НЕСФ 2015, 9. клас — Задача 2. Електростатика
Национално есенно състезание по физика 2015, тема за 9. клас · 14 ноември 2015 г. · 10 т.
Условие
Две наелектризирани метални топчета (точкови заряди) с положителни заряди и могат да се хлъзгат без триене в тръба от изолатор. Разстоянието между двете топчета е . В тръбата поставят трето топче със заряд , така че системата от три точкови заряда да се намира в равновесие.

а) Какъв е знакът на заряда ? [1 т.]
б) В коя от трите области, показани на фиг. 3, трябва да се постави третото топче? [2 т.]
в) Определете разстоянието от заряда до заряда . [4 т.]
г) Намерете потенциала на полето, създадено от зарядите и , в точката, където се намира зарядът . [3 т.]
Решение
а) Ако зарядът също е положителен, както и да поставим трите топчета, на крайните две ще действат сили, които ще ги отблъскват (отдалечават едно от друго). Следователно зарядът трябва да е отрицателен. [1т]
б) Отрицателният заряд не може да се постави в областите I или III, защото тогава другите два заряда ще го привличат и той не може да бъде в равновесие. [1т] Зарядът трябва да се постави в областта II, т.е. между положителните заряди и , където те му действат със срещуположни сили, които би могло да се уравновесят. [1т]

в) На заряда действат две сили (вж. чертежа), чиито големини се определят от закона на Кулон: и . [1т] За да бъде зарядът в равновесие, двете противоположни сили трябва да имат еднакви големини , откъдето получаваме квадратно уравнение за : [1т].
Уравнението има два корена, които се записват във вида и [1т]. За втория корен е изпълнено условието , т.е. зарядът да се намира между двата положителни заряда (в област II). Първият корен обаче не удовлетворява това условие. Действително, при имаме , т.е. зарядът е в област III. При имаме , т.е. зарядът е в област I. Следователно търсеното разстояние е [1т].
г) Потенциалът на полето, създадено от двата заряда, е сума от потенциалите на полетата, породени от отделните заряди. Потенциалът от страна на е [0.5т], а от страна на е [0.5т]. Следователно [1т], т.е. [1т].
Оригинал в Архива: esenni_2015_9problems.pdf · официални решения: esenni_2015_9solutions.pdf