Электростатика — Задание 25 ЕГЭ по физике №00016911
Электростатика
№2. Задание 25
ID: 00016911
Математический маятник, грузик которого имеет массу m = 8 г, совершает малые колебания в поле силы тяжести с периодом T1 = 0,7 с. Грузик зарядили и включили направленное вниз однородное вертикальное электрическое поле, модуль напряжённости которого равен E = 3 кВ/м. В результате этого период колебаний маятника стал равным T2 = 0,5 с. Найдите заряд q грузика.
Источник: ФИПИ
Решение
Дано:
$m=8$ г $=8\cdot10^{-3}$ кг; $\;T_1=0{,}7$ с (без поля); $\;E=3$ кВ/м $=3000$ В/м (поле вниз); $\;T_2=0{,}5$ с (с полем); $\;g=10$ м/с$^2$
Найти:
$q$ — заряд грузика
Решение:
Период качания маятника зависит от того, насколько сильно его «тянет вниз». Представь качели: чем сильнее притяжение, тем шустрее они мотаются туда-сюда. Сначала грузик тянет только тяжесть. Потом включают поле, которое добавляет силу вниз — будто к грузику снизу привязали невидимую резинку и потянули к земле. «Тянет вниз» стало сильнее — и маятник замахал быстрее, период уменьшился с $0{,}7$ до $0{,}5$ с. Это как раз и подтверждает, что электрическая сила добавилась к тяжести (направлена вниз).
Период математического маятника $T=2\pi\sqrt{\dfrac{l}{g_\text{эф}}}$, где $g_\text{эф}$ — «эффективное» ускорение от всех сил, тянущих вниз, делённых на массу. Без поля $g_\text{эф}=g$:
$T_1 = 2\pi\sqrt{\dfrac{l}{g}}.$
С полем добавляется электрическая сила $qE$ вниз, поэтому $g_\text{эф}=g+\dfrac{qE}{m}$:
$T_2 = 2\pi\sqrt{\dfrac{l}{\,g+qE/m\,}}.$
Длина $l$ одна и та же — поделим квадрат первого периода на квадрат второго, $l$ и $2\pi$ сократятся:
$\dfrac{T_1^2}{T_2^2} = \dfrac{g+qE/m}{g}\;\Rightarrow\;g+\dfrac{qE}{m} = g\left(\dfrac{T_1}{T_2}\right)^2.$
Выражаем заряд:
$\dfrac{qE}{m} = g\left[\left(\dfrac{T_1}{T_2}\right)^2-1\right]\;\Rightarrow\;q = \dfrac{mg}{E}\left[\left(\dfrac{T_1}{T_2}\right)^2-1\right].$
Считаем: $\left(\dfrac{0{,}7}{0{,}5}\right)^2=1{,}96$, тогда $1{,}96-1=0{,}96$. Подставляем:
$q = \dfrac{8\cdot10^{-3}\cdot10}{3000}\cdot0{,}96 = \dfrac{0{,}08}{3000}\cdot0{,}96 \approx 2{,}56\cdot10^{-5}\ \text{Кл}.$
Получилось $q\approx25{,}6$ мкКл.
Ответ
$q \approx 2{,}56\cdot10^{-5}$ Кл $= 25{,}6$ мкКл.
Видеоразбор
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…