сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 21 № 2451
i

На входе пря­мо­го ка­на­ла с пря­мо­уголь­ным по­пе­реч­ным се­че­ни­ем рас­по­ло­же­на пушка, ис­пус­ка­ю­щая ча­сти­цы с мас­сой m и за­ря­дом +q. На вы­хо­де ка­на­ла рас­по­ло­же­ны две ме­тал­ли­че­ские сетки, между ко­то­ры­ми фик­си­ро­ва­на не­ко­то­рая раз­ность по­тен­ци­а­лов, В ре­зуль­та­те в про­стран­стве между сет­ка­ми есть од­но­род­ное элек­три­че­ское поле, и на ча­сти­цу в этом про­стран­стве дей­ству­ет сила F, на­прав­лен­ная внутрь ка­на­ла. Рас­сто­я­ние между сет­ка­ми равно h. Кон­цен­тра­ция вы­бро­шен­ных пуш­кой ча­стиц, под­ле­та­ю­щих к сет­кам, равна n, а их ско­рость на­прав­ле­на вдоль ка­на­ла и равна u. За сет­ка­ми на­хо­дит­ся ва­ку­ум. Плот­ность сеток мала, так что ча­сти­цы прак­ти­че­ски не на­ты­ка­ют­ся на про­во­да сеток, про­ле­тая сквозь них. Най­ди­те дав­ле­ние, с ко­то­рым ча­сти­цы дей­ству­ют на си­сте­му двух сеток. Счи­тай­те, что кон­цен­тра­ция ча­стиц мала, по­это­му их вза­и­мо­дей­стви­ем друг с дру­гом можно пре­не­бречь.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

При раз­лич­ных на­бо­рах па­ра­мет­ров у этой за­да­чи будет два мно­же­ства не­пре­рыв­ных от­ве­тов. Эти на­бо­ры па­ра­мет­ров будут от­ве­чать за два типа дви­же­ния: ча­сти­цы про­ле­та­ют элек­три­че­ское поле на­сквозь и ча­сти­цы раз­во­ра­чи­ва­ют­ся в элек­три­че­ском поле, меняя на­прав­ле­ние своей ско­ро­сти. Рас­смот­рим от­дель­но эти два слу­чая. Рас­смот­рим для на­ча­ла си­ту­а­цию, в ко­то­рой ча­сти­цы раз­во­ра­чи­ва­ют­ся в элек­три­че­ском поле, то есть тол­щи­ны h хва­та­ет для того, чтобы оста­но­вить в не­ко­то­рый мо­мент ча­сти­цу и за­ста­вить ле­теть её в про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нии. Введём ось Ох, как по­ка­за­но на ри­сун­ке. Тогда за­ви­си­мость ко­ор­ди­на­ты и ско­ро­сти ча­сти­цы, вле­тев­шей в на­чаль­ный мо­мент вре­ме­ни в элек­три­че­ское поле, будет вы­гля­деть сле­ду­ю­щим об­ра­зом

 x левая круг­лая скоб­ка t пра­вая круг­лая скоб­ка =u t минус дробь: чис­ли­тель: F, зна­ме­на­тель: 2 m конец дроби t в квад­ра­те , \qquad левая круг­лая скоб­ка 1 пра­вая круг­лая скоб­ка

 v левая круг­лая скоб­ка t пра­вая круг­лая скоб­ка =u минус дробь: чис­ли­тель: F, зна­ме­на­тель: m конец дроби t. \qquad левая круг­лая скоб­ка 2 пра­вая круг­лая скоб­ка

Опре­де­лим те­перь кри­ти­че­скую ши­ри­ну h, при ко­то­рой воз­мо­жен такой тип дви­же­ния ча­сти­цы  — с раз­во­ро­том в поле.

Время, через ко­то­рое ча­сти­ца будет иметь ну­ле­вую ско­рость, рав­ня­ет­ся, из урав­не­ния (2):

 t в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка = дробь: чис­ли­тель: u m, зна­ме­на­тель: F конец дроби . \qquad левая круг­лая скоб­ка 3 пра­вая круг­лая скоб­ка

Под­став­ляя это время в за­ви­си­мость ко­ор­ди­на­ты от вре­ме­ни (1), по­лу­ча­ем усло­вие на точку раз­во­ро­та  — она долж­на на­хо­дить­ся в об­ла­сти дей­ствия силы F:

h боль­ше x левая круг­лая скоб­ка t в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка пра­вая круг­лая скоб­ка . \qquad левая круг­лая скоб­ка 4 пра­вая круг­лая скоб­ка

Под­став­ляя в (4) закон дви­же­ния (1), по­лу­ча­ем усло­вие на кри­ти­че­скую тол­щи­ну:

 h в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка = дробь: чис­ли­тель: u в квад­ра­те m, зна­ме­на­тель: 2F конец дроби . \qquad левая круг­лая скоб­ка 5 пра­вая круг­лая скоб­ка

Опре­де­лим те­перь дав­ле­ние ча­стиц на си­сте­му сеток, со­зда­ю­щих элек­три­че­ское поле в слу­чае, когда h боль­ше h в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка , то есть, когда ча­сти­цы раз­во­ра­чи­ва­ют­ся в элек­три­че­ском поле. За время dt через пло­щадь се­че­ния ка­на­ла dS про­ле­та­ет число ча­стиц, рав­ное

 d N=n dS udt. \qquad левая круг­лая скоб­ка 6 пра­вая круг­лая скоб­ка

Эти ча­сти­цы, по­вер­нув­шись в элек­три­че­ском поле, вы­ле­та­ют из него внутрь ка­на­ла с той же ско­ро­стью, с ко­то­рой они вле­та­ли в поле, по­это­му пол­ное из­ме­не­ние им­пуль­са этих ча­стиц в про­ек­ции на ось Ox будет равно

 dP_\text ч= минус 2 mu dN. \qquad левая круг­лая скоб­ка 7 пра­вая круг­лая скоб­ка

По тре­тье­му за­ко­ну Нью­то­на, такой же им­пульс, но с про­ти­во­по­лож­ным зна­ком, при­об­ре­ла си­сте­ма из двух сеток, со­зда­ю­щая это элек­три­че­ское поле

 d P_c=2 mu dN. \qquad левая круг­лая скоб­ка 8 пра­вая круг­лая скоб­ка

Учи­ты­вая, что сила, дей­ству­ю­щая на эле­мент пло­ща­ди dS си­сте­мы двух сеток равна dF= дробь: чис­ли­тель: dP_c, зна­ме­на­тель: dt конец дроби и что дав­ле­ние на эти сетки будет равно p= дробь: чис­ли­тель: dF, зна­ме­на­тель: dS конец дроби , по­лу­ча­ем ито­го­вое дав­ле­ние

 p=2 m u в квад­ра­те n. \qquad левая круг­лая скоб­ка 9 пра­вая круг­лая скоб­ка

На­пом­ним, что это дав­ле­ние в слу­чае h боль­ше h в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка .

Оста­лось рас­смот­реть слу­чай h мень­ше h в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка . В этом слу­чае ча­сти­цы про­ле­та­ют элек­три­че­ское поле на­сквозь и в канал более не воз­вра­ща­ют­ся. По­счи­та­ем также из­ме­не­ние им­пуль­са ча­стиц, про­ле­тев­ших через по­пе­реч­ное се­че­ние ка­на­ла пло­ща­ди dS за время dt и с его по­мо­щью найдём со­от­вет­ству­ю­щее из­ме­не­ние им­пуль­са участ­ка си­сте­мы сеток той же пло­ща­ди за то де время.

Рас­смот­рим ча­сти­цу, ко­то­рая вле­те­ла в элек­три­че­ское поле в ну­ле­вой мо­мент вре­ме­ни. За­ко­ны из­ме­не­ния ко­ор­ди­на­ты и ско­ро­сти для неё внут­ри поля будут сле­ду­ю­щи­ми:

x левая круг­лая скоб­ка t пра­вая круг­лая скоб­ка =u t минус дробь: чис­ли­тель: F, зна­ме­на­тель: 2 m конец дроби t в квад­ра­те , \qquad левая круг­лая скоб­ка 10 пра­вая круг­лая скоб­ка

v левая круг­лая скоб­ка t пра­вая круг­лая скоб­ка =u минус дробь: чис­ли­тель: F, зна­ме­на­тель: m конец дроби t. \qquad левая круг­лая скоб­ка 11 пра­вая круг­лая скоб­ка

По­счи­та­ем ско­рость на вы­ле­те из этого поля Время, ко­то­рое ча­сти­ца про­ве­ла в поле, опре­де­ля­ет­ся усло­ви­ем

 x левая круг­лая скоб­ка t_\text вы­ле­та пра­вая круг­лая скоб­ка =h. \qquad левая круг­лая скоб­ка 12 пра­вая круг­лая скоб­ка

Под­став­ляя в него закон дви­же­ния (10), по­лу­ча­ем два воз­мож­ных зна­че­ния tвы­ле­та:

t_вы­ле­та= дробь: чис­ли­тель: mu \pm ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: m в квад­ра­те u в квад­ра­те минус 2Fmh конец ар­гу­мен­та , зна­ме­на­тель: F конец дроби . \qquad левая круг­лая скоб­ка 13 пра­вая круг­лая скоб­ка

Из ко­то­рых нас ин­те­ре­су­ет ми­ни­маль­ный  — тот, что идёт со зна­ком минус. От­сю­да, кста­ти, видно усло­вие на уже вы­чис­лен­ную кри­ти­че­скую тол­щи­ну поля  — вы­ра­же­ние под кор­нем долж­но быть по­ло­жи­тель­ным.

Под­став­ляя най­ден­ное время вы­ле­та в закон из­ме­не­ния ско­ро­сти (11), по­лу­ча­ем, что на вылет из поля, ча­сти­цы имеют ско­рость

v_вы­ле­та= ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: u в квад­ра­те минус дробь: чис­ли­тель: 2Fh, зна­ме­на­тель: m конец дроби конец ар­гу­мен­та . \qquad левая круг­лая скоб­ка 14 пра­вая круг­лая скоб­ка

Тогда из­ме­не­ние им­пуль­са одной ча­сти­цы будет равно ( в про­ек­ции на ось Ox)

\Delta P_ч= минус m левая круг­лая скоб­ка u минус ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: u в квад­ра­те минус дробь: чис­ли­тель: 2Fh, зна­ме­на­тель: m конец дроби конец ар­гу­мен­та пра­вая круг­лая скоб­ка . \qquad левая круг­лая скоб­ка 15 пра­вая круг­лая скоб­ка

Те­перь, рас­смат­ри­вая поток ча­стиц, рас­суж­де­ни­я­ми, ана­ло­гич­ны­ми рас­суж­де­ни­ям в слу­чае «от­ра­же­ния» ча­стиц, мы по­лу­ча­ем дав­ле­ние на си­сте­му сеток, рав­ное

p=un\Delta P_ч. \qquad левая круг­лая скоб­ка 16 пра­вая круг­лая скоб­ка

Те­перь можно за­пи­сать пол­ный ответ:

В слу­чае h боль­ше h в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка дав­ле­ние будет равно p=2mu в квад­ра­те n.

В слу­чае h мень­ше h в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка дав­ле­ние будет равно p=umn левая круг­лая скоб­ка u минус ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: u в квад­ра­те минус дробь: чис­ли­тель: 2Fh, зна­ме­на­тель: m конец дроби конец ар­гу­мен­та пра­вая круг­лая скоб­ка , где h в сте­пе­ни * = дробь: чис­ли­тель: u в квад­ра­те m, зна­ме­на­тель: 2F конец дроби .

 

Ответ: если h боль­ше h в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка дав­ле­ние будет равно p=2mu в квад­ра­те n; если h мень­ше h в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка * пра­вая круг­лая скоб­ка дав­ле­ние будет равно p=umn левая круг­лая скоб­ка u минус ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: u в квад­ра­те минус дробь: чис­ли­тель: 2Fh, зна­ме­на­тель: m конец дроби конец ар­гу­мен­та пра­вая круг­лая скоб­ка , где h в сте­пе­ни * = дробь: чис­ли­тель: u в квад­ра­те m, зна­ме­на­тель: 2F конец дроби .

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Кри­те­рии оце­ни­ва­нияБаллы
Явно ука­за­на не­об­хо­ди­мость рас­смот­ре­ния двух воз­мож­ных диа­па­зо­нов па­ра­мет­ров5
Явно най­ден по­ро­го­вый па­ра­метр5
Най­де­но дав­ле­ние в одном слу­чае5
Най­де­ны дав­ле­ния в обоих слу­ча­ях10
Мак­си­маль­ный балл25
Классификатор: Элек­тро­ди­на­ми­ка. Дви­же­ние за­ря­жен­ных ча­стиц в электр. поле