Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Savchenko_O_Ya__FMSh_NGU__Zadachi_po_fizike

.pdf
Скачиваний:
3122
Добавлен:
28.03.2016
Размер:
5.26 Mб
Скачать

а При движении со скоростью ~ состояния в котором было только

14.3.7 . . βc ,

 

 

 

~

электрическое поле, возникает магнитное поле с индукцией B, связанное с новым

~

~

~

~

электрическим полем E

соотношением B = [β

× E]. Докажите это соотношение

~

 

 

~

в случае, когда поле E перпендикулярно скорости βc.

 

 

 

~

б. Какое магнитное поле возникает при движении со скоростью βc электри-

 

~

 

ческого поля напряженности E, если β 1, β = 1?

 

14.3.8.

~

~

а. Формула преобразования полей E и

B при движении их со скоро-

стью ~ имеет следующий вид

βc :

~ 0 ~ ~ ~ × ~ ~ 0 ~ ~ ~ × ~ p − 2 E = Ek + γ(E [β B]), B = Bk + γ(B + (β E]), γ = 1/ 1 β ,

где ~ 0 и ~ 0 электрические и магнитные поля в сносе ~k ~ и ~k ~ состав

E B — ; E , E B , B — -

ляющие электрических и магнитных полей, параллельные и перпендикулярные

~ в начальной системе. Движение полей E~ 0 и B~ 0 со скоростью

cβ возвращает

прежнее состояние. Проверьте это.

 

в. Используя приведенные в пункте а формулы преобразования полей, решите задачи 14.3.1–14.3.3, 14.3.5 .

г. Используя приведенные в пункте а формулы преобразований полей, решите

задачи 14.3.6 а, б и 14.3.7.

 

д. Докажите, что при β

1 поля E~ 0 и B0 перпендикулярны.

 

14.3.9.Во сколько раз изменится разность потенциалов и емкость плоского конденсатора при движении его со скоростью βc: а) вдоль пластин? б) перпендикулярно пластинам?

14.3.10.Во сколько раз изменится разность потенциалов и емкость длинного цилиндрического конденсатора при движении его со скоростью βc вдоль оси?

14.3.11.Неподвижной сфере радиуса R с равномерно распределенным поверхностным зарядом Q сообщили скорость βc. Определите максимальную электрическую напряженность и максимальную и минимальную плотности поверх-

ностного заряда в новом состоянии.

14.3.12 . Определите распределение электрической напряженности и маг-

нитной индукции движущегося со скоростью βc заряда q.

14.3.13 . Между неподвижными обкладками конденсатора со скоростью βc движется пластина из вещества с диэлектрической проницаемостью ε. Напряженность электрического поля между диэлектриком и пластинами E. Чему равна напряженность электрического поля и индукция магнитного поля внутри диэлектрика?

271

♦ 14.3.14 . Диэлектрическая пластина толщины h движется со скоростью βc между обкладками конденсатора, который пронизывается внешним магнитным полем с индукцией B, перпендикулярной к обкладкам и пластине. Диэлектрическая проницаемость вещества пластины ε. Определите разность потенциалов между разомкнутыми обкладками конденсатора.

14.3.15. Во сколько раз изменится амплитуда плоской электромагнитной волны при переходе в систему координат, движущуюся со скоростью βc в направлении распространения волны?

14.3.16 . Решите задачу 14.3.15 при распространении плоской волны в диэлектрической среде с коэффициентом преломления n.

14.3.17. На движущуюся со скоростью βc металлическую стенку перпендикулярно падает плоская электромагнитная волна. Во сколько раз изменится амплитуда волны при отражении?

14.3.18 . Решите задачу 14.3.17, когда электромагнитная волна падает на движущуюся стенку под углом α.

14.3.19.Скорость электронов в параллельном пучке βc. Как изменится плот-

ность электронов при движении относительно пучка со скоростью β1c в продольном направлении?

14.3.20.В прямом проводе плотность тока равна j. Как изменится эта плот-

ность при движении провода со скоростью β1c в продольном направлении? Какой объемный заряд возникает в проводе?

14.3.21 . Изменится ли плотность тока в проводнике при движении его перпендикулярно направлению тока?

14.3.22. Толщина неподвижного плоского конденсатора h, плотность тока утечки j. Начальная плотность поверхностных зарядов σ. Как будет меняться электрическое поле внутри конденсатора при движении его со скоростью βc па-

раллельно пластинам?

14.3.23 . Решите задачу 14.3.21 в случае движения конденсатора со скоростью βc перпендикулярно пластинам.

14.3.24. Магнитный момент длинного плоского соленоида с током равен M. Какой электрический момент возникнет у этого соленоида при поперечном движении его со скоростью v параллельно плоским поверхностям?

272

14.3.25 . Решите задачу 14.3.24 в случае круглого длинного соленоида. 14.3.26. а. «. . . Для движущегося электрона электрическое поле E эквива-

~

~

~

(Г. Бете, Э. Солиптер.

лентно добавочному магнитному полю B =

× E]»

Квантовая механика с одним и двумя электронами. М.: Физматгиз, 1960). Определите, используя это утверждение, силу действующую на магнитный момент

электрона в атоме водорода, если электрон ) движется по круговой орбите.

♦ 14.3.27. Когда-нибудь в космическом пространстве будут создаваться гигантские накопители электромагнитной энергии. Один из вариантов такого накопителя — магнитоэлектрический плоский конденсатор, в котором разноименные электрические заряды, расположенные на пластинах, создают электрическое поле напряженности E, а циркулярный ток сверхпроводящей подложки (изолированный от пластин) создает магнитное поле индукции B, равный по величине (в системе СГС) E. В таком конденсаторе магнитное поле, расталкивающее пластины, будет равно электрическому давлению, притягивающему пластины, и в целом конденсатор будет находиться в равновесии. Поэтому можно создавать такие накопители очень больших размеров, так как они не требуют дополнительного крепежа. Докажите, что равновесие в накопителе не изменится при их движении как вдоль, так и поперек пластин.

14.3.28 . Заряженный конденсатор, подвешенный на нити, казалось бы, не может вместе с нитью и подвесом двигаться поступательно, если угол α не прямой, так как магнитная сила взаимодействия двух совместно движущихся зарядов создает вращательный момент. Этот вращательный момент можно было бы обнаружить экспериментально, если считать, что конденсатор вместе с Землей движется со скоростью βc. Так ли это?

§14.4. Движение релятивистских частиц в электрическом

имагнитном полях

14.4.1. Электрон, влетающий со скоростью βc в протяженное неподвижное и однородное электрическое поле, вылетает из него через время τ. Скорость электрона направлена вдоль поля. Как долго будет находиться в поле электрон, если, наоборот, на неподвижный электрон с такой же скоростью налетает поле? Решите эту задачу двумя способами, используя: а) эффект релятивистского замедления

) Если задача не требует численного ответа, обозначайте массу покоя электрона me, заряд e.

18

273

времени, б) формулу Лоренца, согласно которой масса частицы, движущейся со

p

скоростью βc, m = mi/ 1 − β2, где mi — масса покоя частицы.

14.4.2 . Электрон, влетающий со скоростью v в протяженное однородное электрическое поле, летящее ему навстречу со скоростью u, через время τ вылетает из него. Электрическая напряженность направлена по скорости электрона. Определите ее величину.

14.4.3.Одна из пластин неподвижного плоского конденсатора испускает электроны, которые через время τ после испускания попадают со скоростью v на вторую пластину. Определите напряженность электрического поля конденсатора. Пространственным зарядом и начальными скоростями электронов пренебречь.

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?

14.4.5.Скорость электрона, пролетевшего неподвижный участок с электрическим полем напряженности E, направленной по движению электрона, изменилась с 2v до v. Определите время пролета электрона через этот участок.

14.4.6 . На неподвижный электрон налетает со скоростью света продольное электрическое поле напряженности E. Как глубоко проникнет электрон в это поле, если оно действует на электрон в направлении своего движения?

14.4.7.Электрон, пролетая через поле неподвижного плоского конденсатора, получает поперечный импульс p. Скорость электрона на входе в конденсатор равна βc и направлена параллельно его пластинам. Какой поперечный импульс получит электрон, если, наоборот, конденсатор со скоростью −βc пролетает мимо первоначально неподвижного электрона? Во сколько раз поперечная скорость, приобретенная электроном в первый раз, будет меньше поперечной скорости, полученной электроном второй раз?

14.4.8.С какой скоростью движется электрон вокруг тяжелого ядра с зарядом ez по круговой орбите радиуса R?

14.4.9 . Во сколько раз ускорение протона, движущегося перпендикулярно электрическому полю со скоростью βc, больше ускорения протона, движущегося с той же скоростью по полю? под углом α к полю?

14.4.10 . Какую максимальную скорость может приобрести частица с массой покоя m и зарядом q, рожденная с нулевой скоростью в переменном синусоидальном электрическом поле с амплитудой напряженности E и частотой ω/(2π).

14.4.11.Электрон, влетающий со скоростью βc в протяженное неподвижное

иоднородное электрическое поле, проникает внутрь этого поля на глубину l. Скорость электронов направлена вдоль поля. На какую глубину проникнут электроны, если, наоборот, на неподвижные электроны с такой же скоростью налетает электрическое поле? Решите эту задачу двумя способами, используя: а) эффект релятивистского сокращения расстояния, б) взаимосвязь работы A с изменением

массы частицы m: A = c2 m.

274

14.4.12 . Электрон, влетающий со скоростью v в однородное электрическое поле, летящее ему навстречу со скоростью u, проникает в поле на глубину l. Определите напряженность поля, если оно направлено по скорости электрона.

14.4.13.За какое время электрон, родившийся без начальной скорости в электрическом поле с напряженностью E = 104 В/см (1 В/см = 1/300 ед СГС напряженности), пролетит в этом поле расстояние l = 1 м?

14.4.14.Какой должна быть длина линейного ускорителя со средней напря-

женностью ускоряющего электрического поля E = 105 В/см, предназначенного для ускорения π+-мезонов до энергий E = 1010 эВ (1 эВ = 1,6 · 10−12 Эрг)? За какое время π+-мезон с нулевой начальной скоростью ускорится до этой энергии? Энергия покоя π+-мезона m+c2 = 108 эВ, заряд e.

14.4.15.Для изучения поля электронов на малых расстояниях их ускоряют

до энергий в N = 1000 раз большей энергии покоя электрона mec2 и наблюдают встречное взаимодействие двух таких электронов. Во сколько раз нужно увеличить энергию электрона, чтобы получить такие же результаты, наблюдая взаимодействие между движущимся электроном и первоначально неподвижным электроном?

14.4.16.Пролетая через электростатический конденсатор, протон с кинети-

ческой энергией E = 106 эВ отклоняется на угол αp = 0, 1 рад. Оцените, на какой угол отклонится электрон с такой же кинетической энергией.

14.4.17. При какой минимальной разности потенциалов в плоском конденса-

торе электроны, ускоренные потенциалом U = 1 МВ, влетающие в конденсатор через небольшое отверстие в нижней пластине под углом α = 30к ней, не долетают до верхней пластины?

14.4.18.Определите кинетические энергии протонов и электронов, проходящих по дуге радиуса R = 0,3 м через поворотный магнит с индукцией B = 1 Тл.

14.4.19. Магнитное поле в телевизионной трубке поворачивает электроны с

энергией E = 2·104 эВ на угол α = 60. Отклоняющая катушка создает магнитное поле на участке трубки длиной l = 10 см. Определите индукцию магнитного поля. Какая ошибка совершается при расчете индукции, если пренебречь изменениями массы электрона при его движении?

14.4.20. Каким должен быть радиус кольцевого накопителя с магнитным полем индукции B = 1 Тл, предназначенного для накопления протонов с энергией

E= 1011 эВ? для накопления электронов с энергией E = 1011 эВ?

14.4.21.Определите циклотронную частоту электрона, ускоренного разно-

стью потенциалов v = 2 · 106 В, в магнитном поле индукции B = 10 Тл.

275

14.4.22.Чему равна индукция магнитного поля на накопительных дорожках радиуса R = 6 м, если масса электронов, движущихся по этим дорожкам, в N = 1000 раз больше me?

14.4.23. Электрон влетает со скоростью βc в магнитное поле перпендикулярно границе поля и вектору индукции B. Определите время пребывания электрона в магнитном поле.

14.4.24.Решите задачу 14.4.23 в случае, если область, занятая магнитным полем, движется перпендикулярно своей границе со скоростью β1c.

14.4.25.Оцените, при какой минимальной энергии электроны, находящиеся на высоте h = 1000 км, смогут достигнуть поверхности Земли в области экватора, если индукция магнитного поля Земли B = 30 мкТл?

14.4.26. Космический корабль входит в ионосферу Земли со скоростью v, которая много больше тепловых скоростей протонов ионосферы. Какой должна быть минимальная толщина магнитного экранного слоя, защищающая лобовую поверхность корабля от протонов, если магнитная индукция B направлена параллельно поверхности?

14.4.27.Определите кинетическую энергию электрона, который движется в магнитном поле индукции B по винтовой линии радиуса R с шагом h.

14.4.28.В скрещенном электрическом поле напряженности E и магнитном поле индукции B релятивистская заряженная частица «дрейфует» поперек полей. Чему равна дрейфовая скорость частицы?

14.4.29 . Чему равна максимальная скорость заряженной частицы в скре-

щенном электрическом и магнитном полях ~ и ~ ~ ~ если минимальная

E B (E B),

скорость равна βc? β > k = E/B?

♦ 14.4.30 . Между плоским анодом и катодом подается высокое напряжение. Система находится в магнитном поле индукции B = 10 Тл, которое параллельно электродам. Расстояние между анодом и катодом h = 10 см. При каком минимальном напряжении электроны достигнут анода?

276

14.4.31 . Электрон вращается в постоянном магнитном поле индукции B,

~ ~

имея скорость βc. Включается электрическое поле E параллельно вектору скоро-

сти ~ Определите максимальную скорость электрона которую он приобретает

βc. ,

вскрещенном поле.

§14.5. Закон сохранения массы и импульса

14.5.1.Неподвижная частица массы M распадается на два γ-кванта. Определите массу каждого γ-кванта.

14.5.2.Мощность излучения Солнца W близка к 4 ·1026 Вт. Оцените массу, теряемую Солнцем из-за излучения в течение секунды.

14.5.3.Скорости двух частиц, образующихся при распаде неподвижного ядра массы M, одинаковы по величине и равны βc. Определите полную массу, массу покоя и кинетическую энергию каждой частицы.

14.5.4.При встречном столкновении протонов может рождаться частица с массой поля в k раз больше массы покоя протона mp:

p = p + p → p + p + M, M = kmp.

Определите минимальную массу движущихся протонов, для которых возможна эта реакция. Чему равна минимальная скорость протонов?

14.5.5. При какой кинетической энергии электронов и позитронов (в МэВ) в экспериментах на встречных пучках наблюдается рождение протон-антипротон- ной пары: e+ e+ → p + p¯? рождение π0-мезона: e+ + e→ π0?

14.5.6. Неподвижный атом массы M поглощает фотон массы m. Определите массу и импульс атома после поглощения фотона.

14.5.7 . Определите скорость «отдачи» неподвижного атома массы M после испускания фотона массы m.

14.5.8.Фотонная ракета, стартующая с Земли, по наблюдениям с Земли теряет в единицу времени массу m. Начальная масса ракеты M. Как меняется от времени скорость и масса покоя ракеты? Действием на ракету гравитационного поля Земли пренебречь.

14.5.9.Две частицы с массами m1 и m2, летящие со скоростью v1 и v2, направленными друг к другу под углом α, сливаются в одну частицу. Определите массу и скорость образовавшейся частицы.

14.5.10.В ядерной физике массы частиц измеряются в энергетических еди-

ницах, когда вместо массы m дается энергия массы mc2 (1 МэВ = 1,6·10−19 Дж).

Определите в МэВ массы электрона, протона, π0-мезона и ψ-мезона, если массы

этих частиц соответственно равны 0,911

·

10−27 г, 1,673

·

10−24

г, 2,4

·

10−25

г,

5 · 10−24 г.

0

-

0

γ-

 

: π

0

 

 

 

 

 

-

14.5.11. π

 

 

кванта

 

→ γ + γ.

Найдите кине

 

 

 

Мезон распадается на два

 

 

 

 

 

 

 

тическую энергию π -мезона, если счетчик, расположенный по направлению его движения, регистрирует γ-квант с энергией 270 МэВ.

14.5.12 . При каких кинетических энергиях π0-мезона γ-квант, возникающий при распаде π0 → γ + γ и летящий назад, может родить электрон-позитрон- ную пару при столкновении с тяжелым ядром?

14.5.13. Неподвижное ядро, распадаясь, испускает электрон с кинетической энергией Ee = 1, 73 МэВ и перпендикулярно к направлению движения электрона нейтрино с энергией Eν = 1 МэВ. Масса покоя нейтрино равна нулю. Чему будет равна кинетическая энергия ядра, если оставшаяся масса ядра M = 3,9 · 10−22 г.

18

277

14.5.14 . Масса и импульс состояния, которое получается при движении со скоростью v состояния с массой M и нулевым импульсом, равны γM и γMv0,

p

γ = 1/ 1 − (v2/c2). Докажите это утверждение для состояния, в котором движутся две невзаимодействующие частицы.

♦ 14.5.15. Движущаяся частица распадается на два γ-кванта с одинаковой массой, которые разлетаются под углом α друг к другу. С какой скоростью двигалась частица?

14.5.16. Быстрые протоны сталкиваются с неподвижными протонами. При какой кинетической энергии быстрых протонов могут рождаться π0-мезоны: p +

p→ p + p + π0? ψ-мезоны: p + p → p + p + ψ? протон-мезонные пары: p + p →

p+ p + (¯p + p)?

14.5.17.При какой минимальной кинетической энергии позитрона его столк-

новение с неподвижным электроном может вызвать появление протон-антипро- тонной пары: e+ + e→ p + p¯? Во сколько раз эта энергия больше минимальной кинетической энергии позитрона, который рождает протон-антипротонную пару при встречном столкновении с электроном?

♦ 14.5.18. Определите минимальную энергию электрона и позитрона, которые,

имея одинаковые скорости, направленные под углом α друг к другу, могут родить протон-антипротонную пару: e+ − e→ p + p¯.

14.5.19.а. С какой скоростью двигалось возбуждающее ядро массы M, если после испускания γ-кванта массы m оно остановилось? На сколько отличается масса и энергия возбужденного и невозбужденного ядра?

б. В каком диапазоне скоростей возбужденного ядра из задачи пункта а возможно следующее событие. Испущенный возбужденным ядром γ-квант поглощается невозбужденным неподвижным ядром.

14.5.20.Определите минимальную и максимальную энергии нейтрино, об-

разующихся при распаде π0-мезона с энергией 6 ГэВ: π0 → µ+ + e + ν.

14.5.21.В каком диапазоне энергий лежат кинетические энергии электронов

инейтрино, возникающих при распаде µ-мезона: µ→ e+ ν + ν¯?

278

14.5.22. Какую максимальную энергию могут приобрести фотоны с энергией E = 10 эВ при рассеянии на встречном пучке электронов с энергией

Ee = 1010 эВ?

♦ 14.5.23. Фотон массы m сталкивается с неподвижным электроном. Определите массу фотона и электрона после столкновения, при котором фотон изменил направление движения на угол α.

14.5.24. Докажите, что свободный электрон не может ни поглотить, ни испустить фотон.

279

1.1.18 . x = 2lv

ОТВЕТЫ

Глава 1. КИНЕМАТИКА

§ 1.1. Движение с постоянной скоростью

1.1.1.v = 200 м/с.

1.1.2.v = 0,7 км/с; на юго-восток.

1.1.3.v = 3 м/с; в 1 м от потолка и 2 м от боковой стены.

1.1.4.На расстоянии 1,15 м от счетчика A.

1.1.5 . AO = L

3tA − 2tB − tC

, t

 

= t

B

1

(t

A

t

 

).

 

O

 

C

 

2(tA − tB)

 

2

 

 

 

1.1.6.l0 = l(v − u)/(v + u).

1.1.7.v = c(τ0 − τ)/(τ0 + τ).

1.1.8.ν0 = ν(w − u)/(w − v).

1.1.9. а. При t < l/v граница области — конус с вершиной, находящейся на расстоянии vt от конца стержня, переходящий в касающуюся его сферу радиуса ut. При t > l/v — сферы

с центрами на концах стержня и радиусами ut и u(t − l/v) с касательной к ним конической поверхностью. б . cos α = u/v.

1.1.10 . Из области, ограниченной углом α = 2 arcsin(u/v) с вершиной в точке A, биссек-

триса которого — шоссе.

1.1.11 . v = cl/ l2 − c2 t2.

1.1.12.u = v/ sin α.

1.1.13. См. рис.

1.1.14.Ордината и абсцисса точки пересечения графиков x1 = vt и x2 = a + v(t − t1)/2 дают время и координату точки соударения частиц: t0 = (2a − vt1)/v, x0 = 2a − vt1.

♦ 1.1.15. См. рис.; б) vср = 0, в) vср = 1 м/с.

1.1.16. См. рис.

1.1.17. См. рис. а) возвращение луча по координате x занимает очень малое время, соответственно на единицу длины люминесцирующей поверхности экрана попадает мало электро-

нов. См. рис. б) при τyx = m/n, где m и n — любые целые числа.

v sin α + c2 − v2 cos2 α

.

c2 − v2

1.1.19. β = 2α. В направлении, противоположном начальному.

1.1.20 . tg ϕ = 2ma/(nb), где m и n — любые целые числа.

1.1.21. (−cx, cy, cz), (−cx, −cy, −cz).

p

1.1.22.t/t = (r2 − h2)/(R2 − h2).

280

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]