Một viên bi khối lượng m, được treo trên dây nhẹ, không dãn, không dẫn điện vào giữa mặt phẳng rộng, thẳng đứng, tích điện đều, mật độ điện mặt σ < 0, đặt trong không khí. Cho viên bi tích điện q < 0 thì dây treo lệch góc α so với phương thẳng đứng. Biểu thức tính q là:
Trả lời:
Đáp án đúng: C
Bài toán này liên quan đến sự cân bằng của một vật tích điện trong điện trường đều do một mặt phẳng rộng vô hạn tích điện gây ra.
Phân tích lực tác dụng lên viên bi:
* Trọng lực P = mg, hướng xuống.
* Lực điện F = qE, nằm ngang (vì q < 0 và σ < 0, nên E hướng sang trái và F hướng sang phải).
* Lực căng dây T.
Vì vật cân bằng nên tổng các lực bằng 0. Ta có thể biểu diễn các lực này trên hình vẽ và thấy rằng:
tgα = F/P = (qE)/mg
Điện trường do mặt phẳng tích điện đều gây ra là: E = |σ|/(2ε₀)
Do đó:
tgα = (q|σ|)/(2ε₀mg)
Suy ra:
q = (2ε₀mg tgα)/|σ|
Vì |σ| = -σ (do σ < 0), ta có q = (2ε₀mg tgα)/(-σ). Tuy nhiên, vì cả q và σ đều âm, ta có thể viết lại biểu thức trên dưới dạng:
q = 2ε₀mg/|σ| * tgα = 2ε₀mg/(-σ) * tgα. Vì q < 0 và σ < 0, biểu thức này có thể được viết lại là q = 2ε₀mg tgα / |σ|
Do đó, đáp án đúng là C. q=2ε₀mg/σ * tgα