Положительно заряженный шарик массой m = 30 г, подвешенный на нерастяжимой нити над положительно заряженной горизонтальной плоскостью, совершал свободные гармонические колебания с периодом Т0 = 2,0 с. Модуль силы, с которой электрическое поле действовало на шарик, F = 0,10 Н. Затем шарик перезарядили так, что его заряд стал отрицательным, но модуль заряда остался прежним. Определите период колебаний шарика после перезарядки
от

1 Ответ

Дано:

m = 30 г = 0,030 кг (масса шарика)  
T0 = 2,0 с (период колебаний до перезарядки)  
F = 0,10 Н (модуль силы, действующей на шарик в электрическом поле)  

Найти:

Период колебаний шарика после перезарядки.

Решение:

1. Сначала определим модуль заряда q шарика. Поскольку сила F, действующая на шарик в электрическом поле, выражается как:

F = q * E,

где E — модуль напряженности электрического поля. Мы можем выразить E через силу и заряд:

E = F / q.

2. Применим формулу для периода колебаний T0 математического маятника:

T0 = 2 * π * sqrt(l / g_eff),

где g_eff — эффективное ускорение. В нашем случае:

g_eff = g - (q * E) / m.

3. В начальный момент, с положительным зарядом, у нас есть следующее равновесие:

F = m * g_eff = m * (g - (q * E) / m).

Здесь F = 0,10 Н.

4. Подставим значения в уравнение:

0,10 = 0,030 * g_eff.

5. Теперь определяем g_eff:

g_eff = 0,10 / 0,030 = 3,33 м/с^2.

6. Теперь, когда шарик перезаряжен так, что его заряд стал отрицательным (но модуль остался прежним), направление силы изменится. Теперь действующая сила будет направлена вниз:

F' = -q * E,

где E по-прежнему положительно. Это значит, что теперь:

g_eff' = g + (|q| * E) / m.

7. Используем значение силы F для выражения |q| * E:

|q| * E = F = 0,10 Н.

8. Тогда:

g_eff' = g + (0,10) / 0,030.

9. Подставив значение g (приблизительно 9,81 м/с^2):

g_eff' = 9,81 + (0,10 / 0,030) = 9,81 + 3,33 = 13,14 м/с^2.

10. Теперь подставим g_eff' в формулу для периода колебаний:

T' = 2 * π * sqrt(l / g_eff').

11. Так как длина нити l не меняется, можно воспользоваться отношением периодов:

T' / T0 = sqrt(g_eff / g_eff').

Таким образом:

T' = T0 * sqrt(g_eff / g_eff').

12. Подставим известные значения:

T' = 2,0 * sqrt(3,33 / 13,14).

13. Вычислим:

sqrt(3,33 / 13,14) ≈ sqrt(0,253) ≈ 0,503.

Следовательно:

T' = 2,0 * 0,503 ≈ 1,01 с.

Ответ:

Период колебаний шарика после перезарядки составляет примерно 1,01 с.
от