Пройдя ускоряющую разность потенциалов 3,52 кВ, электрон влетел в однородное магнитное поле с индукцией 0,01 Тл перпендикулярно линиям индукции и стал двигаться по дуге окружности радиусом 2 см. Найдите отношение заряда электрона к его массе (удельный заряд).
от

1 Ответ

Дано:
- Разность потенциалов U = 3,52 кВ = 3,52 * 10^3 В (1 кВ = 10^3 В)
- Индукция магнитного поля B = 0,01 Тл
- Радиус дуги окружности r = 2 см = 0,02 м (1 см = 0,01 м)

Найти: отношение заряда электрона к его массе (удельный заряд) q/m.

Решение:

1. Находим кинетическую энергию электрона после прохождения разности потенциалов:

E_kin = q * U,

где q - заряд электрона.

Для электрона q = 1,6 * 10^-19 Кл.

Тогда:

E_kin = (1,6 * 10^-19) * (3,52 * 10^3) = 5,632 * 10^-16 Дж.

2. Кинетическая энергия также может быть выражена через массу и скорость электрона:

E_kin = (1/2) * m * v^2.

Отсюда можно выразить скорость v:

v = sqrt((2 * E_kin) / m).

3. Сила, действующая на электрон в магнитном поле, равна:

F = q * v * B.

Эта сила также равна центростремительной силе:

F = (m * v^2) / r.

4. Приравниваем обе силы:

q * v * B = (m * v^2) / r.

5. Упростим уравнение, разделив обе стороны на v:

q * B = (m * v) / r.

6. Из этого уравнения можно выразить отношение заряда к массе:

q/m = (v * B) / r.

7. Чтобы найти скорость v, подставим значение E_kin в уравнение для v:

v = sqrt((2 * E_kin) / m).

Но нам нужно сначала найти отношение q/m, поэтому воспользуемся выражением для E_kin:

E_kin = (1/2) * m * v^2.

8. Заменим v в уравнении для q/m:

q/m = (sqrt((2 * E_kin) / m) * B) / r.

9. Подставим значение E_kin и упростим:

q/m = (sqrt((2 * (5,632 * 10^-16)) / m) * (0,01)) / (0,02).

10. Поскольку мы хотим найти q/m, можем использовать выражение:

v = (q/m) * r * B.

11. Теперь нам нужно найти значение q/m:

q/m = (2 * E_kin) / (B^2 * r^2).

12. Подставляем известные значения:

q/m = (2 * (5,632 * 10^-16)) / ((0,01)^2 * (0,02)^2).

13. Рассчитаем:

q/m = (1,1264 * 10^-15) / (0,0001 * 0,0004).

q/m = (1,1264 * 10^-15) / (4 * 10^-8) = 2,816 * 10^5 Кл/кг.

Ответ: отношение заряда электрона к его массе (удельный заряд) составляет примерно 2,816 * 10^5 Кл/кг.
от