高中物理磁悬浮环形管道问题,洛伦兹力与冲量计算深度分析

本题是一道磁场情景创新综合题，综合性很强。本题考查利用左手定则判断洛伦兹力方向、洛伦兹力正交分解、匀速圆周运动、动量定理求变力冲量、受力分析与弹力合成等核心知识点。

本题要求学生能够正确的对洛伦兹力进行分解，能够区分洛伦兹力作为变力时，不能直接用恒力与时间的乘积来计算冲量大小，需要改用动量定理来求解；在速度改变之后，可以重新受力分析，并完成竖直、径向两个方向的受力分析，正确合成管道弹力，最终计算出对应的弹力大小。

对本题进行分析可知，本题的突破口在于初始时小球与管道之间无弹力的作用，小球只受重力和洛伦兹力的作用。由于本题中的磁场是斜向上方向的磁场，由左手定则可知洛伦兹力也应该为倾斜方向的力，这样洛伦兹力可以分解为沿竖直方向与水平径向，并且竖直分力与重力大小相等，水平径力分力提供小球做圆周运动的向心力。

选项A：对本题带正电小球进行受力分析，带电小球能进行匀速圆周运动，则小球的受力如下图所示，小球带正电由左手定则可知小球应该是沿着顺时针方向做的匀速圆周运动。由此判断选项A正确。

选项B：对小球所受的洛伦兹力进行正交分解，竖直方向的分量与重力大小相等；径向分量提供小球做圆周运动向心力，可以计算出小球做圆周运动的周期；解析如下，由此判断B选项错误。

选项C：洛伦兹力大小不变、方向时刻变化是变力，不能利用力与时间的乘积求冲量；小球受重力和洛伦兹力作用，重力是恒力，可以算出重力的冲量；题中可知先求出半个周期内小球的动量变化量，再由重力的冲量，根据矢量三角形（矢量合成）可以计算出洛伦兹力的冲量大小；解析如下，由此判断选项C错误。

选项D：由速率变为原来的2倍，对小球进行受力分析，可知洛伦兹力的竖直分量与重力和弹力的竖直分量的和相等；洛伦兹力的径向分量与弹力的径向分量的和提供小球做圆周运动的向心力；根据题意列方程，即可求出对应的竖直分量和径向分量；再利用勾股定理即可求出对应的弹力大小，此时弹力的方向斜向下；解析如下，由此判断选项D正确。

由以上分析可知本题的正确答案为AD。

本题总结，斜磁场和圆周运动时，首先要做的是就是对力进行正交分解；求解变力冲量时优先考虑利用动量定理；管道弹力的方向不一定指向圆心，要全面准确的进行受力分析。

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