根据题意大致可以估计:OC在OA和OB的中垂线上.而ab两个小球受到的电场力一定为斥力!即OC一定在竖直方向上,OA、OB各在一侧. 解法如下: 由于Oc沿竖直方向,而c受重力及绳拉力 …
静电平衡下的悬挂小球系统
如图,三个小球a、b、c分别用三根绝缘细线悬挂在同一点O,这是一个典型的静电学与静力学相结合的问题场景。三个小球通常被假设为质量相等、带同种等量电荷的导体球。由于绝缘细线的存在,电荷不会通过悬挂点流失。当系统处于静止平衡状态时,每个小球都受到三个主要力的作用:竖直向下的重力、沿细线指向悬挂点O的拉力,以及来自另外两个小球的静电排斥力。这三个力的合力为零,使得小球们稳定在空间中的特定位置。
受力分析与几何对称
在理想条件下,若三个小球完全相同且带电量相等,系统将呈现出高度的对称性。由于同种电荷相互排斥,三个小球会彼此远离,最终稳定在一个对称的几何构型中。最常见的稳定状态是,三根细线在空间中以点O为顶点,构成一个对称的三棱锥形状。从正上方俯视,三个小球的投影位于一个正三角形的三个顶点上,且点O的投影位于该正三角形的中心。这种对称性使得任意一个小球所受另外两个小球的库仑斥力,其合力方向必然位于水平面内,并指向远离系统中心的方向,从而与细线拉力的水平分力平衡。
通过对此系统进行受力分析,可以建立重力、拉力和库仑力之间的数学关系。重力与拉力在竖直方向的分量平衡,而库仑斥力的合力则与拉力在水平方向的分量平衡。利用几何关系(如细线与竖直方向的夹角、小球间的距离)和库仑定律公式,可以推导出小球电荷量、质量、绳长与最终平衡夹角之间的定量关系。这个模型生动地展示了多体力学平衡与静电相互作用的结合,是物理学中一个经典的教学范例。
