25

Решение: Протон в поле конденсатора

ЕГЭ · Физика · Задание 25 · Электрический ток и цепи
ПовышеннаяФИПИ203B35Развёрнутое решение≈ 10 минутРазбор в 7 шагов
Условие

Протон влетает в электрическое поле конденсатора параллельно его пластинам в точке, находящейся посередине между пластинами (см. рисунок). Найдите минимальную скорость $v$, с которой протон должен влететь в конденсатор, чтобы затем вылететь из него. Длина пластин конденсатора $5\ \text{см}$, расстояние между пластинами $1\ \text{см}$, напряжённость электрического поля конденсатора $5000\ \text{В/м}$. Поле внутри конденсатора считать однородным, силой тяжести пренебречь.

Открыть задачу и решить самому
Дальше ответЕсли ещё решаете — начните с подсказок: они ведут к ответу, но не выдают его.
К подсказкам

Решение по шагам

7 шагов
1

На протон действует электрическая сила $F = eE$, поэтому его ускорение в направлении к отрицательной пластине равно:

$$a = \frac{F}{m_p} = \frac{eE}{m_p}$$
2

Для минимальной скорости протон должен пролететь внутри конденсатора по предельной траектории: у правого края он касается противоположной пластины. Вертикальное перемещение равно половине расстояния между пластинами:

$$y = \frac{d}{2}$$
3

Время движения протона между краями пластин определяется горизонтальным движением:

$$t = \frac{L}{v}$$
4

Используем формулу перемещения при равноускоренном движении по вертикали:

$$\frac{d}{2} = \frac{at^2}{2}$$
5

Подставляя $a = \dfrac{eE}{m_p}$ и $t = \dfrac{L}{v}$, получаем:

$$\frac{d}{2} = \frac{1}{2}\frac{eE}{m_p}\frac{L^2}{v^2}$$
6

Отсюда минимальная начальная скорость равна:

$$v = L\sqrt{\frac{eE}{m_p d}}$$

Подставим значения $L = 0{,}05\ \text{м}$, $d = 0{,}01\ \text{м}$, $E = 5000\ \text{В/м}$, $e = 1{,}6\cdot10^{-19}\ \text{Кл}$ и $m_p = 1{,}67\cdot10^{-27}\ \text{кг}$:

$$v = 0{,}05\sqrt{\frac{1{,}6\cdot10^{-19}\cdot5000}{1{,}67\cdot10^{-27}\cdot0{,}01}} \approx 3{,}5\cdot10^5\ \text{м/с}$$
Ответ

Минимальная скорость протона: $v_{\min} \approx 3{,}5\cdot10^5\ \text{м/с}$.

Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.

Где здесь ошибаются

Используют в качестве вертикального перемещения всё расстояние между пластинами вместо половины расстояния.

Забывают, что время движения внутри конденсатора равно $L/v$.

Направляют силу на положительную пластину, хотя протон имеет положительный заряд и движется к отрицательной пластине.

Не учитывают, что минимальная скорость соответствует касанию противоположной пластины ровно у края конденсатора.

Закрепить приёмВ теме «Электрический ток и цепи» ещё 204 задачи — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 25 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 7 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Электрический ток и цепи»: в ней 205 задач, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.