Logo
Logo

Разлёт трёх шариков

Найдите суммарную кинетическую энергию шариков после разлета их на большое расстояние.

После разлета на большие расстояния суммарная кинетическая энергия шариков будет равна начальной энергии электростатического взаимодействия зарядов:
$$
W=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}}\left(\frac{q^{2}}{l}+\frac{2 q^{2}}{l}+\frac{2 q^{2}}{2 l}\right)=\frac{q^{2}}{\pi \varepsilon_{0} l}.
$$

Ответ: $$
W=\frac{q^{2}}{\pi \varepsilon_{0} l}.
$$
Найдите скорости шариков, когда они находятся на большом удалении друг от друга.

Для ответа на второй вопрос найдем ускорения шариков сразу после того, как их отпустили:
$$
m a_{1}=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}}\left(\frac{q^{2}}{l^{2}}+\frac{2 q^{2}}{4 l^{2}}\right)=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{3 q^{2}}{2 l^{2}}, \text { т. е. } a_{1}=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{3 q^2}{2 l^2 m}.
$$
Аналогично
$$
a_{2}=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{q^{2}}{2 l^{2} m}, a_{3}=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{q^{2}}{2 l^{2} m}.
$$

Видно, что крайние шарики начали двигаться относительно среднего в разные стороны с одинаковым ускорением (см. рисунок выше)
$$
a=a_{1}-a_{2}=a_{3}-a_{2}=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{q^{2}}{l^{2} m},
$$
следовательно, расстояния от каждого из них до среднего шарика будут все время одинаковыми. Отношение скоростей шариков будет таким же, как отношения их ускорений:
$$
v_{1}: v_{2}: v_{3}=3: 1: 1.
$$
Запишем закон сохранения энергии
$$
\frac{m(3 v)^{2}}{2}+\frac{2 m v^{2}}{2}+\frac{5 m v^{2}}{2}=\frac{q^{2}}{\pi \varepsilon_{0} l}.
$$
Отсюда
$$
v=\sqrt{\frac{q^{2}}{8 \pi \varepsilon_{0} m l}}
$$
и соответственно
$$
v_{1}=3 \sqrt{\frac{q^{2}}{8 \pi \varepsilon_{0} m l}}, v_{2}=v_{3}=\sqrt{\frac{q^{2}}{8 \pi \varepsilon_{0} m l}}.
$$

Ответ: $$
v_{1}=3 \sqrt{\frac{q^{2}}{8 \pi \varepsilon_{0} m l}}.
$$
$$
v_{2}=v_{3}=\sqrt{\frac{q^{2}}{8 \pi \varepsilon_{0} m l}}.
$$