图4
摆球振动过程中,其受重力、绳子的拉力和磁场的洛伦兹力,洛仑兹力方向始终沿绳子方向。与单摆的理想模型对比,摆球振动的回复力仍然是重力沿沿圆弧切线方向的分力提供,而洛仑兹力只影响绳子拉力大小的变化,因此其振动周期仍为。
例2:如图5所示,用绝缘细丝线悬吊着的带正电小球在匀强磁场中做简谐运动,则( )
图5
A. 当小球每次通过平衡位置时,速度相同
B. 当小球每次通过平衡位置时,动能相同
C. 当小球每次通过平衡位置时,丝线拉力相同
D. 撤去磁场后,小球摆动周期变大
答案:B
解析:带正电小球所受洛仑兹力和拉力不做功,只有重力做功,系统机械能守恒。过平衡位置时,小球的动能相同,其速度大小相等,但方向不一定相同,因此,B正确,A错误;小球过平衡位置时,运动方向不同时,其所受洛仑兹力方向也不同,丝线拉力不同,因此,C错误;小球所受洛仑兹力不提供回复力,撤去磁场后,其振动的回复力不变,振动周期不变,因此,D错误。
情景3:单摆在电场中的振动。
如图6所示,一摆球带正电荷的单摆在竖直下的匀强电场中振动。
图6
摆球振动过程中,其受重力、绳子的拉力和电场的电场力,电场力方向始终竖直向下。与单摆的理想模型对比,单摆振动的回复力是由重力和电场力沿圆弧切线的分力的合力提供,摆球振动变快了,因此,该单摆振动周期不能再用直接计算了。但重力和电场力合力是方向始终竖直向下的恒力,相当于单摆理想模型中的重力作用,我们称之为等效重力,用等效重力除以摆球质量得等效重力加速度,因此,该单摆的周期可用来计算。
例3:如图7所示,用长为L的绝缘细丝线悬吊着的带电量为 q的小球m,在竖直向下的匀强电场E中做简谐运动,则( )
图7
A. 当小球每次通过平衡位置时,丝线的拉力不同
B. 小球做简谐运动的周期为
C. 小球做简谐运动的周期为
D. 撤去电场后,小球摆动周期变大
答案:CD
解析:带正电小球在电场中运动时,只有重力和电场力做功,根据动能定理可知,小球每次过平衡位置时速度大小相同。在平衡位置时丝线拉力相同,A错误。小球做简谐运动时,等效重力加速度为,单摆周期为,因此,B错误,C正确;当撤去电了场后,只有重力沿圆弧切线的分力提供回复力,即单摆振动的回复力减小,振动变慢,振动周期变大,因此,D正确。
情景4: 单摆在加速运行的电梯内的振动。
如图8所示,在加速向上运动的电梯中,一个悬挂在电梯顶部的单摆在竖直平面内振动。