Национална олимпиада по физика 2023, национален кръг, пета състезателна група (11.–12. клас) · 22 април 2023 г. · 15 т.
Условие
Електричен заряд Q=1μC е разпределен равномерно по тънък метален пръстен с радиус R=1cm. Точков електричен дипол с маса m=1g и диполен момент p=qδ, ∣p∣=10−12C.m, насочен по оста на пръстена, се движи по тази ос, без да променя ориентацията си (вж. фигурата). Влиянието на силата на тежестта е пренебрежимо.
Пръстен с радиус R и дипол с момент p, насочен по оста на пръстена.
Упътване. Като модел на точков дипол можем да разглеждаме неутрална система от два точкови заряда , които се намират на разстояние δ≪R. Векторът δ е насочен от отрицателния към положителния точков заряд. Константата в закона на Кулон е:
k=1/(4πε0)=9.109N.m2/C2.
При определен начин на решаване на задачата може да се окаже полезна приближената формула:
(1+x)α≈1+αx+2α(α−1)x2,∣x∣≪1.
Ако при анализ на даден сложен израз членът, пропорционален на x, е различен от нула, можем да не отчитаме квадратичния член. Когато линейният член е равен на нула, съществен се оказва членът, пропорционален на x2.
а) Получете израз за потенциалната енергия U на дипола като функция на разстоянието z между дипола и центъра на пръстена. [4 т.]
б) Начертайте качествено графиката на функцията U(z). [5 т.]
в) При какви начални условия (начално положение и начална скорост) диполът ще извършва движение с характер на трептене? [2 т.]
г) Определете периода на хармоничното трептене на дипола. [4 т.]
Отговори
а)U(z)=−kQ(R2+z2)3/2pz
б) Нечетна функция: U<0 при z>0, U>0 при z<0; максимум при z1=−R/2 със стойност Umax=33/2R24kpQ и минимум при z2=R/2 със стойност Umin=−Umax.
в)z0>0,v0<m2(R2+z02)3/2kpQz0
г)T=235/4πR2kpQm≈0,2s
Решение
а) Първи начин. Малък участък от пръстена, разглеждан като точков електричен заряд, създава върху оста на пръстена електрично поле с потенциал
Δφ=kR2+z2Δq.[1 т.]
Като сумираме потенциалите, създадени от всички малки участъци на пръстена, намираме
φ(z)=kR2+z2Q,[0,5 т.]
където оста 0z е насочена вертикално нагоре. За потенциалната енергия на дипола намираме
б) Потенциалната енергия на дипола е отрицателна при z>0 (диполът се намира над пръстена) [0,5 т.] и положителна при z<0 (диполът се намира под пръстена) [0,5 т.]. Около z=0 потенциалната енергия намалява линейно [0,5 т.], докато при z→−∞ клони към нула чрез положителни стойности [0,5 т.], а при z→∞ клони към нула чрез отрицателни стойности [0,5 т.].
При z1=−R/2[0,5 т.] потенциалната енергия на дипола има максимум
Umax=33/2R24kpQ,[0,25 т.]
докато при z2=R/2[0,5 т.] – има минимум
Umin=−Umax.[0,25 т.]
или алтернативно: Тъй като потенциалната енергия е нечетна функция на z, приz1=−a[0,5 т.] потенциалната енергия на дипола има максимална стойност Umax, докато при z2=a[0,5 т.] – има минимална стойност Umin=−Umax. [0,5 т.]
Графика на f(x)=kQpR2U(z)=−(1+x2)3/2x като функция на x=z/R.
Графиката на потенциалната енергия на дипола
f(x)=kQpR2U(z)=−(1+x2)3/2x
като функция на x=z/R е показана на фигурата. [1 т.]
в) Трептене е възможно, когато движението се извършва около минимума на потенциалната енергия, т.е. при енергия на дипола ε<0[0,5 т.]. Следователно началното положение трябва да е z0>0[0,5 т.], а началната скорост трябва да удовлетворява условието
ε=2mv02−kQ(R2+z02)3/2pz0<0,[0,5 т.]
откъдето следва
v0<m2(R2+z02)3/2kpQz0.[0,5 т.]
г) Диполът извършва хармонични трептения при малко отклонение от равновесното положение, когато потенциалната енергия може да се апроксимира с израза
U(z)≈Umin+21U′′(z2)(z−z2)2.[0,5 т.]
Тогава периодът на хармоничното трептене е
T=2πU′′(z2)m.[0,5 т.]
След двукратно диференциране на потенциалната енергия намираме
U′′(z)=kQp(R2+z2)5/24z[1+5R2+z2R2−2z2],[1 т.]
U′′(z2)=35/2R442kQp,[1 т.]
откъдето следва
T=235/4πR2kpQm≈0,2s.[1 т.]
или алтернативно: Диполът извършва хармонични трептения при малко отклонение от равновесното положение, когато потенциалната енергия може да се апроксимира с израза