如图为固定在小车上的车载磁铁产生的匀强磁场,方向沿水平方向垂直纸面向里,磁感应强度为
B。小车置于光滑水平面上,除小球外,小车连同其它部分总质量为
M。一竖直放置的、粗糙的直杆固定在车上,另有质量为
m、电量为+
q的小球套在该直杆上,且处在匀强磁场中,杆与小球间的动摩擦因数为
μ;当
t=0时刻给小球一个竖直向上的初速度
v0,使其从
O点向上运动,已知重力加速度为
g。
(1)若小车固定不动,杆足够长,小球返回
O点前运动状态已稳定,求返回
O点时的速率
v1;
(2)若小车固定不动,杆足够长,小球上滑最大距离为
l,求小球到达最高点的时间;
(3)如果水平外力按一定规律变化,可使小球回到
O点时速率仍为
v0,试求该外力
F随时间变化的规律。