Номер 4, страница 169 - гдз по физике 9 класс учебник Исаченкова, Сокольский

4. Как нужно изменить расстояние между электрически заряженными шариками (уменьшить или увеличить его), чтобы потенциальная энергия системы возросла? Ответьте на этот вопрос для каждой системы (рис. 253, а, б, в).

Рис. 253

Для решения задачи воспользуемся формулой потенциальной энергии взаимодействия двух точечных зарядов $q_1$ и $q_2$, находящихся на расстоянии $r$ друг от друга:

$W_p = k \frac{q_1 q_2}{r}$

где $k$ — постоянный коэффициент. Потенциальная энергия системы возрастает, когда внешние силы совершают положительную работу против сил электростатического взаимодействия (кулоновских сил). Это означает, что для увеличения потенциальной энергии необходимо перемещать заряды в направлении, противоположном действию кулоновских сил.

а) В данной системе взаимодействуют разноименные заряды (положительный и отрицательный). Между ними действуют силы притяжения. Произведение зарядов $q_1 q_2$ отрицательно, следовательно, потенциальная энергия системы также отрицательна: $W_p < 0$. Чтобы увеличить потенциальную энергию (то есть сделать ее менее отрицательной, приближая к нулю), необходимо увеличить знаменатель дроби, то есть увеличить расстояние $r$ между зарядами. Также можно рассуждать с точки зрения работы: чтобы увеличить потенциальную энергию, нужно совершить работу против сил притяжения, то есть раздвинуть заряды на большее расстояние.
Ответ: необходимо увеличить расстояние между шариками.

б) В данной системе взаимодействуют одноименные заряды (оба положительные). Между ними действуют силы отталкивания. Произведение зарядов $q_1 q_2$ положительно, и потенциальная энергия системы также положительна: $W_p > 0$. Чтобы увеличить значение положительной величины $W_p = k \frac{q_1 q_2}{r}$, необходимо уменьшить знаменатель дроби, то есть уменьшить расстояние $r$ между зарядами. С точки зрения работы: чтобы увеличить потенциальную энергию, нужно совершить работу против сил отталкивания, то есть сблизить заряды.
Ответ: необходимо уменьшить расстояние между шариками.

в) В данной системе взаимодействуют одноименные заряды (оба отрицательные). Как и в предыдущем случае, между ними действуют силы отталкивания. Произведение зарядов $q_1 q_2$ положительно (произведение двух отрицательных чисел), и потенциальная энергия системы положительна: $W_p > 0$. Рассуждения полностью аналогичны случаю б). Чтобы увеличить потенциальную энергию, необходимо совершить работу против сил отталкивания, то есть уменьшить расстояние $r$ между зарядами.
Ответ: необходимо уменьшить расстояние между шариками.