По гладкой горизонтальной направляющей длины скользит бусинка с положительным зарядом
На концах направляющей находятся положительные заряды
Чему будет равен период колебаний бусинки, если ее заряд увеличить в 2 раза? Какие законы вы использовали для решения задачи? Обоснуйте их применение.
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
При небольшом смещении (
) бусинки от положения равновесия на нее действует возвращающая сила:
пропорциональная смещению . Раскроем скобки в числителе и знаменателе
Так как , то
по сравнению с
можно пренебречь в знаменателе можно пренебречь
Ускорение бусинки, в соответствии со вторым законом Ньютона,
Используя уравнение гармонических колебаний, получим
Тогда циклическая частота колебаний
Откуда период колебаний будет равен
При увеличении заряда бусинки в 2 раза, период колебаний уменьшается в раз.