Стальной шарик массой m = 10 г, подвешенный на невесомой нерастяжимой нити, совершает над полюсом магнита свободные гармонические колебания с периодом Т1 = 0,5 с. Если убрать магнит, то период колебаний шарика станет Т2 = 1,0 с. Определите модуль силы притяжения шарика к магниту.
от

1 Ответ

Дано:

m = 10 г = 0,01 кг (масса шарика)  
T1 = 0,5 с (период колебаний над полюсом магнита)  
T2 = 1,0 с (период колебаний после удаления магнита)  

Найти:

Модуль силы притяжения шарика к магниту.

Решение:

1. Период колебаний математического маятника определяется по формуле:

T = 2 * π * sqrt(l / g),

где l — длина нити, g — ускорение свободного падения.

2. Когда шарик находится под действием магнита, на него действует сила тяжести и сила магнитного притяжения. Ускорение свободного падения в этом случае будет определяться как:

g_eff1 = g - F_m / m,

где F_m — сила магнитного притяжения (которую мы хотим найти).

3. Для периода T1 имеем:

T1 = 2 * π * sqrt(l / g_eff1).

4. После удаления магнита на шарик действует только сила тяжести, поэтому:

g_eff2 = g (так как F_m = 0).

5. Для периода T2 имеем:

T2 = 2 * π * sqrt(l / g).

6. Теперь выразим длину нити l через период T2:

l = (T2 / (2 * π))^2 * g.

7. Подставим выражение для l в уравнение с T1:

T1 = 2 * π * sqrt((T2 / (2 * π))^2 * g / g_eff1).

8. Упростим это уравнение и выразим g_eff1:

g_eff1 = g * (T2 / T1)^2.

9. Подставляем известные значения T1 и T2:

g_eff1 = g * (1 / 0,5)^2  
= g * 4.

10. Теперь подставим это выражение в уравнение:

g - F_m / m = 4g.

11. Решим его относительно F_m:

F_m = m * (g - 4g) = m * (-3g) = -3mg.

12. Модуль силы будет равен:

|F_m| = 3mg.

13. Подставим значение массы м и g:

|F_m| = 3 * 0,01 кг * 9,81 м/с² = 0,2943 Н.

Ответ:

Модуль силы притяжения шарика к магниту составляет 0,2943 Н.
от