НПСФ 2014, 9. клас — Задача 2. Заряди в гравитационно поле
Национално пролетно състезание по физика 2014, тема за 9. клас · 15 март 2014 г. · 10 т.
Полезни физични константи
Заряд на електрона:
Константа на Кулон:
Условие
Метално топче със заряд и маса е окачено на безтегловна, неразтеглива нишка, направена от изолаторен материал. Земното ускорение е .
а) Определете силата на опъване на нишката. [1 т.]
Директно под топчето на диелектрична пръчица е закрепено неподвижно второ топче със същия по големина заряд и същата маса, както е показано на фиг. 2. Силата на опъване на нишката е 0.

б) Какъв е по знак зарядът на топчето? [1 т.]
в) Определете разстоянието H между двете топчета. [2 т.]
Долното топче се отделя от диелектричната пръчица и се прикача към горното топче на изолираща, безтегловна и неразтеглива нишка с дължина h. Зарядите на двете топчета се запазват. Под него на диелектрична пръчица е закрепено неподвижно трето топче с неизвестен заряд Q, както е показано на фиг. 3.

г) Намерете големината и знака на Q, ако при разстояние 2h между долните две топчета силите на опъване на двете нишки стават равни на нула. [6 т.]
Решение
а) Силата на опъване на нишката е равна по големина и противоположна по посока на силата на тежестта , която действа на топчето
[0,5 точки]
. [0,5 точки]
б) Силата на опъване на нишката е 0, т.е. силата на тежестта и силата на Кулон, с която второто топче му действа, се уравновесяват. [0,5 точки]
Това означава, че двете топчета се отблъскват, т.е. зарядът на второто топче е със същия знак като на първото – положителен. [0,5 точки]
в) Силата на опъване на нишката е 0, ако
[0,5 точки]
[0,5 точки]
[0,5 точки]
[0,5 точки]
г) Означаваме топчетата с 1 (най-горно), 2 (средно) и 3 (най-долно).
За средното топче важи
. [0,5 точки]
За да може силата на опъване на долната нишка да е 0, е необходимо поне една сила да действа нагоре, т.е. то се отблъсква от най-долното топче. Това означава, че най-долното топче е със същия по знак заряд – положителен. [0,5 точки]
Така уравнението на силите на средното топче е
. [1 точка]
За най-горното топче важи:
, [0,5 точки]
тъй като знаем, че силата на опъване на нишката е 0. Уравнението може да се представи като
. [1 точка]
След изваждане на двете уравнения едно от друго и преобразуване се получава
[2 точки]
. [0,5 точки]
Бележка от източника
Успешно представяне!
Оригинал в Архива: proletni_2014_9problems.pdf · официални решения: proletni_2014_9solutions.pdf