7.1.8. Пылинка массы $10^{−12 }$ кг падает между вертикальными пластинами плоского конденсатора на одинаковом расстоянии от них. Из-за сопротивления воздуха скорость пылинки постоянна и равна $1$ мм/с. Конденсатор подключают к источнику напряжения $U=490$ В, и через $t_1=10$ с пылинка достигает одной из пластин. Определите заряд пылинки. Расстояние между пластинами конденсатора $d=0,1$ м. Силу сопротивления считать пропорциональной скорости пылинки.
Решение
Нам интересен только тот факт, что пылинка движется в однородном поле, перпендикулярном ускорению свободного падения. Найдем это поле: $$E=\frac{U}{d}$$ На пылинку действует сонаправленная с полем сила Лоренца, причем эта сила постоянна: $$F_L=qE$$ Казалось бы, имеем простое равноускоренное приближение к пластинке конденсатора, но вспомним о сопротивлении воздуха и добавим его в уравнение движения.
Пусть $F_d=\beta v_x \$ (считая ось $x$ сонаправленной полю, $y$ - ускорению свободного падения ). Тогда уравенния $II$ закона Ньютона по осям $$mg-\beta v_y=0$$ $$m\frac{dv_x}{dt}=qE-\beta v_x$$ Зная граничные условия ($x(0)=0$,$x(t_1)=\frac{d}{2}$) нетрудно решить второй дифур, получив $\beta$ из первого уравнения: $$m\int_0^{v_x} \frac{dv_x}{qE-\beta v_x}=\int_0^t dt$$ $$\int_0^{d/2}dx=\frac{d}{2}=\int_0^{t_1}v_xdt$$ Расчет интегралов чисто технический, поэтому оставлю его вам. Должно получится: $$\beta=\frac{mg}{v_y}$$ $$v_x(t)=\frac{Eq}{\beta}\left(1- e^{-\beta /mt} \right)$$ $$\frac{d}{2}=\frac{Eq}{\beta}\left(t_1+\frac{m}{\beta}e^{-\beta t_1} -\frac{m}{\beta} \right)$$
Из чего нетрудно выразить заряд: $$q=\frac{m}{2U}\left(\frac{gd}{v_y}\right)^2\left(\frac{g}{v_y}t_1+e^{-\frac{g}{v_y}t_1}-1\right)^{-1}$$ В этой конкретной задаче чтобы не запутаться лучше разбить выражения на действия, и получить что то такое (размерности не указываю для экономии места): $$\frac{g}{v_y}t_1 = 9.8 \cdot 10^{4}=a$$ значит, можно считать что $$\frac{g}{v_y}t_1+e^{-\frac{g}{v_y}t_1}-1 \approx\frac{g}{v_y}t_1-1\approx a$$ $$\frac{m}{2U} \approx \frac{10^{-14}}{9.8}$$ $$\left(\frac{gd}{v_y}\right)^2=10^{4}\cdot 9.8^2=9.8 \cdot a$$ $$q=10^{−14} \ \text{Кл}$$ $No:$
так как мы не знаем, как было подключено напряжение и к какой пластине полетел заряд, возможно определить только его модуль, но не знак