сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 3889
i

(«Се­реб­ро и зо­ло­то») Три оди­на­ко­вых се­реб­ря­ных шара раз­ме­сти­ли на изо­ли­ру­ю­щих под­став­ках таким об­ра­зом, что их цен­тры об­ра­зо­вы­ва­ли пра­виль­ный тре­уголь­ник, со­еди­ни­ли тон­ки­ми изо­ли­ро­ван­ны­ми про­во­да­ми и за­ря­ди­ли от ис­точ­ни­ка по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния. Потом их ак­ку­рат­но разъ­еди­ни­ли, убра­ли про­во­да и раз­нес­ли на рас­сто­я­ния, зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ю­щие их диа­метр. Не­боль­шим зо­ло­тым ша­ри­ком на изо­ли­ру­ю­щей ручке по оче­ре­ди кос­ну­лись на не­ко­то­рое время каж­до­го из трех шаров. После этого на зо­ло­том ша­ри­ке, ко­то­рый до пер­во­го ка­са­ния не был за­ря­жен, ока­зал­ся заряд q  =  15,5 мкКл, а на том се­реб­ря­ном шаре, ко­то­ро­го кос­ну­лись тре­тьим  — заряд Q3  =  62 мкКл. Какие за­ря­ды оста­лись на двух дру­гих се­реб­ря­ных ша­ри­ках?

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

В силу сим­мет­рии схемы за­ряд­ки оче­вид­но, что все три се­реб­ря­ных шара по­лу­чат оди­на­ко­вый заряд. Обо­зна­чим его Q. Так как шары раз­нес­ли на боль­шое рас­сто­я­ние, то вли­я­ни­ем двух уда­лен­ных шаров на рас­пре­де­ле­ние за­ря­да между се­реб­ря­ным шаром и зо­ло­тым ша­ри­ком при кон­так­те можно пре­не­бречь. Тогда во всех трех слу­ча­ях сум­мар­ный заряд се­реб­ря­но­го шара и зо­ло­то­го ша­ри­ка рас­пре­де­ля­ет­ся между ними в одном и том же от­но­ше­нии.

Пусть α  — доля об­ще­го за­ря­да, ока­зы­ва­ю­ща­я­ся у зо­ло­то­го ша­ри­ка. С уче­том этого за­пи­шем за­ря­ды шаров после каж­до­го со­при­кос­но­ве­ния. После пер­во­го: q_1= альфа умно­жить на Q и Q_1= левая круг­лая скоб­ка 1 минус альфа пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q. Далее заряд пер­во­го се­реб­ря­но­го шара не из­ме­ня­ет­ся, а сум­мар­ный заряд зо­ло­то­го ша­ри­ка и вто­ро­го се­реб­ря­но­го шара равен  левая круг­лая скоб­ка 1 плюс альфа пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q. По­это­му после вто­ро­го ка­са­ния: q_2= альфа левая круг­лая скоб­ка 1 плюс альфа пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q и

Q_2= левая круг­лая скоб­ка 1 минус альфа пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка 1 плюс альфа пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q= левая круг­лая скоб­ка 1 минус альфа в квад­ра­те пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q.

Далее заряд вто­ро­го се­реб­ря­но­го шара не из­ме­ня­ет­ся. На­ко­нец, после тре­тье­го ка­са­ния (перед ним сум­мар­ный заряд зо­ло­то­го ша­ри­ка и тре­тье­го се­реб­ря­но­го шара равен

 левая круг­лая скоб­ка 1 плюс альфа плюс альфа в квад­ра­те пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q пра­вая круг­лая скоб­ка : q_3= альфа левая круг­лая скоб­ка 1 плюс альфа плюс альфа в квад­ра­те пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q \equiv q

и

Q_3= левая круг­лая скоб­ка 1 минус альфа пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка 1 плюс альфа плюс альфа в квад­ра­те пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q= левая круг­лая скоб­ка 1 минус альфа в кубе пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q.

Как видно из этих вы­ра­же­ний,

 дробь: чис­ли­тель: q, зна­ме­на­тель: Q_3 конец дроби = дробь: чис­ли­тель: альфа , зна­ме­на­тель: 1 минус альфа конец дроби \Rightarrow альфа = дробь: чис­ли­тель: q, зна­ме­на­тель: Q_3 плюс q конец дроби =0,2.

Ясно, что к этому вы­во­ду можно было прий­ти и сразу после того, как мы до­го­во­ри­лись об опре­де­ле­нии α. Но при на­ли­чии всех фор­мул мы можем ре­шить за­да­чу в общем виде. В самом деле, те­перь мы можем найти на­чаль­ный заряд се­реб­ря­ных шаров

Q= дробь: чис­ли­тель: Q_3, зна­ме­на­тель: 1 минус альфа в кубе конец дроби = дробь: чис­ли­тель: левая круг­лая скоб­ка Q_3 плюс q пра­вая круг­лая скоб­ка в кубе , зна­ме­на­тель: Q_3 в квад­ра­те плюс 3 q Q_3 плюс 3 q в квад­ра­те конец дроби =62,5 мкКл.

Со­от­вет­ствен­но за­ря­ды, остав­ши­е­ся на се­реб­ря­ных шарах,

Q_1= левая круг­лая скоб­ка 1 минус альфа пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q= дробь: чис­ли­тель: Q_3 левая круг­лая скоб­ка Q_3 плюс q пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: Q_3 в квад­ра­те плюс 3 q Q_3 плюс 3 q в квад­ра­те конец дроби =50 мкКл

и

Q_2= левая круг­лая скоб­ка 1 минус альфа в квад­ра­те пра­вая круг­лая скоб­ка умно­жить на Q= дробь: чис­ли­тель: Q_3 левая круг­лая скоб­ка Q_3 плюс q пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка Q_3 плюс 2 q пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: Q_3 в квад­ра­те плюс 3 q Q_3 плюс 3 q в квад­ра­те конец дроби =60 мкКл.

 

Ответ: на двух дру­гих се­реб­ря­ных ша­ри­ках оста­лись за­ря­ды

Q_1= дробь: чис­ли­тель: Q_3 левая круг­лая скоб­ка Q_3 плюс q пра­вая круг­лая скоб­ка в квад­ра­те , зна­ме­на­тель: Q_3 в квад­ра­те плюс 3 q Q_3 плюс 3 q в квад­ра­те конец дроби =50 мкКл,

Q_2= дробь: чис­ли­тель: Q_3 левая круг­лая скоб­ка Q_3 плюс q пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка Q_3 плюс 2 q пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: Q_3 в квад­ра­те плюс 3 q Q_3 плюс 3 q в квад­ра­те конец дроби =60 мкКл.

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Дей­ствия Макс.

балл

Объ­яс­не­но, что три се­реб­ря­ных шара в ре­зуль­та­те за­ряд­ки при­об­ре­ли оди­на­ко­вые за­ря­ды2
Пра­виль­но ис­поль­зу­ет­ся в ре­ше­нии боль­шая ве­ли­чи­на рас­сто­я­ния между ша­ра­ми после раз­не­се­ния2
Объ­яс­не­но, что в усло­ви­ях за­да­чи сум­мар­ный заряд се­реб­ря­но­го шара и зо­ло­то­го ша­ри­ка рас­пре­де­ля­ет­ся между ними в одном и том же от­но­ше­нии при всех ка­са­ни­ях4
Пра­виль­но най­де­на ве­ли­чи­на  альфа = 0,24*
Пра­виль­но най­де­на ве­ли­чи­на  Q_1 = 50 мкКл3*
Пра­виль­но най­де­на ве­ли­чи­на  Q_2 = 60 мкКл3*
ВСЕГО18

 

*До­пус­ка­ет­ся ре­ше­ние «в чис­лах», без по­лу­че­ния фор­мул в общем виде. В этом слу­чае от мак­си­маль­ной оцен­ки за­да­чи от­ни­ма­ет­ся 1 балл (оцен­ка при пра­виль­ном обос­но­ван­ном ре­ше­нии и пра­виль­ных от­ве­тах 17 бал­лов). При по­лу­че­нии пра­виль­ных фор­мул и не­пра­виль­ных чис­лен­ных от­ве­тах от­ни­ма­ет­ся по 1 баллу за каж­дый не­пра­виль­ный ответ.

Классификатор: Элек­тро­ди­на­ми­ка. Закон Ку­ло­на