На нити длиной l = 1,0 м подвешен шарик, имеющий заряд   q = 20 мкКл. На одной вертикали с ним ниже закреплен точечный   заряд q1  = –q. Нить с шариком приводят в горизонтальное положение   и отпускают. В момент прохождения положения равновесия модуль   скорости шарика v = 5,1 м/с , а расстояние между зарядами в момент   наибольшего отклонения r = 2,0 м. Найдите массу m шарика
от

1 Ответ

дано:  
Длина нити (l) = 1,0 м  
Заряд шарика (q) = 20 мкКл = 20 * 10⁻⁶ Кл  
Заряд q1 = –q = –20 * 10⁻⁶ Кл  
Модуль скорости шарика в момент прохождения положения равновесия (v) = 5,1 м/с  
Расстояние между зарядами в момент наибольшего отклонения (r) = 2,0 м

найти:  
Масса шарика (m)

решение:  
1. На шарик действует сила тяжести и электростатическое взаимодействие между зарядами. В момент наибольшего отклонения система имеет максимальное расстояние между зарядами, и вся энергия шарика состоит из потенциальной энергии, превращенной в кинетическую.

2. Потенциальная энергия электрического взаимодействия между зарядами:

U_эл = k * |q * q1| / r

где k = 9 * 10⁹ Н·м²/Кл² — электростатическая постоянная.

Подставим значения:

U_эл = 9 * 10⁹ * (20 * 10⁻⁶)² / 2  
U_эл = 9 * 10⁹ * 400 * 10⁻¹² / 2  
U_эл = 1,8 Дж

3. Кинетическая энергия шарика в момент прохождения положения равновесия:

E_к = 1/2 * m * v²

4. На момент наибольшего отклонения вся энергия будет электростатической. Следовательно, кинетическая энергия в момент прохождения положения равновесия равна электростатической энергии:

1/2 * m * v² = U_эл

5. Решаем относительно массы m:

m = 2 * U_эл / v²  
m = 2 * 1,8 / (5,1)²  
m = 3,6 / 26,01  
m ≈ 0,138 кг

ответ:  
Масса шарика составляет примерно 0,138 кг.
от