Во сколько раз изменится расстояние, которое пролетит шарик массой 50 г вдоль горизонта если ему сообщить заряд -2·10-5 Кл и поместить во внешнее электрическое поле, линии напряженности которого направлены вертикально вверх, а сама напряженность поля равна 10000 В/м. Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с2.
Для решения данной задачи воспользуемся формулой для определения работы электрического поля:
W=qEdW = qEdW=qEd,
где W - работа электрического поля, q - заряд шарика, E - напряженность электрического поля, d - расстояние, которое пролетит шарик.
Также в данной задаче важно учитывать работу силы тяжести:
Wт=mgdW_{т} = mgdWт =mgd,
где WтW_{т}Wт - работа силы тяжести, m - масса шарика, g - ускорение свободного падения, d - расстояние, которое пролетит шарик.
Таким образом, итоговая работа будет равна сумме работ электрического поля и силы тяжести:
W<em>итог=W</em>э+WтW<em>{\text{итог}} = W</em>{\text{э}} + W_{т}W<em>итог=W</em>э+Wт .
Подставив значения в формулы, получим:
Wэ=qEd=(−2⋅10−5 Кл)(10000 В/м)(d)W_{\text{э}} = qEd = (-2\cdot10^{-5}\ \text{Кл})(10000\ \text{В/м})(d)Wэ =qEd=(−2⋅10−5 Кл)(10000 В/м)(d),
Wт=mgd=(0.05 кг)(10 м/с2)(d)W_{т} = mgd = (0.05\ \text{кг})(10\ \text{м/с}^{2})(d)Wт =mgd=(0.05 кг)(10 м/с2)(d),
Wитог=(−2⋅10−5 Кл)(10000 В/м)(d)+(0.05 кг)(10 м/с2)(d)W_{\text{итог}} = (-2\cdot10^{-5}\ \text{Кл})(10000\ \text{В/м})(d) + (0.05\ \text{кг})(10\ \text{м/с}^{2})(d)Wитог =(−2⋅10−5 Кл)(10000 В/м)(d)+(0.05 кг)(10 м/с2)(d).
Расстояние, которое пролетит шарик, можно найти из закона сохранения энергии:
W<em>итог=W</em>потW<em>{\text{итог}} = W</em>{пот}W<em>итог=W</em>пот,
где WпотW_{пот}Wпот - потенциальная энергия шарика:
mgd=m(v2−u2)2mgd = \frac{m(v^{2} - u^{2})}{2}mgd=2m(v2−u2) ,
где v - скорость шарика после пролета, u - начальная скорость пустьравна0пусть равна 0пустьравна0:
mgd=mv22mgd = \frac{mv^{2}}{2}mgd=2mv2 ,
где v можно выразить через ускорение и расстояние:
v2=u2+2asv^{2} = u^{2} + 2asv2=u2+2as,
v2=0+2asv^{2} = 0 + 2asv2=0+2as,
v=2asv = \sqrt{2as}v=2as ,
mgd=m(2as)2mgd = \frac{m(2as)}{2}mgd=2m(2as) ,
gd=asgd = asgd=as,
d=asgd = \frac{as}{g}d=gas ,
где a - ускорение шарика с учетом воздействия электрического поля:
a=qEma = \frac{qE}{m}a=mqE ,
a=(−2⋅10−5 Кл)(10000 В/м)0.05 кгa = \frac{(-2\cdot10^{-5}\ \text{Кл})(10000\ \text{В/м})}{0.05\ \text{кг}}a=0.05 кг(−2⋅10−5 Кл)(10000 В/м) ,
a=−4000 м/с2a = -4000\ \text{м/с}^{2}a=−4000 м/с2.
Подставляем полученные значения в формулу для нахождения d:
d=(−4000 м/с2)(s)10 м/с2d = \frac{(-4000\ \text{м/с}^{2})(s)}{10\ \text{м/с}^{2}}d=10 м/с2(−4000 м/с2)(s) ,
d=−400sd = -400sd=−400s.
Таким образом, расстояние, которое пролетит шарик, уменьшится в 400 раз под воздействием внешнего электрического поля.