Маленький заряженный шарик с положительным зарядом q и массой m подвешен на нити длиной l. Вся система находится в однородном электростатическом поле. Модуль напряжённости поля Е, вектор напряжённости направлен вниз. Чему равен период Т малых колебаний шарика?
от

1 Ответ

Дано:
- Заряд шарика q.
- Масса шарика m.
- Длина нити l.
- Модуль напряженности электрического поля E (направлен вниз).

Найти:
Период T малых колебаний шарика.

Решение:

Когда шарик находится в равновесии, на него действуют силы: сила тяжести mg (направлена вниз) и сила электростатического взаимодействия qE (также направлена вниз). При малых отклонениях от положения равновесия на шарик действуют следующие силы:
1. Сила упругости нити, которая стремится вернуть шарик в положение равновесия.
2. Разность между силой тяжести и силой электростатического взаимодействия.

При отклонении шарика на угол θ, вертикальная составляющая натяжения нити T будет равна:
T * cos(θ) = mg + qE.

Горизонтальная составляющая натяжения будет уравновешиваться центростремительной силой при движении по круговой траектории, и она будет равна:
T * sin(θ) = m * a,
где a - центростремительное ускорение.

Для малых углов θ можно использовать приближение sin(θ) ≈ θ и cos(θ) ≈ 1. Таким образом, упростим систему и запишем уравнение для малых колебаний.

При этом под действием разности сил k, создаваемой отклонением, получаем следующее уравнение движения:
F = -k * x,
где x - отклонение от положения равновесия, а k - жесткость системы.

Сила упругости пропорциональна отклонению:
k = (mg + qE) / l.

Теперь мы можем записать период T малых колебаний как:
T = 2π * sqrt(m / k).

Подставим значение k:
T = 2π * sqrt(m / ((mg + qE) / l)).

Упрощая, получаем:
T = 2π * sqrt(ml / (mg + qE)).

Ответ: Период малых колебаний шарика равен 2π * sqrt(ml / (mg + qE)).
от