Решение: Движение гильзы между пластинами
Между двумя металлическими близко расположенными вертикальными пластинами, укреплёнными на изолирующих подставках, подвесили на длинной шёлковой нити лёгкую металлическую незаряженную гильзу (см. рисунок). Когда к пластинам приложили постоянное высокое напряжение, гильза пришла в движение. Опираясь на законы электростатики и механики, опишите движение гильзы и объясните его.
Решение по шагам
5 шаговПри подаче напряжения между пластинами возникает электрическое поле. В незаряженной металлической гильзе свободные заряды перераспределяются: на стороне, обращённой к ближайшей пластине, индуцируется заряд противоположного знака, а на дальней стороне — заряд того же знака.
Силы притяжения между разноимёнными зарядами оказываются больше сил отталкивания между одноимёнными зарядами, поскольку расстояние до ближней пластины меньше. Поэтому результирующая электрическая сила направлена к ближайшей пластине. Гильза начинает отклоняться от положения равновесия и движется к пластине.
При соприкосновении с пластиной часть её заряда переходит на гильзу. Гильза приобретает заряд того же знака, что и пластина, поэтому после отрыва от неё отталкивается.
Одновременно заряженная гильза притягивается к противоположной пластине, имеющей заряд противоположного знака, и движется к ней. При касании противоположной пластины гильза получает заряд противоположного знака, после чего снова отталкивается и возвращается к первой пластине.
Таким образом, гильза перемещается от одной пластины к другой, многократно меняя знак заряда при соприкосновениях. Её движение определяется действием электрической силы, силы тяжести и силы натяжения нити. Из-за сопротивления воздуха, потерь энергии при ударах и неупругих деформаций колебания могут затухать; при постоянном источнике напряжения электрическое поле компенсирует часть потерь, поэтому движение может продолжаться.
Гильза сначала поляризуется и притягивается к ближайшей пластине, затем при касании заряжается, отталкивается от неё и притягивается к противоположной пластине. При каждом соприкосновении знак её заряда меняется, поэтому она перемещается между пластинами, совершая электрические колебания.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Утверждать, что незаряженная гильза сразу отталкивается от пластины.
Не объяснить поляризацию металлической гильзы.
Не указать, что при соприкосновении со второй пластиной заряд гильзы меняет знак.
Считать, что постоянное напряжение означает неизменный заряд гильзы.
Не учитывать действие силы тяжести, силы натяжения нити и потерь механической энергии.