Примеры решения задач ⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2
Пример 1. Два одинаковых маленьких шарика имеющих заряды q1 = 10-3 Кл и q2= - 0.3·10-3 Кл, приведены в соприкосновение и затем раздвинуты на расстояние r = 20 см. Найти силу взаимодействия между ними. Решение: После соприкосновения на обоих шариках заряды стали одинаковыми, так как одинакова ёмкость шариков. На основании закона сохранения зарядов заряд каждого из шариков после соприкосновения будет Сила взаимодействия между ними ,
Пример 2. Два одинаковых заряженных шарика массой m, подвешенные на нитях равной длины, опускаются в жидкий диэлектрик, плотность которого ρ1 и диэлектрическая проницаемость ε1. Какова должна быть плотность материала шариков, чтобы углы их расхождения в воздухе и диэлектрике были одинаковы? Дано: m, ρ1, ε1, α. Найти: ρ Решение: До погружения в жидкий диэлектрик, т.е. в воздухе, на каждый шарик (рис.а) действуют сила тяжести , кулоновская сила и сила натяжения нити . При равновесии шариков + + = 0 После погружения в жидкий диэлектрик на каждый шарик (рис. б) действуют сила тяжести , кулоновская сила , выталкивающая (архимедова) сила и сила натяжения нити . При равновесии шариков + + + = 0 Кулоновская сила отталкивания шариков в воздухе (из треугольника на рис а) Fк=mgtgα, (1) в диэлектрике – Fк1=(mg- FА)∙tgα, (2) (учли выталкивающую силу). В диэлектрике кулоновская сила уменьшается в ε1 раз, так что (3) Тогда (4) Поделив (4) на (1), получим (5) По закону Архимеда FA= ρ1Vg, где ρ1 – плотность жидкого диэлектрика; V – объём шарика; g- ускорение свободного падения. Масса шарика m=ρV, где ρ– плотность материала шарика. Подставив эти выражения в формулу (5), получим , Откуда искомая плотность материала шарика . Ответ: Пример 3. Три точечных отрицательных заряда Q=-3нКл каждый находятся в вершинах равностороннего треугольника. Определите, какой заряд Q0 следует поместить в центре треугольника, чтобы система находилась в равновесии. Дано: α=60º, Q=-3нКл=-3∙10-9Кл. Найти: Q0 Решение: Рассмотрим силы, действующие на заряд Q в одной из вершин треугольника (см.рисунок) со стороны зарядов Q, находящихся в двух других вершинах треугольника: и (1) эти силы равны (F1=F2) и направлены под углом α=60º друг от друга. Чтобы рассматриваемый заряд Q находился в равновесии, в центр треугольника следует поместить положительный заряд Q0, действующий на заряд Q. Условие равновесия рассматриваемого заряда Q имеет вид: + + =0 откуда следует (при условии F1=F2), что Или, учитывая выражение (1), Поскольку , можно записать . Учитывая, что (см.рисунок), получаем Откуда искомый заряд Поскольку система находится в равновесии, заряды, находящиеся в двух других вершинах треугольника, будут также в равновесии. На заряд Q0, помещённый в центр треугольника, действуют три одинаковых силы, направленных под углом 2α (см. рисунок) и равные по величине. Равнодействующая этих трёх сил равна нулю, поэтому заряд Q0 также будет находиться в равновесии. Ответ: Q0=1,73нКл.
Пример 4. Расстояние ℓ между двумя точечными зарядами Q1=2нКл и Q2=-3нКл, расположенными в вакууме, равно 20см. Определите напряжённость Е в точке А, удалённой от первого заряда на расстояние r1=15см и от второго заряда на r2=10см. Дано: ℓ=20см=0,2м, Q1=2нКл=2∙10-9Кл, Q2=-3нКл=-3∙10-9Кл; r1=15см=0,15м, r2=10см=0,1м Найти: Е. Решение. Согласно принципу суперпозиции,
(направления векторов показаны на рисунке). Напряжённости электрического поля, создаваемые в вакууме зарядами Q1 и Q2, (1) Модуль вектора находится по теореме косинусов: (2) где Подставив (1) в формулу (2), найдём искомую напряжённость в точке А: Ответ: Е=3кВ/м
Пример 5. Тонкое проволочное кольцо радиусом R=4см равномерно заряжено с линейной плотностью τ = 1нКл/м. Определите напряжённость Е электростатического поля в вакууме на оси, проходящей через центр кольца, в точке, удалённой на расстояние r=6см от центра кольца. Дано: τ = 1нКл/м=1∙10-9Кл/м; R=4см=4∙10-2м; r = 6см = 6∙10-2м Найти: Е. Решение. Разобьём кольцо на бесконечно малые элементы dℓ. Заряд такого элемента dQ= τ∙dℓ и этот элемент создаёт в рассматриваемой точке электростатическое поле напряженностью , где τ – линейная плотность заряда; а – расстояние от элемента dℓ кольца до точки А, где следует определить напряжённость поля. Вектор направлен вдоль линии а. Для определения напряжённости электростатического поля в данной точке А следует геометрически сложить от всех элементов кольца. Вектор разложим на два компонента: и (см.рисунок). Геометрическая сумма всех будет равна нулю ( от каждых двух диаметрально противоположных элементов кольца равна и противонаправлены). Тогда (учли, что ). Вектор направлен вдоль оси кольца, как показано на рисунке. Ответ: Е=136В/м Пример 6. Электростатическое поле создаётся в вакууме бесконечной равномерно заряженной плоскостью с поверхностной плотностью σ=1мкКл/м2. На некотором расстоянии от плоскости находится плоская круглая площадка радиусом r=10см. Определите поток вектора напряжённости сквозь эту площадку, если её плоскость составляет с линиями напряжённости угол β=30º. Дано: σ=1мкКл/м2=1∙10-6Кл/м2; r=10см=1∙10-2м; β=30º. Найти: ФЕ. Решение. Поле, создаваемое бесконечной равномерно заряженной плоскостью, однородно, и напряжённость электростатического поля (1) где σ – поверхностная плотность заряда; ε0- электрическая постоянная. Поток вектора напряжённости , где En=Ecosα (см.рисунок) – проекция вектора на нормаль к поверхности площадки dS. Интегрирование производится по всей поверхности площадки, которую пронизывают линии напряжённости. Следовательно, поток сквозь площадку ФЕ=EScosα (2) Из рисунка следует, что . Тогда формула (2) запишется в виде ФЕ=ESsinβ (3) Подставив в формулу (3) выражение (1) и учитывая, что S=πr2, получим искомый поток вектора напряжённости Ответ: ФЕ=887 В∙м
Пример 7. Электростатическое поле создаётся шаром радиусом R, равномерно заряженным с объёмной плотностью ρ. Определите напряжённость Е электростатического поля в вакууме: 1) на расстоянии r >R от центра шара; 2) на расстоянии r' <R от центра шара. Постойте график зависимости Е(r). Дано: R; ρ; 1) r >R; 2) r' <R Найти: Е; E(r). Решение. Поскольку заряд равномерно распределён по шару, поле является центрально-симметричным, т.е. направление вектора в любой точке проходит через центр шара (рис.а), а напряжённость есть функция расстояния r от центра шара. При такой конфигурации поля в качестве произвольной замкнутой поверхности следует выбирать концентрическую сферу. Для всех точек этой поверхности En=E(r)=const. Согласно теореме Гаусса для поля в вакууме, поток вектора напряжённости электростатического поля где Q – общий заряд, охватываемый произвольной поверхностью S. 1) r >R. В качестве замкнутой поверхности постоим сферу радиусом r (см. рис.а), имеющую общий центр с заряженным шаром. В данном случае внутрь поверхности попадает весь заряд, создающий рассматриваемое поле, и, по теореме Гаусса, , где Q – общий заряд шара в объёме V ( ), откуда искомая напряжённость (r ≥ R) 2) r' < R. В качестве замкнутой поверхности мысленно построим сферу радиусом r' (см. рис. а). Эта сфера охватывает заряд Поэтому, согласно теореме Гаусса, , откуда искомая напряжённость
(r' ≤ R). График зависимости Е(r) представлен на рис.б. Внутри равномерно заряженного шара напряжённость линейно растёт с увеличением расстояния r' от его центра, вне шара напряжённость изменяется по закону . Если r=R (r' =R ), то . Ответ: 1) (r ≥ R); 2) (r' ≤ R). . ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|