Правка разделов «Условие», «Решение», «Ответ»

emixter правка от
правка #15391 предыдущая #15390 ← раньше
@@ -1,11 +1,47 @@
### Условие
−$7.1.16.$ [Вставьте условие задачи]
+$7.1.16.$ Две сферы радиуса $R$ имеют одинаковый заряд $Q$, распределенный равномерно по ее поверхности. Какую минимальную энергию нужно сообщить электрону на поверхности одной из сфер, чтобы он достиг второй сферы? Расстояние между центрами сфер $l$.
### Решение
−sdf
+Пусть электрон движеться вдоль оси $x$, соединяющей центры сфер. Запишем функцию потенциала на этой оси (алгебраическая сумма потенциалов от двух равномерно заряженных сфер):
+$$\varphi(x)=\frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0}}\left( \frac{1}{x}+\frac{1}{l-x} \right)$$
+
+Значение потенциала на поверхностях сфер одинаков:
+
+$$\varphi_{пов}=\varphi(R)=\varphi(l-R)=\frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0}}\left( \frac{1}{R}+\frac{1}{l-R} \right)$$
+
+Исследуем функцию $\varphi(x)$ на экстремум:
+
+$$\frac{d \varphi}{dx}=0$$
+$$-\frac{1}{x^{2}}+\frac{1}{(l-x)^{2}}=0\Longrightarrow x=\frac{l}{2}$$
+
+Это точка минимума $\varphi(x)$, так как:
+
+$$\frac{d^{2}\varphi}{dx^{2}}=\frac{2}{x^{3}}+\frac{2}{(l-x)^{3}}\gt 0\text{ при }0\le x\le l$$
+
+Значение $\varphi(x)$ в точке минимума:
+
+$$\varphi_{мин}(\frac{l}{2})=\frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0}}\cdot\frac{4}{l}$$
+
+Потенциальная энергия электрона $U(x)=-e\varphi(x)$. Поскольку $\varphi(x)$ имеет минимум в середине, то $U(x)$ имеет максимум в середине: электрон находится в потенциальной яме на поверхности сферы и чтобы перейти к другой сфере, надо дать энергию, чтобы подняться до максимума $U_{макс}=-e\varphi_{мин}$. Затем электрон сможет попасть на вторую сферу.
+
+Минимальная кинетическая энергия, которую нужно сообщить электрону в начале, чтобы в конце иметь нулевую скорость на второй сфере:
+
+$$K_{мин}=-e\varphi_{мин}-(-e\varphi_{пов})=e(\varphi_{пов}-\varphi_{мин})$$
+
+Подставим:
+
+$$K_{мин}=\frac{eQ}{4\pi\varepsilon_{0}}\left( \frac{1}{R}+\frac{1}{l-R}-\frac{4}{l} \right)\text{ при } l\gt 2R$$
+
+Данную формулу можно преобразовать:
+
+$$K_{мин}=\frac{eQ}{4\pi\varepsilon_{0}}\cdot\frac{(2R-l)^{2}}{lR(l-R)}$$
+
+Видно, что при $l=2R$ получаем $K_{мин}=0$
+
#### Ответ
−[Вставьте краткий ответ или результат в рамке]
+$$K\to 0\text{ при } l\to 2R$$
+$$K=\frac{eQ}{4\pi\varepsilon_{0}}\left( \frac{1}{R}+\frac{1}{l-R}-\frac{4}{l} \right)\text{ при } l\gt 2R$$