Электрические… — Задание 21 ЕГЭ по физике №00008964

Дано:

Металлическая пластина на изолирующей подставке заряжена положительно. Незаряженная металлическая гильза подвешена на длинной шёлковой нити вблизи пластины.

Найти:

Описать и объяснить движение гильзы.

Решение:

Этап 1. Электростатическая индукция.

Положительно заряженная пластина создаёт электрическое поле $\vec{E}$, направленное от пластины. Под действием этого поля в незаряженной металлической гильзе происходит перераспределение зарядов: отрицательные заряды (электроны) смещаются к ближней к пластине стороне, положительные — к дальней: $$\vec{F} = q\vec{E}$$ При $q \lt 0$ сила направлена против $\vec{E}$ (к пластине), при $q \gt 0$ — по $\vec{E}$ (от пластины).

Этап 2. Притяжение к пластине.

По закону Кулона сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния. Отрицательные заряды гильзы находятся ближе к пластине, чем положительные, поэтому сила притяжения больше силы отталкивания. Суммарная электрическая сила направлена к пластине. Гильза отклоняется и касается пластины.

Этап 3. Перезарядка и отталкивание.

При контакте высоковольтный выпрямитель (источник положительного заряда) забирает все свободные электроны с гильзы. Гильза приобретает положительный заряд. Одноимённо заряженная гильза и пластина отталкиваются. Гильза отходит от пластины и устанавливается в положении равновесия под действием трёх сил: электрической силы отталкивания, силы тяжести и натяжения нити. После небольших колебаний гильза неподвижно висит, отклонившись от пластины.