Между двумя горизонтально расположенными плоскими металлическими пластинами на расстоянии 10 см от нижней пластины висит заряженный шарик. Разность потенциалов между пластинами 400 В. Через какое время шарик упадет на нижнюю пластину, если разность потенциалов мгновенно уменьшить до 200 В?
от

1 Ответ

Дано:
- Расстояние между пластинами d = 10 см = 0,1 м.
- Начальная разность потенциалов U1 = 400 В.
- Конечная разность потенциалов U2 = 200 В.
- Ускорение свободного падения g ≈ 9,81 м/с².

Найти: время t, за которое шарик упадет на нижнюю пластину после уменьшения разности потенциалов до 200 В.

Решение:
Сначала найдем напряженность электрического поля E при первоначальной разности потенциалов:

E1 = U1 / d
   = 400 / 0,1
   = 4000 В/м.

Затем найдем напряженность электрического поля E при конечной разности потенциалов:

E2 = U2 / d
   = 200 / 0,1
   = 2000 В/м.

Теперь определим силу, действующую на шарик в электрическом поле. Для этого используем формулу:

F = q * E,

где q - заряд шарика. Поскольку заряд не указан, будем работать с выражением для ускорения a:

a = F / m = (q * E) / m.

При этом мы знаем, что сила тяжести также действует на шарик:

F_g = m * g.

Таким образом, результирующее ускорение a будет равно:

a = (q * E2) / m - g.

Так как заряд q и масса m неизвестны, выразим ускорение через отношение заряд/масса (q/m).

a = (q / m) * E2 - g.

Обозначим k = q / m. Тогда:

a = k * E2 - g.

После уменьшения разности потенциалов до 200 В, шарик будет двигаться с постоянным ускорением a, поэтому можем использовать уравнение движения:

d = (1/2) * a * t^2.

Подставляем значение расстояния d:

0,1 = (1/2) * (k * 2000 - 9,81) * t^2.

Для нахождения времени t нужно решить это уравнение:

t^2 = (2 * 0,1) / (k * 2000 - 9,81).

Теперь нам нужно выразить t через k. Поскольку k является отношением заряда к массе, для определения конкретного значения времени необходимо знать это соотношение, что в данном случае отсутствует.

Предположим, что k было бы известно. Если бы k было, например, равно 1 (что соответствует некоторым зарядам и массам), мы могли бы подставить значение:

t^2 = (0,2) / (1 * 2000 - 9,81)
      = (0,2) / (2000 - 9,81)
      = (0,2) / 1990,19
      ≈ 1,007 * 10^(-4).

Тогда:

t ≈ sqrt(1,007 * 10^(-4))
  ≈ 0,01003 с.

Ответ:
Время, через которое шарик упадет на нижнюю пластину, зависит от соотношения q/m и требует конкретного значения для окончательного ответа. Для условия k = 1, время составит примерно 0,01003 секунд.
от