The solution at revision #20115 of , by Valter. This is not the current version.

Условие

10.1.17.
а) В плоском конденсаторе длины напряженность электрического поля равна , а индукция магнитного поля, направленного вдоль , равна . У входа в конденсатор имеется радиоактивный источник, испускающий электроны с разными скоростями. Из них формируют тонкий пучок, который проходит через конденсатор, а затем попадает на фотопластинку, расположенную на расстоянии . Какую линию-след «вычертят» электроны на фотопластинке, если отклонения их от прямолинейной траектории малы?

б) Найдите линию-след электронов на фотопластинке для Тл, В/м, см, см.

в) При большой скорости электрона его масса заметно изменяется; согласно формуле Лоренца , где — отношение скорости электрона к скорости света, — масса покоя электрона. Решите задачу 10.1.17а с учетом эффекта изменения массы электрона.

К задаче $10.1.17$

Решение

а) Введем систему координат, как показано на рисунке к задаче: пучок летит вдоль оси , поля направлены вертикально вверх вдоль оси (, ). Сила, действующая на электрон (с зарядом ) — это сила Лоренца:

Поскольку отклонения малы, время пролета внутри конденсатора составляет .
Поперечные силы, действующие на электрон:
(электрическая сила отклоняет вниз, против оси )
(магнитная сила отклоняет против оси )

Поперечные компоненты скорости при вылете из конденсатора:

Поскольку , мы можем пренебречь малым смещением электрона внутри самого конденсатора и рассматривать смещение только во время свободного полета к экрану, где время дрейфа :

Чтобы найти уравнение траектории на экране (в координатах ), выразим скорость из уравнения для горизонтального отклонения :

Подставим полученное выражение в уравнение для вертикального отклонения :

След на экране представляет собой ветвь параболы (электроны попадают в квадрант ).

б) Подставим числовые значения. Используя массу электрона кг и элементарный заряд Кл:
м

в) Для релятивистских скоростей необходимо использовать импульс .
Изменение поперечного импульса внутри конденсатора определяется импульсом действующих сил :

Координаты на экране определяются скоростями и :


где — полный импульс электрона.

Из этих уравнений можно выразить полный импульс и произведение :
и
Разделив второе выражение на первое, найдем скорость:

Используем релятивистскую связь между импульсом и скоростью: . Подставим выражения для и в это соотношение:

Возведем обе части уравнения в квадрат, чтобы избавиться от корня и минуса:

Раскроем скобки:

Умножим всё выражение на и выразим :


Извлекая квадратный корень (и выбирая знак минус, так как отклонение происходит в отрицательном направлении оси ), получаем:

Ответ

а)

б) м

в)


*Примечание к официальному ответу:*
При сверке с ответами в оригинальном задачнике Савченко следует обратить внимание на следующие опечатки и неточности:

  1. В задачнике пропущены знаки минус. Поскольку электрон несет отрицательный заряд, смещение пучка происходит в отрицательном направлении осей и , однако авторы приводят уравнение кривой по модулю.
  2. В официальном ответе к пункту (в) допущена грубая математическая опечатка: под знаком корня в первом слагаемом пропущен квадрат (напечатано вместо ). Представленный в задачнике вид нарушает правила размерности физических величин.