תרגילי חזרה באלקטרומגנטיות קיץ תשס"ז שאלה 1. נתונים: g, m, V. d, h.

Transkript

1 תרגילי חזרה באלקטרומגנטיות קיץ תשס"ז שאלה 1 שני לוחות מוליכים אופקיים, ששטח כל אחד מהם A, מוחזקים במקביל זה מעל זה במרחק d. (מימדי הלוחות גדולים מאוד ביחס ל- d.). הלוחות מחוברים להדקיו של מקור מתח V כך שהלוח העליון מחובר להדק השלילי של המקור. חלקיק טעון שמסתו m משוחרר ממנוחה, מגובה h מעל פתח קטן שבלוח העליון ונעצר באמצע הרווח שבין הלוחות. d, h. נתונים: g, m, V א. ד. ה. ו. האם המטען חיובי או שלילי? תאר במילים את תנועתו של החלקיק. לאיזו מהירות מרבית מגיע החלקיק בפרק הזמן שבין שחרורו לבין עצירתו? מהי תאוטתו של החלקיק בקבל? שרטט גרף איכותי המתאר את מהירותו הרגעית של החלקיק כפונקציה של הזמן מרגע שחרור הגוף ועד לעצירתו. בטא את מטען החלקיק בעזרת נתוני השאלה.

2 שאלה 2 תלמידה נבחנה בבגרות מעבדה בפיזיקה במתכונת חקר. התלמידה התבקשה לבנות את המעגל המתואר בתרשים, בעזרת מקור מתח ε שהתנגדותו הפנימית r, נגד משתנה R, נגד Ro=100Ω ושני וולטמטרים. לאחר מכן התבקשה התלמידה למדוד את המתח Vo על הנגד Ro ואת מתח ההדקים, V עבור התנגדויות שונות R. תוצאות המדידות שביצעה מובאות בטבלה. V (v) Vo (v) R (Ω) א. ד. ה. הסבר מהו מתח הדקים של מקור מתח. פתח ביטוי למתח ההדקים V כפונקציה של המתח Vo על הנגד Ro (והקבועים- (r, ε, Ro שרטט גרף של מתח ההדקים V כפונקציה של המתח Vo על הנגד.Ro מצא על פי הגרף ששרטטת את הכא"מ של מקור המתח. מצא על פי הגרף ששרטטת את התנגדותו הפנימית של מקור המתח.

3 שאלה 3 במעגל שבתרשים המפסק S פתוח. שני הנגדים הם זהים, בעלי התנגדות R כל אחד נתונים של המקור הם. r = R, ε התנגדות האמפרמטר זניחה S A סוגרים את המפסק. א. האם הוראת האמפרמטר עולה, יורדת או אינה משתנה? בסס את תשובתך על שיקול פיסיקלי. מהו היחס בין הזרם לאחר סגירת המפסק לבין הזרם קודם לכן? ג. האם מתח ההדקים עולה, יורדת או אינה משתנה? בסס את תשובתך על שיקול פיסיקלי. ד. מהו היחס בין מתח ההדקים אחרי סגירת המפסק לבין זה שלפני הסגירה?

4 שאלה 4 חרוז שמסתו m ומטענו החיובי q+ מחליק ללא חיכוך לאורך תיל מבודד אופקי. 2 = +2q 1 = +8q ו- שאורכו.L בקצות התיל קבועים שני מטענים קטנים (ראה תרשים) בטא את תשובותיך באמצעות,k. m,l, q 2 +q 1 m 1 א. בנקודה A נמצא החרוז בשיווי משקל. מהו מרחקה של הנקודה A מן המטען? העתק את התרשים למחברתך וסמן בו את הנקודה A. מזיזים את החרוז ימינה ומחזיקים אותו במנוחה בנקודה B. הנקודה B נמצאת מן הנקודה A. במרחק של l / 3 L (1) מהו השדה החשמלי (גודל וכיוון) בנקודה? B (2) מהו הפוטנציאל החשמלי בנקודה? B (הנח שהפוטנציאל באינסוף שווה לאפס) משחררים את החרוז ממנוחה בנקודה B. (1) לאיזה כיוון ינוע החרוז? נמק (2) בעזרת שיקולי אנרגיה, קבע איכותית היכן תהיה מהירות הכדור מירבית? הסבר במילים את תשובתך על-פי שיקולים פיזיקליים. (3) באיזה מרחק מ 1 ייעצר החלקיק (עצירה רגעית)?

5 שאלה 5 בכל אחד משבעת הקדקודים F E, D, C, B, A, ו- G של מתומן משוכלל נמצא מטען נקודתי חיובי. בקדקוד H אין מטען (ראה תרשים א). המרחק בין נקודה O, מרכז הסימטריה של המתומן, לבין כל אחד מן הקדקודים הוא a. A B a H C G O D F E תרשים א בטא את תשובותיך לשאלות באמצעות נתוני השאלה. א. (1) הסבר מה משמעות המושג "שדה חשמלי". (2) מהו השדה החשמלי השקול (גודל וכיוון) במרכז הסימטריה O של המתומן? הסבר. מעבירים מטען נוסף ממקום רחוק מאד ("אינסוף") אל הנקודה O. מהי העבודה שנעשתה נגד כוחות השדה החשמלי? מעבירים את המטען הנוסף מהמרכז O לקדקוד השמיני H (בכל אחד מקדקודי המתומן נמצא עתה מטען ). (1) מהו השדה החשמלי בנקודה O? נמק. (2) האם דרושה עבודה כדי להביא מטען q מאינסוף אל מרכז המתומן? אם לא - נמק. אם כן כמה עבודה דרושה? ד. בכל אחד מארבעת הקדקודים E C, A, ו- G מחליפים את המטען במטען שלילי. (בכל אחד מארבעת הקדקודים האחרים נמצא מטען, ובנקודה O אין מטען). האם פעולה זו תגרום לשינוי בפוטנציאל החשמלי במרכז המתומן? אם לא נמק. אם כן מהו גודל השינוי?

6 שאלה 6 כדור מוליך תלוי על חוט מבודד בין שני לוחות קבל כמתואר בתרשים. המרחק בין הלוחות 5 ס"מ ומסת הכדור 0.02 גרם. מחברים את הלוחות למקור מתח של 500 וולט וכתוצאה מכך סוטה החוט בזווית של חמש מעלות. א. מהו סימנו של המטען החשמלי? נמק תשובתך. סמן את הכוחות הפועלים על הכדור. חשב את כמות המטען על הכדור. ד. מרחיקים את הלוחות האחד מהשני למרחק 10 ס"מ, כאשר מקור המתח מחובר לקבל. האם תשתנה זווית הסטייה של החוט מהאנך בהשוואה למתואר בסעיף ב'? נמק תשובתך. ה. מחזירים את הלוחות למרחק 5 ס"מ ומנתקים את מקור המתח. מקרבים אותם זה לזה עד אשר המרחק ביניהם 3 ס"מ. האם תשתנה זווית הסטייה של החוט מהאנך בהשוואה למתואר בסעיף ב'? נמק תשובתך.

7 ε =? r = 1Ω שאלה 7 במעגל המתואר בתרשים 3 המובא להלן, הוזז המגע הנייד בין הנקודה I 1 A לנקודה C. בכל פעם נמדד הזרם העובר דרך מדי הזרם שבתרשים. A B C סימון הזרם הנמדד בכל אמפרמטר מצויין בתרשים. מחוברים למחש מדי הזרם הנ"ל I 2 R =? I ( A 2 ) 1.2 המחשב הפיק גרף של הזרם הזרם I 2 I 2 ( I 1 ) I 1 כפונקציה של וערך קירוב לינארי לגרף זה. הקירוב הלינארי מוצג לפניכם בגרף הבא (גרף 1): 0 12 I ( A 1 ) א. ד. במצב בו הזרם I 1 מכסימלי - לאיזו נקודה (A או C) צריך להיות מחובר המגע הנייד? הסבר! חשב מתוך הגרף את ε ואת. R. I, I, 1 2 ε, r, הנחייה: רשום פונקציה המקשרת בין הגדלים R מצא את שיפוע הגרף, מצא את הקשר בין הגדלים בשאלה לשיפוע הגרף, ולנקודות החיתוך עם הצירים. = I וכן I = 0.2A חשב את ערך התנגדותו של הנגד המשתנה 2 1 באחת הנקודות 10A במצב זה? 1) קבע האם ככל שמקרבים את המגע הנייד לעבר הנקודה A ההתנגדות של הנגד המשתנה (הפעיל במעגל) גדלה / קטנה? 2 )קבע האם ככל שמקרבים את המגע הנייד לנקודה A המתח על הנגד המשתנה גדל / קטן? 3) האם ישנה התאמה בין שתי טענות אלו? אם כן, נמק טענתך, אם לא יישב את הסתירה! הסבר ללא חישוב! (ניתן להיעזר בחישוב לצורך בדיקה אך אין להסביר באמצעותו).

8 שאלה 8 בתרשים נראה מתקן המשמש לקביעת היחס בין מטען של חלקיק (המיונן פעם אחת) ובין מסתו. A 1., A 2 חלקיקים נפלטים ממקור חלקיקים במהירות איטית מאוד אל תוך הרווח שבין לוחות אל לוחות אלה מחובר מקור המספק מתח האצה. D 2 v 0 1 D 2 v 0 לאחר האצתם נכנסים החלקיקים אל בין הלוחות D D 1 ו- המחוברים אף הם אל הדקיו של אותו מקור מתח. הלוחות ו- מוחזקים במרחק d זה מזה וביניהם פועל גם שדה מגנטי אחיד B המכוון בניצב למישור התרשים (כמוראה בציור)..ניתן להניח שהשדה החשמלי הנוצר בין לוחות אלה הוא אחיד. לאחר שהחלקיקים יוצאים מבין הלוחות D1 ו- D 2 הם פוגעים במסך. מכוונים את המתח כך שאלומת החלקיקים תפגע במסך ללא הסחה. נתונים :,,B. d A 2 א. ד. ה. ו. ז. סמן את מהירות החלקיקים היוצאים דרך הלוח ב-. u בטא מהירות זו בעזרת מסת החלקיק m ומטענו.(5 q נק') D 2 לאורך קו ישר? D 1 ו- מה התנאי לכך שהחלקיקים ינועו בין הלוחות 5). D 2 נק') D 1 ו- נסח תנאי זה באמצעות u והשדות E ו- B הפועלים בין הלוחות,B, v q 0 בטא את היחס (היחס בין המטען ובין המסה) של החלקיקים בעזרת הגדלים m d.הנמדדים בנסוי. (5 נק') אם נתון שהשדה המגנטי הוא בעוצמה של, 0.5T והפרש q מצא את היחס m הפוטנציאלים הוא 4800v והמרחק בין לוחות הקבל הוא.( 1cm 5 נק') הן עבור חלקיקים q האם ניתן לקבוע בעזרת המתקן המופיע בתרשים את היחס m חיוביים והן עבור חלקיקים שליליים? נמק!( 5 נק') מה יקרה למסלול האלומה אם נקטין את השדה המגנטי (בשעור קטן)? נמק! (4 נק') מה יקרה לאלומה אם נגדיל את השדה החשמלי (בשעור קטן)? (4 נק')

9 שאלה 9 אלומת אלקטרונים בעלי אנרגיה קינטית E K =5000eV מוחדרת לאזור שרוחבו,d=20cm בו קיים שדה מגנטי אחיד. השדה ניצב למישור הדף. אלומת האלקטרונים יוצאת מהאזור בו פועל השדה המגנטי, בזוית סטייה 30 =α ביחס לכיוון כניסתה לתוך האזור הזה. (ראה תרשים). d e - אזור בו פועל שדה מגנטי B α? הסבר. (6 מהי צורת מסלול האלקטרונים בשדה המגנטי א. נקודות). מהו כיוונו של השדה המגנטי? הסבר. (6 נקודות). מהי עוצמת השדה המגנטי? (12 נקודות ). ג., איזה שדה חשמלי (גודל וכיוון) יש להוסיף באזור בוB פועל ד. כדי שאלומת האלקטרונים לא תסטה כלל מכיוונה המקורי? (9 נקודות).

10 שאלה 10 תלמיד בנה את המתקן הבא על מנת שישמש כאמפרמטר: תיל מוליך נתלה אופקית על שני חוטים מוליכים דקיקים בין שני קטבי מגנט פרסה. אורך קטע התיל שבשדה המגנטי 10 cm ומסת התיל 20. gr כאשר מוזרם זרם בתיל הוא סוטה מהאנך אל תוך הפרסה בזווית α כמתואר בשרטוט: b a N α 10 cm S ד. על מנת להשתמש במתקן זה כאמפרמטר, מדד התלמיד את זווית ההטיה מהאנך α כתלות בזרם בתיל : I(A) α(deg) בתשובותיך הנח כי השדה המגנטי על התיל B אחיד וכיוונו כלפי מטה. א. על פי השרטוט, האם הזרם בתיל זורם מ a ל b או מ b ל? a הסבר. התלמיד בנה על סמך מדידותיו גרף של tan(α) כתלות בזרם. I תוך שימוש בשרטוט הכוחות על התיל האופקי, הסבר מדוע התלמיד בחר דווקא לבנות את הגרף הזה. שרטט גרף של tan(α) כתלות בזרם I ובעזרתו מצא את עצמת השדה המגנטי B. כאשר התלמיד עשה שימוש במתקן זה כאמפרמטר הוא העביר דרכו זרם לא ידוע וזווית ההטיה שהתקבלה היתה 40. מצא על פי זווית זו את עצמת הזרם. מה הדומה ומה השונה בין עקרון פעולתו של מתקן זה לבין עקרון פעולתו של אמפרמטר אנלוגי רגיל בו עושים שימוש במעבדת הפיזיקה?

11 שאלה 11 בין שני לוחות מקבילים ארוכים המחוברים למקור מתח, V מצוי מקור S של שני סוגי חלקיקים: פרוטונים(מסתם m p ומטענם (+e וחלקיקי α (מסתם 4m p ומטענם.(+2e בין הלוחות המקבילים מתקיים הפרש מתחים V המשמש להאצת החלקיקים. א. פתח ביטוי פרמטרי למהירות של כל אחד מהחלקיקים המגיעים לפתח S 1 באמצעות הגדלים 8).V,e, m p נק). מפעילים מתח האצה של 10 7 וולט ויוצרים שדה מגנטי אחיד B, שגודלו 2 טסלה, המכוון אל תוך מישור התרשים בתחום שמימין לפתח S חשבו את מהירויות שני סוגי החלקיקים בכניסה לשדה המגנטי.( 6 נק). 2. מהו המרחק בין נקודות הפגיעה של שני סוגי החלקיקים בלוח הימני, לאחר שהשלימו חצי סיבוב בשדה המגנטי?( 6 נק). 3. מה צריך להיות ערכו של המתח, V אם רוצים להגדיל פי שניים את המרחק בין נקודות הפגיעה שחושב בסעיף הקודם?( 5 נק) וולט. מוסיפים עתה למערכת חריץ S ומעוניינים לקבל אלומת 2 מפעילים מתח האצה של פרוטונים טהורה היוצאת דרך החריץ. S 2 1. מהו גודלו וכיוונו של שדה חשמלי אחיד E שיש להפעיל, בתחום שבו שורר השדה המגנטי B, כדי להבטיח את יציאתם של הפרוטונים דרך? S 2.( 4.33 נק). 2. מה יקרה לחלקיקי α כתוצאה מהכנסת השדה החשמלי?הסבר תשובתך.( 4 נק).

12 שאלה 12 מטען חיובי של 0.01 קולון מואץ ממנוחה בשדה חשמלי אחיד שעוצמתו 1000 ניוטון לקולון מלוח A ללוח. B מסת המטען היא 2 גרם. מטען זה, משוחרר מנקודה C הנמצאת מול חריץ. D המרחק בין לוחות הקבל הוא 80 ס"מ. מעל הקבל שורר שדה מגנטי של 2 טסלה X X X X X X X X X X X D X X X X X X B C א. ד. ה. ו. מהו כיוונו של השדה החשמלי בין לוחות הקבל? נמק תשובתך. מצא את גודל התאוצה של המטען ) גודל וכיוון). מצא את מהירות החלקיק בהגיעו לנקודה D. שרטט את מסלול תנועתו של המטען באזור בו שורר שדה מגנטי( נמק תשובתך). מצא את המרחק בין D לבין נקודת הפגיעה בלוח. אם נכפיל את עוצמת השדה החשמלי האם משך זמן מסלולו בשדה המגנטי יגדל, יקטן או ישאר זהה למצב הקודם? נמק תשובתך. חזור על הסעיפים הקודמים עבור חלקיק בעל אותה מסה ומטען שלילי של קולון.אם טוענים את הלוחות במטענים מנוגדים בהשוואה למקרה הראשון.