Решение

\noindent\textbf{14.4.4.} Во сколько раз изменится время движения электрона
в задаче 14.4.3, если конденсатор и испущенные электроны двигаются со
скоростью $u$: а) поперек пластин? б) параллельно пластинам? Чему равны в
случаях а) и б) скорости электронов на второй пластине?

\begin{center}
\textbf{Решение}
\end{center}

Пусть $K'$ --- система отсчёта конденсатора, а $K$ --- лабораторная система.
Ось $x'$ направим по нормали к пластинам в сторону движения электрона, а ось
$y'$ --- вдоль пластин; параллельные им оси системы $K$ обозначим через $x$
и $y$. Показания часов в системах $K'$ и $K$ обозначим соответственно через
$t'$ и $t$. В системе $K'$ электрон проходит расстояние $d$ за
время $\tau$ и достигает второй пластины со скоростью $v$. Через $c$ обозначим
скорость света, через $m_e$ --- массу покоя электрона, через $e$ --- модуль его
заряда, а через $E$ --- модуль напряжённости поля конденсатора.

Сначала выразим расстояние $d$ через данные задачи. Работа электрического поля
$eEd$ равна приращению энергии электрона; здесь $\gamma_v$ --- множитель
Лоренца, соответствующий скорости $v$:
$$eEd=(\gamma_v-1)m_ec^2, \qquad \gamma_v=\frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}.$$
Импульс электрона за время $\tau$ изменяется от нуля до $\gamma_vm_ev$,
поэтому
$$eE\tau=\gamma_vm_ev.$$
Разделив первое равенство на второе, получим
$$d=\frac{c^2\tau}{v}\left(1-\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}\right).$$

Расчётный чертёж показывает направления скорости конденсатора в обоих
случаях. Точка $A$ --- место испускания электрона, точка $B$ --- место его
попадания на вторую пластину. Штриховая стрелка изображает движение электрона
в системе $K'$.

\begin{center}
\begin{tikzpicture}[x=0.9cm,y=0.9cm,>=Latex,font=\small]
% Case a
\begin{scope}[shift={(0,0)}]
\draw[thick] (0,-1.35)--(0,1.35);
\draw[thick] (3,-1.35)--(3,1.35);
\fill (0,0) circle (1.6pt) node[left=4pt] {$A$};
\fill (3,0) circle (1.6pt) node[right=4pt] {$B$};
\draw[dashed,->] (0.25,0)--(2.45,0) node[midway,above] {$v$};
\draw[very thick,blue!70!black,->] (0,-1.75)--(2.0,-1.75)
node[midway,below] {$u$};
\node at (1.5,1.75) {а)};
\node[below] at (1.5,-2.25) {$u\perp$ пластинам};
\end{scope}

% Case b
\begin{scope}[shift={(7.2,0)}]
\draw[thick] (0,-1.35)--(0,1.35);
\draw[thick] (3,-1.35)--(3,1.35);
\fill (0,0) circle (1.6pt) node[left=4pt] {$A$};
\fill (3,0) circle (1.6pt) node[right=4pt] {$B$};
\draw[dashed,->] (0.25,0)--(2.45,0) node[midway,above] {$v$};
\draw[very thick,blue!70!black,->] (1.5,-1.15)--(1.5,0.65)
node[right=3pt] {$u$};
\node at (1.5,1.75) {б)};
\node[below] at (1.5,-2.25) {$u\parallel$ пластинам};
\end{scope}
\end{tikzpicture}

\textit{Расчётный чертёж}
\end{center}

Обозначим через $\gamma_u$ множитель Лоренца, соответствующий скорости $u$:
$$\gamma_u=\frac{1}{\sqrt{1-u^2/c^2}}.$$
Если система $K'$ движется относительно $K$ вдоль некоторой оси $s$ со
скоростью $u$, обозначим через $\Delta t$ интервал между двумя событиями в
лабораторной системе $K$, через $\Delta t'$ --- интервал между теми же
событиями в системе $K'$, а через $\Delta s'$ --- изменение координаты вдоль
направления относительного движения систем в системе $K'$. Тогда
преобразования Лоренца дают
$$\Delta t=\gamma_u\left(\Delta t' +\frac{u\,\Delta s'}{c^2}\right).$$

\textbf{а) Конденсатор движется поперек пластин.}
Будем считать, что скорость $u$ направлена вдоль $x'$ в сторону движения
электрона. Поэтому между событиями
испускания и попадания электрона на вторую пластину
$\Delta t'=\tau$, а изменение координаты $x'$ равно $\Delta x'=d$.
Следовательно, лабораторное время движения
$t_a$ равно
$$t_a=\gamma_u\left(\tau+\frac{ud}{c^2}\right) =\frac{\tau}{\sqrt{1-u^2/c^2}} \left[1+\frac{u}{v} \left(1-\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}\right)\right].$$
Чтобы найти скорость на второй пластине, запишем преобразования
$x=\gamma_u(x'+ut')$ и
$t=\gamma_u(t'+ux'/c^2)$ и разделим их приращения. Получаем скорость
$v_a$ электрона в системе $K$:
$$v_a=\frac{v+u}{1+uv/c^2}.$$

\textbf{б) Конденсатор движется параллельно пластинам.}
Теперь скорость $u$ направлена вдоль $y'$, а для двух рассматриваемых событий
изменение координаты $y'$ равно $\Delta y'=0$. Поэтому лабораторное время
движения $t_b$ равно
$$t_b=\gamma_u\tau=\frac{\tau}{\sqrt{1-u^2/c^2}}.$$
Из преобразований
$y=\gamma_u(y'+ut')$, $t=\gamma_u(t'+uy'/c^2)$ и $x=x'$ следует, что на
второй пластине компоненты скорости электрона в системе $K$ равны
$$v_x=\frac{v}{\gamma_u}, \qquad v_y=u.$$
Следовательно, модуль его скорости $v_b$ равен
$$v_b=\sqrt{v_x^2+v_y^2} =\sqrt{v^2+u^2-\frac{v^2u^2}{c^2}}.$$

\par\medskip
\noindent\textbf{Ответ:} а) время увеличится в
$$\boxed{\frac{1}{\sqrt{1-u^2/c^2}} \left[1+\frac{u}{v} \left(1-\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}\right)\right]}$$
раза, а
$$\boxed{v_a=\frac{v+u}{1+uv/c^2}};$$
б) время увеличится в
$$\boxed{\frac{1}{\sqrt{1-u^2/c^2}}}$$
раза, а
$$\boxed{v_b=\sqrt{v^2+u^2-\frac{v^2u^2}{c^2}}}.$$

\noindent\warningmark\; В ответах сборника эти две пары формул напечатаны под
переставленными обозначениями пунктов а) и б). Приведённый здесь ответ
соответствует направлениям движения, указанным в условии.