Вопрос:

Небольшое заряженное тело находится у основания наклонной плоскости. Масса тела m = 90 г, его заряд положителен и равен q₁, угол α = 30°. На наклонной плоскости на высоте H= 20 см над горизонтом закреплен точечный отрицательный заряд q₂ = - 3 мкКл. Считать, что взаимодействие зарядов происходит в вакууме. Тело начинает скользить без трения вверх по наклонной плоскости. Когда тело оказалось на расстоянии L = 10 см от заряда q₂, его кинетическая энергия стала равной W = 675 мДж. Заряд q₁ равен ... мкКл. (Ответ округлите до целого).

Ответ:

Решение задачи:

Для решения данной задачи, необходимо применить закон сохранения энергии и учесть работу электростатических сил.

  1. Перевод единиц измерения:
    • Масса тела: m = 90 г = 0.09 кг
    • Высота: H = 20 см = 0.2 м
    • Расстояние: L = 10 см = 0.1 м
    • Заряд q₂: q₂ = -3 мкКл = -3 * 10⁻⁶ Кл
    • Кинетическая энергия: W = 675 мДж = 0.675 Дж
  2. Закон сохранения энергии:

    Работа электростатической силы + изменение потенциальной энергии = кинетическая энергия

    $$A_{эл} + \Delta U = W$$

    Работа электростатической силы:

    $$A_{эл} = -\Delta U_{пот} = - (U_{2} - U_{1})$$

    Где U₁ и U₂ - потенциальная энергия взаимодействия зарядов в начальной и конечной точках соответственно.

  3. Потенциальная энергия взаимодействия зарядов: $$U = k \frac{q_1 q_2}{r}$$

    Где k - постоянная Кулона (k ≈ 9 * 10⁹ Н·м²/Кл²), r - расстояние между зарядами.

    В начальной точке (у основания наклонной плоскости), расстояние между зарядами:

    $$r_1 = \frac{H}{sin(\alpha)} = \frac{0.2}{sin(30°)} = \frac{0.2}{0.5} = 0.4 м$$

    В конечной точке, расстояние между зарядами: r₂ = L = 0.1 м

    Тогда изменение потенциальной энергии:

    $$\Delta U_{пот} = U_2 - U_1 = k q_1 q_2 (\frac{1}{r_2} - \frac{1}{r_1})$$
  4. Работа электростатической силы: $$A_{эл} = - k q_1 q_2 (\frac{1}{r_2} - \frac{1}{r_1}) = k q_1 |q_2| (\frac{1}{r_2} - \frac{1}{r_1})$$

    Подставляем известные значения в закон сохранения энергии:

    $$k q_1 |q_2| (\frac{1}{r_2} - \frac{1}{r_1}) = W + m g H$$
  5. Выражение для q₁: $$q_1 = \frac{W + m g H}{k |q_2| (\frac{1}{r_2} - \frac{1}{r_1})}$$
  6. Подстановка значений: $$q_1 = \frac{0.675 + 0.09 * 9.81 * 0.2}{9 * 10^9 * 3 * 10^{-6} * (\frac{1}{0.1} - \frac{1}{0.4})} = \frac{0.675 + 0.17658}{27 * 10^3 * (10 - 2.5)} = \frac{0.85158}{27 * 10^3 * 7.5} = \frac{0.85158}{202500} \approx 4.205 * 10^{-6} Кл$$
  7. Перевод в мкКл и округление: $$q_1 \approx 4.205 * 10^{-6} Кл = 4.205 мкКл$$

    Округляем до целого: q₁ ≈ 4 мкКл

Ответ: 4 мкКл

Смотреть решения всех заданий с листа

Похожие