Заряженная частица движется по окружности радиусом 1 см в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл. В  некоторый  момент  включают  однородное  электрическое поле напряжённостью 100 В/м, вектор напряжённости которого направлен параллельно вектору магнитной индукции. Через какой промежуток времени кинетическая энергия частицы увеличится в 2 раза?
от

1 Ответ

Дано:
r = 1 см = 0,01 м (радиус окружности)  
B = 0,1 Тл (магнитная индукция)  
E = 100 В/м (напряженность электрического поля)  

Найти:
t (время, через которое кинетическая энергия частицы увеличится в 2 раза)

Решение:

1. Начальная скорость частицы можно найти из условия, что она движется по окружности под действием магнитного поля. Сила Лоренца равна центростремительной силе:

qvB = mv^2 / r

Здесь:
q - заряд частицы,
m - масса частицы.

2. Из этого уравнения можно выразить скорость v:

v = qBr / m

3. Кинетическая энергия частицы:

K = (1/2) mv^2

Подставляем выражение для скорости v:

K = (1/2) m (qBr / m)^2 = (1/2) (q^2 B^2 r^2) / m

4. После включения электрического поля на скорость частицы будет действовать еще одна сила:

F_E = qE

5. Результирующая сила будет равна:

F_res = F_B + F_E = qvB + qE

6. При равномерном движении (по окружности) работа, совершаемая электрическим полем, приводит к изменению кинетической энергии:

A = F_E * d

где d - путь, который проходит частица за время t.

Путь d можно выразить как:

d = vt = (qBr / m) t

7. Таким образом, работа электрического поля:

A = qE * (qBr / m) t = (q^2 B r E / m) t

8. Изменение кинетической энергии должно составить K:

ΔK = A = (q^2 B r E / m) t

9. Нам нужно, чтобы кинетическая энергия увеличилась в 2 раза:

ΔK = K

Таким образом, приравниваем:

(q^2 B r E / m) t = (1/2) (q^2 B^2 r^2) / m

10. Упрощаем:

t = (1/2) (B r^2) / E

11. Подставляем значения:

t = (1/2) (0,1 * (0,01)^2) / 100 = (1/2) (0,1 * 0,0001) / 100 = (1/2) (0,00001) / 100 = (0,000005) / 100 = 5 * 10^(-8) с

Ответ:
Время, через которое кинетическая энергия частицы увеличится в 2 раза, составляет 5 * 10^(-8) секунд.
от