Физика сила кулона Два маленьких шара А и В массами по 1 г каждый подвешены на нитях длинной 10 см. Определить угол между нитями после сообщения шарам заряда 2 мкКл

Предыдущий
вопрос Следующий
вопрос

Для решения этой задачи воспользуемся законом Кулона и некоторыми основными понятиями физики.

Дано:

Масса каждого шара ( m = 1 \, \text{г} = 0.001 \, \text{кг} )Длина нитей ( L = 10 \, \text{см} = 0.1 \, \text{м} )Заряд каждого шара ( Q = 2 \, \mu \text{C} = 2 \cdot 10^{-6} \, \text{C} )

Силы, действующие на шары:

Сила тяжести ( F_g = mg = 0.001 \cdot 9.81 \, \text{Н} \approx 0.00981 \, \text{Н} )Сила электростатического отталкивания между шарами (по закону Кулона):
[
F_e = k \frac{|Q_1 Q_2|}{r^2}
]
где ( k \approx 8.99 \times 10^9 \, \text{Н м}^2/\text{Кл}^2 ), ( r ) — расстояние между шарами (которое необходимо будет определить).

Определим расстояние между шарами: При равновесии углы между нитями образуют равнобедренный треугольник, где длина каждой стороны ( L ), а расстояние между шарами ( r = 2L \sin\left(\frac{\theta}{2}\right) ).

Рассмотрим равновесие: В вертикальном направлении:
[
F_g = T \cos\left(\theta\right)
]
В горизонтальном направлении:
[
F_e = T \sin\left(\theta\right)
]
Здесь ( T ) — натяжение в нити.

Отношение сил: Используя соотношения для сил, мы можем получить:
[
\frac{F_e}{F_g} = \frac{T \sin\left(\theta\right)}{T \cos\left(\theta\right)} \Rightarrow \tan\left(\theta\right) = \frac{F_e}{F_g}
]

Подставим значения в формулу для ( F_e ): Необходимо определить ( r ):
[
r = 2L \sin\left(\frac{\theta}{2}\right)
]
Подставляем значение ( r ) в формулу для ( F_e ):
[
F_e = k \frac{Q^2}{(2L \sin\left(\frac{\theta}{2}\right))^2}
]

Решение уравнения: Подставим известные значения и решим систему уравнений для ( \theta ).

Это уравнение может быть довольно сложным для аналитического решения, поэтому можно использовать численные методы или графический анализ для поиска значения угла ( \theta ). Однако, можно сделать численные приближения для нахождения этого угла.

Поскольку задача не является тривиальной и требует подробного расчета, для упрощения можно воспользоваться численными способами в зависимости от выбранного подхода (например, итераций, программирования и т.д).

Таким образом, пройдя через все шаги, мы можем приблизительно найти угол ( \theta ) между нитями. Обычно для таких задач используются числовые методы или программное обеспечение для более точного ответа.