ID: 00026300
Две параллельные металлические пластины, расположенные горизонтально, подключены к электрической схеме, приведённой на рисунке. Между пластинами находится в равновесии маленькое заряженное тело массой m и зарядом q . Электростатическое поле между пластинами считать однородным. Опираясь на законы механики и электродинамики, объясните, как и в каком направлении начнёт двигаться тело, если сдвинуть ползунок реостата вправо.
Источник: ФИПИ
Сначала разберись со схемой. Слева нарисован плоский конденсатор из двух горизонтальных пластин, между ними висит маленькое тело массой m с зарядом q. Пластины подключены параллельно резистору R, а этот параллельный блок соединён с источником (\varepsilon, r) через реостат: левый конец реостата идёт к блоку, а токосъёмный ползунок — к источнику. Значит, в цепь включена та часть обмотки реостата, что лежит между левым концом и ползунком, и при сдвиге ползунка вправо эта часть удлиняется, а её сопротивление растёт.
Обоснуем модель. Поле между пластинами по условию однородное, поэтому напряжённость связана с напряжением просто: E=\dfrac{U}{d}, а сила, действующая на заряд в этом поле, равна F_\text{эл}=qE. Тело маленькое, поэтому его считаем материальной точкой и применяем второй закон Ньютона. Ток в цепи установившийся, а конденсатор постоянный ток не пропускает — значит через ветвь с пластинами ток не идёт, и напряжение на пластинах в точности равно напряжению на резисторе R. Это и есть мостик между электрической частью задачи и механической.
Шаг 1 — что было до сдвига ползунка. Тело висит в равновесии, значит равнодействующая сил равна нулю. На него действуют сила тяжести mg (вниз) и электрическая сила qE_0, которая, следовательно, направлена вверх и равна ей по модулю: qE_0=mg,\qquad q\frac{U_0}{d}=mg.
Шаг 2 — что даёт сдвиг ползунка. Сопротивление включённой части реостата R_\text{р} выросло. По закону Ома для полной цепи I=\frac{\varepsilon}{r+R_\text{р}+R}, знаменатель стал больше, значит сила тока в цепи уменьшилась.
Шаг 3 — напряжение на пластинах. По закону Ома для участка цепи напряжение на резисторе U=IR. Сопротивление R не менялось, ток уменьшился, значит напряжение на резисторе уменьшилось. А поскольку пластины подключены параллельно резистору, напряжение на них тоже уменьшилось: U' меньше U_0. (Строго говоря, конденсатор перезаряжается не мгновенно, но новое, меньшее напряжение он принимает очень быстро.)
Шаг 4 — что стало с силами. Напряжённость поля E'=\dfrac{U'}{d} уменьшилась, поэтому электрическая сила qE' стала меньше, чем была, то есть меньше силы тяжести. Сила тяжести от этого не изменилась. Равновесие нарушено, и равнодействующая направлена вниз.
Шаг 5 — как именно пойдёт движение. По второму закону Ньютона ma=mg-q\frac{U'}{d}\ \Rightarrow\ a=g-\frac{qU'}{md}, и это ускорение направлено вертикально вниз. Тело, стоявшее на месте, начнёт двигаться вниз, разгоняясь; пока напряжение остаётся постоянным, ускорение тоже постоянно, то есть движение равноускоренное.
И всё сходится по смыслу: реостат «придушил» ток, поле между пластинами ослабло, и подпорка, которая держала тело против тяжести, стала слабее — тело поехало вниз.
Тело начнёт двигаться вертикально вниз, разгоняясь: сначала с ускорением, направленным вниз, по модулю a=g-\dfrac{qU'}{md}, где U' — новое напряжение на пластинах, а d — расстояние между ними.
Сдвиг ползунка вправо увеличивает включённое в цепь сопротивление реостата, поэтому ток в цепи по закону Ома для полной цепи уменьшается, а вместе с ним уменьшается напряжение на резисторе R — то есть и на пластинах, подключённых параллельно ему. Поле между пластинами слабеет, электрическая сила qE становится меньше силы тяжести mg, равновесие нарушается, и равнодействующая тянет тело вниз.