Электрические взаимодействия. Напряжённость электрического поля.

Физика, 10 класс

Пример 9 Условие На нитях одинаковой длины, закреплённых вверху в одной точке, подвешены два шарика равных масс. Положительные заряды шариков равны q_{1} и q_{2} (рис. 7). Шарики находятся в равновеси...

Пример 9

Условие

На нитях одинаковой длины, закреплённых вверху в одной точке, подвешены два шарика равных масс. Положительные заряды шариков равны q_{1} и q_{2} (рис. 7). Шарики находятся в равновесии. Когда шарики погрузили в жидкий диэлектрик плотностью \rho_{\text{ж}} с диэлектрической проницаемостью \varepsilon , угол между нитями не изменился. Плотность вещества, из которого изготовлены шарики, равна \rho_{\text {т }} . Выразите \varepsilon через плотности жидкости и шариков.

Решение

Сначала рассмотрим случай, когда шарики находятся в равновесии в воздухе. На каждый из них действуют сила тяжести, сила натяжения нити, сила Кулона

F=\frac{k q_{1} q_{2}}{r^{2}}.

Модули сил Кулона равны и направлены эти силы противоположно вдоль прямой, соединяющей центры шариков, поэтому угол \alpha отклонения каждой нити от вертикали один и тот же.

По второму закону Ньютона для любого из шариков

T \sin \alpha= \frac{k q_{1} q_{2}}{r^{2}} ; \quad T \cos \alpha=m g.

При делении уравнений друг на друга получим

\operatorname{tg} \alpha=\frac{k q_{1} q_{2}}{m g r^{2}}.

Здесь

r=2 l \sin \alpha

- расстояние между шариками.

После погружения шариков в диэлектрик плотностью \rho_{\text{ж}} на каждый из них, кроме указанных сил, действует сила Архимеда, модуль которой равен

F_{A}=\rho_{\text{ж}} g V=\rho_{\text{ж}} g \frac{m}{\rho_{\text{т}}}.

Направлена сила Архимеде вертикально вверх.

Учитывая, что нити разошлись на тот же угол, а сила Кулона уменьшилась в \varepsilon раз, запишем второй закон Ньютона для любого из шариков после его погружения в диэлектрик:

T \sin \alpha=\frac{k q_{1} q_{2}}{\varepsilon r^{2}} ; \quad T \cos \alpha=m g-\rho_{\text{ж}} g \frac{m}{\rho_{\text{т}}}=m g\left(1-\frac{\rho_{\text{ж}}}{\rho_{\text{т}}}\right).

После деления уравнений друг на друга получаем:

\operatorname{tg} \alpha=\frac{k q_{1} q_{2}}{m g \varepsilon r^{2}\left(1-\frac{\rho_{\text{ж}}}{\rho_{\text{т}}}\right)}.

Учитывая, что тангенсы равны, получаем

\frac{k q_{1} q_{2}}{m g r^{2}}=\frac{k q_{1} q_{2}}{m g \varepsilon r^{2}\left(1-\frac{\rho_{\text{ж}}}{\rho_{\text{т}}}\right)}.

Откуда после сокращения на \frac{k q_{1} q_{2}}{m g r^{2}} получим

1=\frac{1}{\varepsilon\left(1-\frac{\rho_{\text{ж}}}{\rho_{\text{т}}}\right.}.

Тогда

\varepsilon= \frac{\rho_{\text{т}}}{\left(\rho_{\text{т}}-\rho_{\text{ж}}\right)}.

Открыть урок на ВОЛНА