Электростатика — Задание 25 ЕГЭ по физике №00016905
Электростатика
№2. Задание 25
ID: 00016905
К крючку на потолке подвесили на лёгких диэлектрических нитях длиной l = 1 м два одинаковых маленьких шарика массой m = 10 г каждый и сообщили им одинаковые заряды q. После этого шарики оттолкнулись друг от друга, и когда колебания затухли, оказалось, что в положении равновесия угол между нитями равен 2α=60°. Найдите величину и знак зарядов q.
Источник: ФИПИ
Решение
Дано:
$l=1$ м; $\;m=10$ г $=0{,}01$ кг; $\;2\alpha=60^\circ\Rightarrow\alpha=30^\circ$; $\;g=10$ м/с$^2$; $\;k=9\cdot10^9$ Н·м$^2$/Кл$^2$
Найти:
$q$ — величину и знак зарядов
Решение:
Представь двух человек, которые висят на одной верёвке с потолка и при этом отталкиваются ладонями, как два одинаковых магнита одним полюсом: каждый отклоняется в свою сторону, и верёвка перестаёт быть вертикальной. Так и шарики: одинаковые заряды отталкиваются, нити расходятся, а угол между ними застывает там, где силы уравновесились.
Рассмотрим один шарик. На него действуют три силы: тяжесть $mg$ вниз, натяжение нити $T$ вдоль нити и кулоновская сила отталкивания $F$ по горизонтали (от второго шарика). Шарик покоится, значит силы уравновешены. Разложим по осям:
$T\cos\alpha = mg$ (вертикаль), $\quad T\sin\alpha = F$ (горизонталь).
Разделим второе на первое — натяжение $T$ уйдёт:
$\tan\alpha = \dfrac{F}{mg}\;\Rightarrow\;F = mg\tan\alpha.$
Кулоновская сила $F=\dfrac{kq^2}{r^2}$, где $r$ — расстояние между шариками. Шарики висят из одной точки на нитях длиной $l$, угол между нитями $2\alpha$, поэтому $r=2l\sin\alpha$. Приравниваем:
$\dfrac{kq^2}{(2l\sin\alpha)^2}=mg\tan\alpha\;\Rightarrow\;q=2l\sin\alpha\sqrt{\dfrac{mg\tan\alpha}{k}}.$
Сначала найдём $r=2\cdot1\cdot\sin30^\circ=2\cdot0{,}5=1$ м. Подставляем числа:
$q=\sqrt{\dfrac{mg\tan\alpha\cdot r^2}{k}}=\sqrt{\dfrac{0{,}01\cdot10\cdot\tan30^\circ\cdot1^2}{9\cdot10^9}}=\sqrt{\dfrac{0{,}0577}{9\cdot10^9}}\approx2{,}53\cdot10^{-6}\ \text{Кл}.$
Получилось $q\approx2{,}53$ мкКл. Знак зарядов одинаковый (оба «+» либо оба «−») — только одноимённые заряды отталкиваются и разводят нити в стороны.
Ответ
$q = \pm 2{,}53\cdot10^{-6}$ Кл $\approx \pm 2{,}53$ мкКл (оба заряда одного знака).
Другие задания по теме «Электростатика» (8)
- Задание 25 №00026615 — Маленький шарик массой m равно 1 г с зарядом q больше 0, подвешенный к потолку…
- Задание 25 №00026608 — Частица, имеющая заряд q равно 5 умножить на 10 в степени минус 9 Кл, влетает в…
- Задание 25 №00026601 — На столе закреплён длинный тонкий непроводящий стержень, наклонённый под углом…
- Задание 25 №00026599 — Маленький шарик массой m с зарядом q равно 5 нКл, подвешенный к потолку на…
- Задание 25 №00026598 — Батарея из четырёх конденсаторов электроёмкостью C индекс 1 = 2 С, C индекс 2 =…
- Задание 25 №00026597 — На рисунке показана схема устройства для предварительного отбора заряженных…
- Задание 25 №00026596 — Между горизонтальными обкладками плоского конденсатора висит заряженная…
- Задание 25 №00026586 — На рисунке показана схема устройства для предварительного отбора заряженных…