Решение до правки #22236 от , автор igor. Это не текущая версия.

Условие

7.1.8. Пылинка массы кг падает между вертикальными пластинами плоского конденсатора на одинаковом расстоянии от них. Из-за сопротивления воздуха скорость пылинки постоянна и равна мм/с. Конденсатор подключают к источнику напряжения В, и через с пылинка достигает одной из пластин. Определите заряд пылинки. Расстояние между пластинами конденсатора 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:

На пылинку действует сонаправленная с полем сила Кулона, причем эта сила постоянна:

Казалось бы, имеем простое равноускоренное приближение к пластинке конденсатора, но вспомним о сопротивлении воздуха и добавим его в уравнение движения.

Пусть (считая ось сонаправленной полю, - ускорению свободного падения ). Тогда уравенния закона Ньютона по осям

Зная граничные условия (, ) нетрудно решить второй дифур, получив из первого уравнения:

Расчет интегралов чисто технический, поэтому оставлю его вам. Должно получится:

Из чего нетрудно выразить заряд:

В этой конкретной задаче чтобы не запутаться лучше разбить выражения на действия, и получить что то такое (размерности не указываю для экономии места):

Это очень большое число, значит, можно считать что

Кл

  • так как мы не знаем, как было подключено напряжение и к какой пластине полетел заряд, возможно определить только его модуль, но не знак
  • У Савченко ошибка/опечатка в ответе
  • можно показать, что для получения такого ответа достаточно сразу пренебречь сопротивлением воздуха и считать движение равноускоренным. Но учитывая постановку задачи это требует аккуратного обоснования и оценки. Тут погрешность наших приближений составит (вычислено с помощью Wolfram, обычный калькулятор может и не справиться)

Альтернативное решение

Сразу после включения поля () второй закон Ньютона по оси поля

где есть напряженность поля, есть коэффициент пропорциональности силы сопротивления.

Найдем производную для упрощения описания процесса:

Опишем по функцию (ускорение по оси поля). При по имеем . По производная отрицательна после начала и пропорциональна значению самой функции, то есть спад замедляется у функции и она стремится к нулю.

Уравнение называется линейным, оно описывает переход величины от начального значения () к некоторому установившемуся (). Если выделить саму функцию из

то коэффициент размерности времени перед производной по порядку величины дает время установления значения функции.

Таким образом, через время порядка ускорение станет ноль и движение тела станет равномерным по оси поля. Оказывается, что у нас время обнуления ускорения много меньше времени движения по оси поля:

Это значит, что мы можем считать движение по оси поля почти сразу равномерным со скоростью .

Поэтому можем считать, что сразу выполняется равенство силы поля и сопротивления по оси поля. Сразу по оси поля скорость тела , поэтому уравнение сил

с учетом движения без поля дает

Кл

Ответ

Кл