Решение: Движение шарика между пластинами
На одну из двух близко расположенных горизонтальных металлических пластин, укреплённых на изолирующих подставках, положили металлический шарик (см. рисунок). Когда пластины подсоединили к клеммам высоковольтного выпрямителя, подав на них заряды разных знаков, шарик пришёл в движение. Опираясь на законы электростатики и механики, опишите и объясните движение шарика.
Решение по шагам
5 шаговМежду пластинами существует электрическое поле, направленное от положительно заряженной пластины к отрицательно заряженной. На металлическом шарике при соприкосновении с пластиной происходит перераспределение зарядов и передача заряда.
Предположим, что шарик первоначально лежит на нижней отрицательно заряженной пластине. После контакта шарик получает отрицательный заряд. Одноимённо заряженная нижняя пластина отталкивает шарик, а верхняя положительно заряженная пластина притягивает его, поэтому шарик движется вверх.
Достигнув верхней пластины, шарик касается её и получает положительный заряд. Теперь верхняя пластина отталкивает шарик, а нижняя отрицательная пластина притягивает его, поэтому шарик начинает двигаться вниз.
При повторном касании нижней пластины шарик снова меняет знак заряда на отрицательный, после чего движение вверх повторяется. Таким образом, шарик совершает периодические перемещения между пластинами, каждый раз меняя знак заряда при контакте с очередной пластиной.
Ускорение шарика определяется равнодействующей электрической силы и силы тяжести: $m\vec{a}=\vec{F}_{\text{эл}}+m\vec{g}$. При движении вверх электрическая сила должна превосходить силу тяжести, а при движении вниз сила тяжести складывается с электрической силой. Сопротивление воздуха и потери энергии при ударах о пластины постепенно уменьшают скорость, но источник поддерживает разность потенциалов и обеспечивает повторное заряжание шарика.
Шарик попеременно касается пластин и движется между ними: после контакта с отрицательной пластиной он заряжается отрицательно, отталкивается от неё и притягивается к положительной; после контакта с положительной заряжается положительно, отталкивается от неё и притягивается к отрицательной. Поэтому шарик совершает периодическое движение между пластинами, а его ускорение определяется электрической силой, силой тяжести и сопротивлением воздуха.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Утверждать, что шарик всё время сохраняет первоначальный заряд.
Считать, что разноимённо заряженные тела отталкиваются.
Не учитывать изменение знака заряда шарика при соприкосновении с пластинами.
Забывать о действии силы тяжести и сопротивления воздуха.