Hai quả cầu kim loại nhỏ giống nhau có khối lượng m = 0,1g được treo vào cùng một điểm bằng hai sợi dây có chiều dài bằng nhau \[\ell \] = 10 cm. Truyền một điện tích q cho hai quả cầu thì thấy chúng tách ra và đứng cân bằng khi dây treo hợp với phương thẳng đứng một góc 15⁰.

a) Tính độ lớn lực tương tác giữa 2 quả cầu.

b) Tính lực căng dây.

c) Tính điện tích Q g = 10 m/s².

a. Khi dây treo nghiêng góc \[\alpha = {30^{0\;}}\]so với phương thẳng đứng, vật M chịu tác dụng của các lực như hình vẽ. Do gia tốc có phương ngang nên \[T{\rm{ }}.{\rm{ }}cos{\rm{ }}{30^0}\; = {\rm{ }}m.g\;\](1)

Mặt khác, xét theo phương hướng tâm MO ta có:

\[T - mg.cos{30^0} = \frac{{m{v^2}}}{\ell }\](2) (Với v là vận tốc của vật tại M)

Từ (1) và (2) suy ra: \[{v^2} = \frac{{g\ell }}{{2\sqrt 3 }}\](3)

Áp dụng ĐLBT cơ năng cho hệ khi vật ở vị trí M và khi vật ở vị trí cân bằng ta được:

\[v_0^2 = {v^2} + 2g\ell (1 - cos{30^0}) = \frac{{12 - 5\sqrt 3 }}{6}g\ell \]\[ \Rightarrow {v_0} = 2,36m/s\]

b. Áp dụng ĐLBT cơ năng cho hệ khi vật ở vị trí \[\alpha = {40^0}\]và khi vật ở vị trí cân bằng ta được:

\[v_0^2 = {v^2} + 2g\ell (1 - cos{40^0})\]\[ \Rightarrow v = \sqrt {v20 - 2g\ell (1 - cos{{40}^0})} \approx 0,94m/s\]

Xét theo phương sợi dây ta có:

\[T{\rm{ }} = {\rm{ }}m.g.cos{40^0}\; + \frac{{m{v^2}}}{\ell } = 0,1.10.c{\rm{os 4}}{{\rm{0}}^0} + \frac{{0,1.0,{{94}^2}}}{1} = 0,86{\mkern 1mu} N\]

Gọi C là điểm gặp nhau, v là vận tốc dòng nước.

Theo đề bài: vận tốc 2 tàu so với dòng nước bằng nhau, ta gọi là V

Vì hai tàu xuất phát cùng lúc và gặp nhau tại C nên \[\;{t_1}\; = {\rm{ }}{t_3}\]\[\] (1)

Sau đó, 2 tàu quay trở lại tổng thời gian tàu A đi là 3 h, tàu B đi là 1,5 h.

\[{t_1}\; + {\rm{ }}{t_2}\; = {\rm{ }}3{\rm{ }}h\]

\[{t_3}\; + {\rm{ }}{t_{4\;}} = {\rm{ }}1,5{\rm{ }}h\]

Thời gian đi của tàu từ A tới C: \[{t_1} = \frac{{AC}}{{V + v}}\]

Thời gian về của tàu từ C tới A: \[{t_2} = \frac{{AC}}{{V - v}}\]

Thời gian tàu đi từ A cả đi lẫn về là: \[{t_1} + {t_2} = 3 \Leftrightarrow \frac{{AC}}{{V + v}} + \frac{{AC}}{{V - v}} = AC\left( {\frac{1}{{V + v}} + \frac{1}{{V - v}}} \right){\mkern 1mu} = 3\] (2)

Thời gian đi của tàu từ B tới C: \[{t_3} = \frac{{BC}}{{V - v}}\]

Thời gian về của tàu từ C tới B: \[{t_4} = \frac{{BC}}{{V + v}}\]

Thời gian tàu đi từ B cả đi lẫn về là:

\[{t_3} + {t_4} = 1,5 \Leftrightarrow \frac{{BC}}{{V - v}} + \frac{{BC}}{{V + v}} = BC\left( {\frac{1}{{V - v}} + \frac{1}{{V + v}}} \right) = 1,5\] (3)

Từ (2), (3) \[ \Rightarrow AC = 2BC \Rightarrow AC = \frac{2}{3}AB\] thay vào (1) được:

Mà thời gian đi của tàu từ A tới C bằng thời gian đi của tàu từ B tới C nên

\[\frac{{AC}}{{V + v}} = \frac{{BC}}{{V - v}} \Rightarrow V = 3v\]

Thay \[AC = \frac{2}{3}AB\] và \[V{\rm{ }} = {\rm{ }}3v\;\]vào (2)

\[\frac{2}{3}AB\left( {\frac{1}{{4v}} + \frac{1}{{2v}}} \right) = 3 \Rightarrow AB = 6v\] (4)

Để thời gian cả đi lẫn về của hai tàu như nhau thì hai tàu gặp nhau ở vị trí C’

\[ \Rightarrow \frac{{AC\prime }}{{V + v}} + \frac{{AC\prime }}{{V - v}} = \frac{{BC\prime }}{{V - v}} + \frac{{BC\prime }}{{V + v}} \Rightarrow AC\prime = BC\prime = \frac{{AB}}{2}\]

Khi xuất phát tàu B xuất phát trước tàu A một khoảng \[{t_0}\], ta có:

\[ \Rightarrow BC\prime \left( {\frac{1}{{V - v}} - \frac{1}{{V + v}}} \right) = {t_0} \Rightarrow \frac{{AB}}{2}\left( {\frac{1}{{2v}} - \frac{1}{{4v}}} \right) = {t_0}\]

Thay (4) vào \[ \Rightarrow {t_0} = \frac{{6v}}{2}.\frac{1}{{4v}} = 0,75{\mkern 1mu} h\]

Vậy tàu A phải xuất phát muộn hơn tàu B là 0,75 h = 45 phút.