Задача по механике №175

По гладкой горизонтальной направляющей длины 2l  скользит бусинка с положительным зарядом Q >0  » class=»math» src=»/images/fizika/quest-1309-2.svg» width=»auto»> и массой <img decoding= На концах направляющей находятся положительные заряды q > 0  » class=»math» src=»/images/fizika/quest-1309-4.svg» width=»auto»> (см. рис.). Бусинка совершает малые колебания относительно положения равновесия, период которых равен <img decoding= Чему будет равен период колебаний бусинки, если ее заряд увеличить в 2 раза? Какие законы вы использовали для решения задачи? Обоснуйте их применение.

PIC

Обоснование

1. Рассмотрим задачу в системе отсчёта, связанной с Землей. Будем считать эту систему отсчёта инерциальной (ИСО). Так как заряды точечные, будем считать их материальными точками.

2. Применим второй закон Ньютона, записывать его будем относительно ИСО.

3. Так как горизонтальная направляющая гладкая, то сила трения отсутствует, значит, её работа равняется нулю. При этом единственной не потенциальной силой, действующей на бусинку будет сила реакции опоры, но так как в любой точке она перпендикулярна вектору перемещения, её работа равняется нулю. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что полная энергия бусинки не изменяется, следовательно колебания будут гармоническими.

4. Взаимодействие между зарядами будем описывать используя закон Кулона.

Решение

PIC

При небольшом смещении x  (|x|<< l  ) бусинки от положения равновесия на нее действует возвращающая сила:

                                         2       2 Fx = F1− F2 = k-qQ-2 − k-qQ--2 = kqQ(l−-x)-−2 (l+-x2)               (l+x)     (l− x)        (l+ x)(l− x)

пропорциональная смещению x  . Раскроем скобки в числителе и знаменателе

        l2−-2lx+-x2−-l2−-2lx−-x2 Fx = kqQ   (l2 − lx+ lx− x2)2

Так как |x|<< l  , то x2  по сравнению с l  можно пренебречь в знаменателе можно пренебречь

         2       2   2       2 Fx = kqQ l-−-2lx+-x-−4l-−-2lx−-x- ≈ −k4qQ3 x                   l                 l

Ускорение бусинки, в соответствии со вторым законом Ньютона,

m ⃗a= F⃗k  max = −k4qQ3-x⇒ ax =− k4qQ3x                   l            ml

Используя уравнение гармонических колебаний, получим

a +ω2x = 0⇔ − k4qQx +ω2x = 0                ml3

Тогда циклическая частота колебаний

    ∘ -4qQ-- ω =   kml3x

Откуда период колебаний будет равен

     ∘ ------ T = π  -m-l3        kqQ

При увеличении заряда бусинки в 2 раза, период колебаний уменьшается в √-  2  раз.

Оцените статью
Я решу все!