Κατηγορία: 4. ΦΥΣΙΚΗ Γ΄ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ

Γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος, αποτελείται από στρεφόμενο τετράγωνο πλαίσιο εμβαδού A = 0,25m², με Ν = 100σπείρες και αντίσταση ανά μονάδα μήκους R_Π* = 2,5Ω/m, μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου Β = 0,4Τ. Συνδέουμε στη γεννήτρια μια θερμική συσκευή με στοιχεία κανονικής λειτουργίας 200V, 2000W και θέτουμε το πλαίσιο σε περιστροφή με σταθερή γωνιακή ταχύτητα ω=20rad/s. Τη χρονική στιγμή t = 0, που άρχισε η λειτουργία της γεννήτριας το εμβαδικό διάνυσμα ήταν ομόρροπο με την ένταση του μαγνητικού πεδίου και η θερμική συσκευή υπακούει στο νόμο του Ohm.1) Υπολογίστε τις αντιστάσεις R_Π του πλαισίου και R της συσκευής.
2) Ποια είναι η χρονική εξίσωση
α) της στιγμιαίας ΗΕΔ επαγωγής ε, που αναπτύσσεται στο πλαίσιο;
β) της στιγμιαίας έντασης i του ρεύματος, που διαρρέει το κύκλωμα;
γ) της τάσης υ στα άκρα της συσκευής;
3) Να κάνετε τις γραφικές παραστάσεις ε → t και υ →t σε κοινό σύστημα βαθμολογημένων αξόνων.
4) Η συσκευή λειτουργεί κανονικά; Ποιο έπρεπε να είναι το πλάτος της ΗΕΔ επαγωγής του στρεφόμενου πλαισίου για να λειτουργεί κανονικά η συσκευή και πόσο θα επιβαλλόταν να γίνει η γωνιακή ταχύτητα του πλαισίου για να το επιτύχουμε;
5) Πόση είναι η μέση ισχύς που καταναλώνει η συσκευή; Γράψτε την εξίσωση που δίνει τη στιγμιαία ισχύ που καταναλώνει η συσκευή και κάνετε την αντίστοιχη γραφική παράσταση σε βαθμολογημένο σύστημα αξόνων για μία περίοδο περιστροφής του πλαισίου.
6) Ποιες χρονικές στιγμές, στη διάρκεια 2 περιόδων της συνάρτησης p = f(t),  η στιγμιαία ισχύς είναι p = 980W;

Απάντηση 

Απάντηση 

Η μαγνητική ροή που διέρχεται από κάθε σπείρα της επιφάνειας ενός στρεφόμενου πλαισίου, μιας γεννήτριας εναλλασσόμενης τάσης, μεταβάλλεται όπως στο διάγραμμα.

Το πλαίσιο έχει Ν = 100 σπείρες, αντίσταση R_F = 4Ω και στρέφεται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα μέτρου ω μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο , με τα άκρα του αρχικά ανοιχτά.
i) Ποιος είναι ο προσανατολισμός του πλαισίου εντός του μαγνητικού πεδίου, τη χρονική στιγμή t = 0;
ii) Να γράψετε τις χρονικές εξισώσεις της μαγνητικής ροής από μια σπείρα και της ΗΕΔ που αναπτύσσεται στο πλαίσιο.

Συνδέουμε στα άκρα του πλαισίου αντιστάτη, με αντίσταση R = 16Ω.

iii) Για την προστασία του κυκλώματος τοποθετούμε σε σειρά στο κύκλωμα, αυτόματη ασφάλεια αμελητέας αντίστασης. Ποια μέγιστη τιμή
έντασης ρεύματος πρέπει να αναγράφει το ταμπελάκι της ασφάλειας και γιατί;
α) 6Α                β) 7Α                γ) 10Α
iv) Να γράψετε την εξίσωση της στιγμιαίας ισχύος που προσφέρει η πηγή στο κύκλωμα. Ποια είναι η μέση ισχύς που καταναλώνει ο αντιστάτης;
v) Ποια είναι η τάση στα άκρα της αντίστασης, κατά τη διάρκεια μιας περιόδου περιστροφής του πλαισίου, τις χρονικές στιγμές που η μαγνητική ροή είναι Φ = π∙10^-3Wb;
vi) Κάποια χρονική στιγμή μετά την t = 0, η τάση στα άκρα του πλαισίου γίνεται για πρώτη φορά υ₁ = +80√3V. Ποιο είναι το ελάχιστο χρονικό διάστημα, που θα περάσει ώστε η τάση αυτή να γίνει υ₂ = -80V;

Απάντηση 

Απάντηση 

Σε ένα ιδανικό μέλαν σώμα, δύο άτομα α και β ταλαντώνονται με την ίδια ενέργεια Ε_i. Το άτομο α απορροφά ένα φωτόνιο με συχνότητα f₁ = f, ενώ το άτομο β απορροφά ένα φωτόνιο με συχνότητα f₂ = 3f.

i) Να σχεδιάσετε ένα ποιοτικό διάγραμμα ενέργειας – συχνότητας (Ε-f) για τα ενεργειακά άλματα που κάνουν τα άτομα.

ii) Τα άτομα α και β αποδιεγείρονται. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις πιστεύετε ότι είναι σωστές ή λάθος; Δικαιολογείστε τις απαντήσεις σας.

α) Το άτομο α θα εκπέμψει μόνο ένα φωτόνιο συχνότητας  f₁, επιστρέφοντας στην Ε_i.

β) Το άτομο β είναι πιο πιθανό να εκπέμψει ένα φωτόνιο συχνότητας  f₂, επιστρέφοντας στην Ε_i.

γ) Το άτομο β είναι πιο πιθανό να εκπέμψει τρία φωτόνια συχνότητας  f₁, επιστρέφοντας στην Ε_i.

iii) Σχεδιάστε ένα ποιοτικό διάγραμμα ενεργειακών σταθμών, που να φαίνονται οι εκπομπές φωτονίων από τα άτομα α και β, κατά την αποδιέγερσή τους.

iv) Μπορείτε τώρα να εξηγήσετε γιατί η γραφική παράσταση της φασματικής αφετικής ικανότητας (έντασης ανά μονάδα μήκους κύματος) του μέλανος σώματος, τείνει στο μηδέν για πολύ μικρά ή πολύ μεγάλα μήκη κύματος;

Απάντηση 

Απάντηση 

Σε ένα πείραμα μελέτης του φαινομένου Compton, θέλουμε ένα ακίνητο ηλεκτρόνιο, μετά τη σκέδαση του προσπίπτοντος φωτονίου, να αποκτήσει κινητική ενέργεια Κ = 32keV.

α) Ποια είναι η ελάχιστη ενέργεια Ε ενός φωτονίου, που μπορεί να προκαλέσει αυτή τη σκέδαση;

β) Για καθηγητές

Η ταχύτητα του ηλεκτρονίου μπορεί να υπολογιστεί με τη βοήθεια της Κλασσικής Φυσικής;

Δίνονται μάζα ηρεμίας ηλεκτρονίου m = 9,1∙10^-31kg, ταχύτητα φωτός στο κενό c = 3 ∙ 10⁸m/s και 1eV = 1,6 ∙ 10^-19J

Απάντηση 

Απάντηση

Στο σχήμα 1 φαίνεται ένα άτομο του υλικού της ανόδου ενός σωλήνα Coolidge, που χρησιμοποιείται για παραγωγή ακτίνων Χ. Φαίνονται επίσης οι τροχιές δύο ηλεκτρονίων e₁ και e₂ που έφτασαν από την κάθοδο στην άνοδο με την ίδια κινητική ενέργεια και διήλθαν μέσα από αυτό το άτομο.

i) Ποιο από τα παρακάτω χημικά στοιχεία χρησιμοποιήθηκε για το υλικό της ανόδου;

α)  ⁷⁴Ge₃₂                      β) ⁷⁴As₃₃                        γ) ¹⁸⁴W₇₄

ii) Αν γνωρίζουμε ότι τα σημεία τήξης των παραπάνω υλικών είναι

α) θ_Ge = 938,25 ⁰C        β) θ_As = 816,9 ⁰C           γ) θ_W= 3.422 ⁰C

ποιο υλικό θα χρησιμοποιούσαμε για την άνοδο; Γιατί;

iii)        1) Το σχήμα 1 αναφέρεται στον τρόπο που παράγεται το συνεχές ή το γραμμικό φάσμα;

2) Για τα μήκη κύματος λ₁ και λ₂ των δύο εκπεμπόμενων φωτονίων ισχύει

α) λ₁ > λ₂                      β) λ₁ < λ₂                      γ) λ₁ = λ₂

Συνέχεια 

Συνέχεια 

Το κύκλωμα του σχήματος περιλαμβάνει ιδανική πηγή με ΗΕΔ Ε = 100V, ιδανικό πηνίο με συντελεστή αυτεπαγωγής L = 0,1H και αντίσταση R = 10Ω, συνδεδεμένα σε σειρά. Τη χρονική στιγμή t₀ = 0 κλείνουμε το διακόπτη δ.

α) Κάποια χρονική στιγμή t₁, ο ρυθμός αποθήκευσης ενέργειας στο μαγνητικό πεδίο του πηνίου γίνεται μέγιστος. Ποιος είναι ο μέγιστος ρυθμός αποθήκευσης ενέργειας στο μαγνητικό πεδίο του πηνίου και ποια είναι η ένταση του ρεύματος εκείνη τη στιγμή;

β) Ποια θα είναι η τελική-σταθεροποιημένη τιμή της έντασης του ρεύματος; Να κάνετε ένα ποιοτικό διάγραμμα i → t.

γ) Να κάνετε τη γραφική παράσταση του ρυθμού μεταβολής της έντασης του ρεύματος σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος. Ποια είναι η μέγιστη τιμή του και πότε την παίρνει;

δ) Τη χρονική στιγμή t₁, βρείτε τους ρυθμούς μεταφοράς ενέργειας από τα δίπολα του κυκλώματος στο ηλεκτρικό ρεύμα και την ενέργεια που έχει αποθηκευτεί στο πηνίο.

ε) Τι ποσοστό της τελικής ενέργειας του μαγνητικού πεδίου, έχει αποθηκευτεί τη χρονική στιγμή t₁;

στ) Για καθηγητές. Γράψτε τις χρονικές εξισώσεις και κάνετε τις αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις:

στ₁) της έντασης του ρεύματος

στ₂) της ΗΕΔ αυτεπαγωγής

στ₃) της ισχύος στο πηνίο

στ₄) της ενέργειας του μαγνητικού πεδίου

Απάντηση 

Απάντηση 

To 1887 o Γερμανός Φυσικός Heinrich Hertz κατασκεύασε το κύκλωμα, που φαίνεται στην γκραβούρα, με σκοπό να παράγει ηλεκτρομαγνητικά κύματα, αποδεικνύοντας πειραματικά τη θεωρία του Maxwell. Βλέπουμε σε αυτό δύο λεία σφαιρίδια a και b, δυο σφαίρες Α και Β, που δημιουργούν πυκνωτή, ένα επαγωγικό πηνίο Rhumkorff και μια πηγή συνεχούς τάσης.
Αν το ζωγραφίσουμε με σύμβολα, παίρνουμε το κύκλωμα του σχήματος 1, όπου έχει προστεθεί και ο δέκτης, που είναι ένας κυκλικός αγωγός με εγκοπή, στα άκρα του οποίου έχουν συγκολληθεί τα λεία σφαιρίδια d, e.
Κλείνουμε το διακόπτη δ. Το επαγωγικό πηνίο παράγει υψηλή εναλλασσόμενη τάση και ανάμεσα στα σφαιρίδια a, b εμφανίζεται ηλεκτρικός σπινθήρας. Τότε παρατηρούμε ότι και ανάμεσα στα σφαιρίδια d, e του δέκτη δημιουργείται σπινθήρας.
α) Τι εξήγηση θα μπορούσατε να δώσετε για το σπινθήρα ανάμεσα στα d, e;
β) Η τάση που παράγει το πηνίο Rhumkorff δεν είναι αρμονική. Ας υποθέσουμε ότι είναι. Τότε και στο δέκτη παρατηρούμε επίσης αρμονική τάση. Ο Hertz υπολόγισε ότι το μήκος του Η/Μ κύματος ήταν λ =6m. Η συχνότητα του πομπού ήταν f = 5∙10⁸Hz. Χρησιμοποιώντας ανακλαστήρες κατόρθωσε να εγκλωβίσει στάσιμο ηλεκτρομαγνητικό κύμα ανάμεσα στον πομπό και το δέκτη και παρατήρησε ότι μετακινώντας έναν ανιχνευτή, κάθε 3m, λάμβανε μηδενισμό της έντασης του κύματος. Πόση ήταν η ταχύτητα διάδοσης;
γ) Αν Εmax =3∙10⁶ V/m, γράψτε τις εξισώσεις του ηλεκτρικού και του μαγνητικού κύματος, μακριά από τον πομπό, θεωρώντας διάδοση στη διεύθυνση ενός άξονα Χ΄Χ.
δ) Γιατί αυτό το Η/Μ κύμα δεν ήταν ορατό;
Σε ποια περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος ανήκει; Θεωρείστε ότι ο αέρας συμπεριφέρεται ως κενό.

Απάντηση 

Απάντηση 

Σχόλια

Θεωρούμε ένα συρμάτινο τριγωνικό πλαίσιο ΚΜΝ με (ΜΝ) = l = 1m, που μπορεί να στρέφεται περί άξονα, διερχόμενο από το άκρο του Κ και είναι κάθετος στο επίπεδό του. Για τη σταθερότητα της κατασκευής, μια ράβδος από μονωτικό υλικό, μήκους επίσης l, συμπίπτει με το ύψος ΚΛ του τριγώνου και ορίζει στη ΜΝ τμήματα με (ΜΛ)/(ΛΝ) = α/β = 3/7 (σχήμα 1)

Στο χώρο υπάρχει ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου Β = 1Τ, με δυναμικές γραμμές κάθετες στο επίπεδο του πλαισίου.

Θέτουμε το πλαίσιο σε αντιωρολογιακή περιστροφή γύρω από τον άξονά του, με σταθερή γωνιακή ταχύτητα μέτρου ω = 2rad/s.

α) Το πλαίσιο διαρρέεται από ρεύμα; Δικαιολογείστε την απάντησή σας.

β) Αναπτύσσεται ΗΕΔ επαγωγής σε κάθε πλευρά του πλαισίου; Αν ναι μπορείτε να βρείτε τις αντίστοιχες τιμές;

γ) Αν αφαιρούσαμε από το πλαίσιο τις πλευρές ΚΜ και ΚΝ, θα παρέμενε το στερεό Σ του σχήματος 2.

Ποια θα ήταν η ΗΕΔ από επαγωγή μεταξύ των άκρων Μ και Ν;

Απάντηση 

Απάντηση