НОФ 2015, III кръг (национален), 9. клас — Задача 3. Електронен сноп
Национална олимпиада по физика 2015, национален кръг, тема за 9. клас · 6 април 2015 г. · 10 т.
Условие
Две еднакви успоредни метални пластинки образуват плосък кондензатор, който е поставен във вакуумна камера. Отношението на дължината на пластинките към разстоянието между тях е .

Към средата на кондензатора, успоредно на пластинките (фиг. 4), е насочен тесен сноп от електрони. Скоростта на електроните е . Взаимодействието между електроните от снопа и действието на силата на тежестта не се отчитат.
А) При какви стойности на напрежение върху кондензатора електронният сноп ще премине през кондензатора? [4 т.]
Б) Колко процента е максималното възможно нарастване на кинетичната енергия на електроните след преминаване през кондензатора? [2 т.]
В) Всяка от пластините (електродите) на описания по-горе кондензатор има площ . Зарядът на кондензатора е . Определете посоката и големината на индукцията на еднородното магнитно поле, което трябва да се създаде вътре в кондензатора, за да може снопът от електрони, движещи се със скорост (фиг. 4), да премине през кондензатора, без да променя посоката си на движение. [4 т.]
Полезни данни:
Елементарен заряд ; маса на електрона , електрична константа .
Решение
А) Електроните извършват едновременно две движения: равномерно движение по оста на кондензатора и равноускорително движение в перпендикулярно направление. За времето , … 0,5 точки
за което електроните преминават през кондензатора, те се отклоняват към положителния електрод на разстояние … 0,5 точки
Електроните ще преминат през кондензатора, ако … 0,5 точки
Ускорението на всеки електрон е , … 0,5 точки
където е интензитетът на електричното поле в кондензатора.
Приемаме това поле за еднородно и, като използваме връзката , за ускорението получаваме … 0,5 точки
След заместване на и в неравенството получаваме условието, при което електроните ще преминат през кондензатора:
… 1 точка; … 0,5 точки
Б) При преминаване на електрон през кондензатора електричните сили извършват положителна работа и кинетичната енергия на електрона нараства с … 1 точка
Това нарастване е максимално при най-голямата стойност на напрежението, при която електроните преминават през кондензатора, т.е. при . Тогава и
, т.е. кинетичната енергия нараства с 1 % … 1 точка
В) Магнитната индукция трябва да е насочена така, че магнитната сила да уравновесява електричната сила (вж. чертежа) … 0,5 точки

По правилото на дясната ръка определяме, че магнитната индукция е насочена навътре към чертежа, перпендикулярно на неговата равнина … 1 точка
От равенството определяме … 0,5 точки
Като отчетем, че … 0,5 точки
и (капацитет на плосък кондензатор), … 0,5 точки
за магнитната индукция получаваме … 0,5 точки; … 0,5 точки
Оригинал в Архива: NOF3_2015_9problems.pdf · официални решения: NOF3_2015_9solutions.pdf