ID: 00016997
В однородном электрическом поле с напряжённостью $E = 18$ В/м находятся два точечных заряда: $Q = -1$ нКл и $q = +5$ нКл с массами $M = 5$ г и $m = 10$ г соответственно. Заряды расположены на одной прямой, параллельной линиям поля: слева — отрицательный заряд $Q$, справа — положительный заряд $q$; вектор напряжённости $\vec{E}$ направлен слева направо (от $Q$ к $q$). На каком расстоянии $d$ друг от друга находятся заряды, если их ускорения совпадают по величине и направлению? Сделайте рисунок с указанием всех сил, действующих на заряды. Силой тяжести пренебречь.

Источник: ФИПИ
$E=18$ В/м; $\;Q=-1$ нКл $=-1\cdot10^{-9}$ Кл; $\;q=+5$ нКл $=5\cdot10^{-9}$ Кл; $\;M=5$ г $=5\cdot10^{-3}$ кг; $\;m=10$ г $=10\cdot10^{-3}$ кг; $\;k=9\cdot10^{9}$ Н·м$^2$/Кл$^2$. Ускорения зарядов равны по модулю и направлению.
$d$ — расстояние между зарядами.
Представь двух человек на ровном льду, которых ещё и тянет общий ветер. На каждого действует свой «ветер» (внешнее поле) и вдобавок их связывает резинка (притяжение разноимённых зарядов). Внешнее поле тянет плюс по полю — вправо, а минус против поля — влево. А «резинка» Кулона стягивает их навстречу друг другу, потому что заряды разного знака притягиваются.
Возьмём ось вправо за положительное направление. Сила Кулона по модулю $F_{\text{к}}=\dfrac{k\,|Q|\,q}{d^2}$, она у каждого направлена к соседу.
На отрицательный $Q$ (слева): поле даёт $|Q|E$ влево, а Кулон тянет вправо (к плюсу). Второй закон Ньютона: $Ma_Q=F_{\text{к}}-|Q|E$.
На положительный $q$ (справа): поле даёт $qE$ вправо, Кулон тянет влево (к минусу). Второй закон: $ma_q=qE-F_{\text{к}}$.
По условию ускорения равны и по величине, и по направлению, значит $a_Q=a_q$:
$\dfrac{F_{\text{к}}-|Q|E}{M}=\dfrac{qE-F_{\text{к}}}{m}.$
Перемножим крест-накрест и соберём $F_{\text{к}}$:
$m\,(F_{\text{к}}-|Q|E)=M\,(qE-F_{\text{к}})\;\Rightarrow\;F_{\text{к}}(m+M)=E\,(Mq+m|Q|).$
$F_{\text{к}}=\dfrac{E\,(Mq+m|Q|)}{m+M}=\dfrac{18\,(5\cdot10^{-3}\cdot5\cdot10^{-9}+10\cdot10^{-3}\cdot1\cdot10^{-9})}{15\cdot10^{-3}}=4{,}2\cdot10^{-8}\ \text{Н}.$
Теперь из закона Кулона вытащим расстояние: $d=\sqrt{\dfrac{k\,|Q|\,q}{F_{\text{к}}}}=\sqrt{\dfrac{9\cdot10^{9}\cdot1\cdot10^{-9}\cdot5\cdot10^{-9}}{4{,}2\cdot10^{-8}}}\approx1{,}04\ \text{м}.$
Получилось около метра. Проверим разумность: при таком $d$ оба ускорения выходят $\approx4{,}8\cdot10^{-6}$ м/с$^2$ и совпадают — значит, «резинка» Кулона подобрана так, что лёгкий минус и тяжёлый плюс едут синхронно, как и требовалось.
$d \approx 1{,}04$ м (точнее $1{,}035$ м, округлённо $\approx 1$ м).