Номер 48.14, страница 175 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 48. Электрическое поле. Глава 7. Электрические явления - номер 48.14, страница 175.

48.14 [1206] Если маленький кусочек ваты, подвешенный на нити, поднести к одному из заряженных шариков электрической машины, то кусочек ваты будет совершать колебательные движения (рис. VII-19). Объясните это явление. (Колебательные движения ватка будет совершать и без нити.)

Рис. VII-19

Решение

Описанное явление, известное как электростатический маятник, объясняется последовательным действием законов электростатики. Колебания ваты между шариками электрической машины — это циклический процесс, состоящий из притяжения, перезарядки и отталкивания. Для понимания рассмотрим его поэтапно.

Вначале кусочек ваты электрически нейтрален. Когда его подносят к одному из заряженных шариков (допустим, заряженному положительно), в вате происходит явление электростатической индукции. Электрическое поле шарика заставляет связанные заряды в диэлектрике (вате) перераспределиться: отрицательные заряды смещаются ближе к шарику, а положительные — дальше от него. В результате сторона ваты, обращённая к шарику, приобретает эффективный отрицательный заряд, а противоположная — положительный. Сила притяжения между положительным шариком и индуцированным отрицательным зарядом на ближней стороне ваты оказывается сильнее силы отталкивания от индуцированного положительного заряда на дальней стороне. Это происходит потому, что кулоновские силы убывают с расстоянием. Таким образом, на вату начинает действовать результирующая сила притяжения.

Под действием этой силы вата притягивается к шарику и касается его. В момент контакта происходит передача заряда. Часть заряда с шарика переходит на вату, в результате чего вата приобретает заряд того же знака, что и шарик (в нашем примере — положительный).

Сразу после перезарядки ситуация меняется кардинально. Теперь и шарик, и вата заряжены одноимённо. Согласно закону Кулона, тела с одноимёнными зарядами отталкиваются. Сила электростатического отталкивания, определяемая по формуле $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$, становится доминирующей и отбрасывает лёгкий кусочек ваты от шарика.

Оттолкнувшись, вата на нити движется по траектории маятника. Если рядом находится второй шарик электрической машины, который обычно заряжен противоположно (в нашем случае — отрицательно) или заземлён, то положительно заряженная вата будет притягиваться к нему. Достигнув второго шарика, она коснётся его, и произойдёт обратный процесс перезарядки: вата либо нейтрализуется, либо приобретёт отрицательный заряд. После этого она будет отталкиваться от второго шарика и снова притягиваться к первому. Цикл замыкается, и вата совершает непрерывные колебания между двумя шариками, перенося порции заряда от одного к другому.

Примечание в условии задачи о том, что колебания возможны и без нити, относится к демонстрации, где лёгкий шарик или кусочек фольги помещается между двумя пластинами или шарами. Силы действуют так же, заставляя его прыгать от одного электрода к другому.

Ответ: Колебания кусочка ваты вызваны циклическим процессом: сначала нейтральная вата притягивается к заряженному шарику из-за электростатической индукции, при контакте получает от него одноимённый заряд, затем отталкивается от него и притягивается к другому шарику (имеющему противоположный заряд или нейтральному), где процесс повторяется в обратном порядке, что и создаёт непрерывное колебательное движение.