与竖直方向夹角为θ＝arctan(qE/mg)＝30°时，小球加速度最大，速度变化最快

2.W＝Ff·x

 ＝μqEx

 ＝0.5×2×10^-6×2×10^4×1J

 ＝2×10^-2J

损失的机械能 △E＝W＝2×10^-2 J

追问

为什么加速度最大时小球所受重力和电场力的合力沿杆方向？

追答

你可以画一下受力分析图：当电场力与重力的合力沿杆方向时,弹力N为零，摩擦力为零，合力为最大值。当电场力与重力的合力不沿杆方向时，有弹力和摩擦力，合力比前种情况小。

Answer 2

这个题目相对较难
首先搞清楚题目意思，小球运动速度变化最快。描述速度变化快慢的物理量是加速度。
F=ma，要加速度最大，也就是要合外力最大，进行受力分析。
很明显受到了重力，电场力，可能有杆对小球的弹力（因为弹力方向垂直与杆，与运动方向垂直，不影响小球加速度），有弹力，有摩擦因数，有相对运动，就有摩擦力。
前2个力一直不变，弹力不影响，摩擦力在这里很明显之可能减小加速度。
所以加速度最大的时候就是摩擦力为0，也就是弹力为0。要像弹力为0，就要杆的方向与重力、电场力合力方向一致。很明显可以看出重力和电场力是√3：1的关系，所以角度是30°（具体计算不用我说吧）
损失机械能，就是有除了重力，弹力做功了。很明显除了重力，弹力，只有摩擦力做功，计算出来就OK了。

追问

请问为什么弹力为0时，杆的方向与重力、电场力合力方向一致？

追答

反了，是杆的方向与重力、电场力合力方向一致，弹力就为0，因为杆的方向与重力、电场力合力方向一致的话，就对杆没有挤压了啊，没有挤压自然没有弹力

Answer 3

解：（ 1 ）小球运动的速度变化最快即加速度最大，
此时小球所受重力和电场力的合力沿杆方向.
由qEcosθ＝mgsinθ
得θ＝30°
(2）若杆竖直放置
F N =qE Ff＝μFn
克服摩擦力做功
W＝Ff·x
＝μqEx
＝0.5×2×10^-6×2×10^4×1J
＝2×10^-2J
损失的机械能 △E＝W＝2×10^-2 J

追问

为什么加速度最大时小球所受重力和电场力的合力沿杆方向？