Вопрос задан 25.03.2025 в 08:18. Предмет Физика. Спрашивает Каменев Макс.

Конический маятник состоит из легкой нити длиной 1 м, на конце которой находится шарик массой 10 г заряженный зарядом 2×−5 Кл. Маятник находится в вертикальном однородном электрическом поле с напряженностью 1 кВ/м. Определить угловую скорость движения шарика и силу натяжения нити, если угол между нитью и вертикалью равен 30градусов

Перейти к ответам

Ответы на вопрос

Отвечает Сарафанников Даниил.

Чтобы решить эту задачу, нужно рассмотреть несколько факторов, которые влияют на движение конического маятника: силы тяжести, силы электростатического взаимодействия и центростремительное ускорение, возникающее при движении маятника.

Дано:

  • Длина нити l=1 мl = 1 \, \text{м}
  • Масса шарика m=10 г=0.01 кгm = 10 \, \text{г} = 0.01 \, \text{кг}
  • Заряд шарика q=2×10−5 Клq = 2 \times 10^{-5} \, \text{Кл}
  • Напряженность электрического поля E=1 kV/m=1000 В/мE = 1 \, \text{kV/m} = 1000 \, \text{В/м}
  • Угол отклонения θ=30∘\theta = 30^\circ
  • Величина силы тяжести g=9.81 м/с2g = 9.81 \, \text{м/с}^2

Этап 1: Сила, действующая на шарик

  1. Сила тяжести: Сила тяжести, действующая на шарик, равна Fg=m⋅gF_g = m \cdot g. Подставим значения:

    Fg=0.01×9.81=0.0981 НF_g = 0.01 \times 9.81 = 0.0981 \, \text{Н}
  2. Сила электростатического взаимодействия: Сила, с которой электрическое поле действует на шарик, определяется по закону Кулона:

    Fe=q⋅E=2×10−5×1000=0.02 НF_e = q \cdot E = 2 \times 10^{-5} \times 1000 = 0.02 \, \text{Н}

    Направление этой силы будет горизонтальным, так как электрическое поле направлено вверх, а заряд положительный.

Этап 2: Разложение сил

Шарик подвешен на нити и движется по конусообразной траектории, образуя угол θ=30∘\theta = 30^\circ с вертикалью. Мы разложим силы на компоненты.

  1. Компоненты силы тяжести:

    • Вертикальная компонента силы тяжести: Fg(vert)=Fg⋅cos⁡(θ)=0.0981⋅cos⁡(30∘)≈0.0851 НF_{g\text{(vert)}} = F_g \cdot \cos(\theta) = 0.0981 \cdot \cos(30^\circ) \approx 0.0851 \, \text{Н}
    • Горизонтальная компонента силы тяжести: Fg(hor)=Fg⋅sin⁡(θ)=0.0981⋅sin⁡(30∘)=0.04905 НF_{g\text{(hor)}} = F_g \cdot \sin(\theta) = 0.0981 \cdot \sin(30^\circ) = 0.04905 \, \text{Н}
  2. Компоненты силы электростатического взаимодействия: Электрическая сила действует горизонтально, так что её компоненты:

    • Горизонтальная компонента: Fe(hor)=Fe=0.02 НF_{e\text{(hor)}} = F_e = 0.02 \, \text{Н}
    • Вертикальная компонента: Fe(vert)=0 НF_{e\text{(vert)}} = 0 \, \text{Н}, так как электрическая сила действует только по горизонтали.

Этап 3: Равновесие сил

Для того чтобы маятник двигался по конусообразной траектории, вертикальная составляющая силы натяжения нити должна уравновешивать вертикальные силы (в том числе компоненту силы тяжести и вертикальную компоненту силы электрического поля), а горизонтальная составляющая силы натяжения должна уравновешивать горизонтальные силы (горизонтальные компоненты силы тяжести и электрической силы).

  1. Вертикальное равновесие:

    T⋅cos⁡(θ)=Fg+Fe(vert)T \cdot \cos(\theta) = F_g + F_{e\text{(vert)}}

    Подставим значения:

    T⋅cos⁡(30∘)=0.0981+0T \cdot \cos(30^\circ) = 0.0981 + 0 T⋅0.866=0.0981T \cdot 0.866 = 0.0981 T=0.09810.866≈0.113 НT = \frac{0.0981}{0.866} \approx 0.113 \, \text{Н}
  2. Горизонтальное равновесие:

    T⋅sin⁡(θ)=Fg(hor)+FeT \cdot \sin(\theta) = F_{g\text{(hor)}} + F_e

    Подставим значения:

    T⋅sin⁡(30∘)=0.04905+0.02T \cdot \sin(30^\circ) = 0.04905 + 0.02 T⋅0.5=0.06905T \cdot 0.5 = 0.06905 T=0.069050.5=0.1381 НT = \frac{0.06905}{0.5} = 0.1381 \, \text{Н}

Этап 4: Угловая скорость

Для нахождения угловой скорости маятника, необходимо учитывать центростремительное ускорение, которое возникает при движении по круговой траектории. Центростремительная сила равна Fc=T⋅sin⁡(θ)F_c = T \cdot \sin(\theta), и она уравновешивает силы инерции. Из формулы центростремительного ускорения можно найти угловую скорость ω\omega:

Fc=m⋅ω2⋅rF_c = m \cdot \omega^2 \cdot r

где r=l⋅sin⁡(θ)r = l \cdot \sin(\theta) — радиус траектории, по которой движется шарик. Подставим значения:

Fc=0.1381⋅0.5=0.06905 НF_c = 0.1381 \cdot 0.5 = 0.06905 \, \text{Н} r=1⋅sin⁡(30∘)=0.5 мr = 1 \cdot \sin(30^\circ) = 0.5 \, \text{м}

Теперь, подставим в формулу для центростремительной силы:

0.06905=0.01⋅ω2⋅0.50.06905 = 0.01 \cdot \omega^2 \cdot 0.5 ω2=0.069050.01⋅0.5=13.81\omega^2 = \frac{0.06905}{0.01 \cdot 0.5} = 13.81 ω=13.81≈3.72 рад/с\omega = \sqrt{13.81} \approx 3.72 \, \text{рад/с}

Похожие вопросы

Топ вопросов за вчера в категории Физика

Последние заданные вопросы в категории Физика

Задать вопрос