Шарик массой 150 мг, подвешенный на непроводящей нити, имеет заряд 10 нКл. На расстоянии 32 см снизу от него помещают второй шарик. Каким должен быть заряд второго шарика, чтобы натяжение нити увеличилось в 2 раза?
от

1 Ответ

Дано:
- масса первого шарика m1 = 150 мг = 0.150 г = 0.150 * 10^(-3) кг
- заряд первого шарика q1 = 10 нКл = 10 * 10^(-9) Кл
- расстояние от первого шарика до второго r = 32 см = 0.32 м
- натяжение нити увеличилось в 2 раза

Найти: заряд второго шарика q2.

Решение:
1. Начнем с расчета силы натяжения нити до появления второго шарика. При отсутствии внешних электрических воздействий сила натяжения нити (T0) равна силе тяжести первого шарика:
T0 = m1 * g,
где g = 9.8 м/с² – ускорение свободного падения.
T0 = 0.150 * 10^(-3) * 9.8
= 1.47 * 10^(-3) Н.

2. После появления второго шарика с зарядом q2, сила натяжения нити увеличивается в 2 раза:
T = 2 * T0
= 2 * 1.47 * 10^(-3)
= 2.94 * 10^(-3) Н.

3. Электростатическое притяжение или отталкивание между двумя зарядами q1 и q2 оказывает дополнительное воздействие на нить. По закону Кулона, сила взаимодействия между двумя зарядами равна:
F = k * |q1 * q2| / r²,
где k = 8.988 * 10^9 Н·м²/Кл² – электростатическая постоянная, r – расстояние между зарядами.

4. Сила натяжения нити с учетом электростатического взаимодействия:
T = T0 + F.

5. Из условия задачи, T = 2 * T0, поэтому:
2 * T0 = T0 + F.

6. Выразим F:
F = T - T0
= 2.94 * 10^(-3) - 1.47 * 10^(-3)
= 1.47 * 10^(-3) Н.

7. Теперь найдем заряд второго шарика q2:
1.47 * 10^(-3) = (8.988 * 10^9) * |(10 * 10^(-9)) * q2| / (0.32)².

8. Решим относительно q2:
(8.988 * 10^9) * 10^(-8) / (0.32)² = 1.47 * 10^(-3).
9. q2 ≈ 1.47 * 10^(-3) * (0.32)² / (8.988 * 10^9) * 10^(-8).

Ответ: Заряд второго шарика должен быть примерно равен 1.47 мкКл, чтобы натяжение нити увеличилось в 2 раза.
от