ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ και όχι μόνο…
Ανδρέας Ριζόπουλος – Καθηγητής Φυσικής 12ου Λυκείου Πατρών
Περιγραφή
Το τηλεγραφικό σύστημα αποτελείται:
από την πηγή ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να είναι ηλεκτρική στήλη ,γεννήτρια ή συσσωρευτής
Από τη συσκευή πομπό για τη δημιουργία διακοπτόμενου ηλεκτρικού ρεύματος.
Από τη γραμμή μεταφοράς του ρεύματος.
Από το σύστημα του δέκτη που διεγειρόμενος από το διακοπτόμενο ρεύμα το μετατρέπει σε γραπτά (τελείες-γραμμές) ή ηχητικά (μπιπ-μπιιιιπ) ή οπτικά (αναλαμπές) ‘’σημεία’’.
Η συνέχεια εδώ σε pdf
Ένας ραβδόμορφος μαγνήτης πέφτει κατακόρυφα, πλησιάζοντας ένα σταθερό οριζόντιο κυκλικό πλαίσιο, το οποίο αποτελείται από ν κυκλικούς αγωγούς, σχηματίζοντας κλειστό κύκλωμα. Τη στιγμή t1 που δείχνει το διπλανό σχήμα, η δυναμική ενέργεια του μαγνήτη μειώνεται κατά 6J/s.
i) Να εξηγήσετε γιατί το πλαίσιο διαρρέεται από ρεύμα και να βρείτε την φορά του για την στιγμή t1 του σχήματος.
ii) Την στιγμή t1 η κινητική ενέργεια του μαγνήτη αυξάνεται με ρυθμό:
α) 5J/s, β) 6J/s, γ) 7J/s.
Να δικαιολογήσετε τις απαντήσεις σας.
Η αντίσταση του αέρα θεωρείται αμελητέα.
Α) Το τετράγωνο συρμάτινο πλαίσιο (Π) κινείται προς τα δεξιά με ταχύτητα μέτρου υ. Στο ίδιο επίπεδο με το πλαίσιο, βρίσκεται ακίνητος ο ευθύγραμμος αγωγός (Ε) μεγάλου μήκους, που διαρρέεται από σταθερό ρεύμα έντασης Ι, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.
Β) Το πλαίσιο (Π) του ερωτήματος Α, κινείται στο ίδιο επίπεδο με τον ακίνητο αγωγό (Ε), αλλά με ταχύτητα μέτρου υ παράλληλη προς αυτόν όπως φαίνεται στο σχήμα 2.
Συνέχεια πειραμάτων…
Πάνω στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο, βρίσκονται, δύο κυκλικοί αγωγοί Α1 και Α2, όπως φαίνεται στην κάτοψη του σχήματος. Κάθετα στη διάκεντρο των αγωγών και στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο, τοποθετείται ο ευθύγραμμος αγωγός Α. Συνδέουμε τον αγωγό Α σε κύκλωμα με πηγή συνεχούς τάσης και μεταβλητή αντίσταση, ώστε να διαρρέεται από ρεύμα, που έχει τη φορά του σχήματος. Κάποια στιγμή αρχίζουμε να κινούμε το δρομέα και η μεταβλητή αντίσταση αυξάνεται χρονικά.
α) Να κάνετε τη γραφική παράσταση |B| – r που περιγράφει πως μεταβάλλεται το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου του ευθύγραμμου αγωγού Α, πάνω στην ευθεία της διακέντρου των δύο κυκλικών αγωγών, θεωρώντας τον αγωγό Α στη θέση r = 0.
β) Να εξηγήσετε γιατί θα αναπτυχθεί ΗΕΔ επαγωγής στους κυκλικούς αγωγούς.
γ) Να βρείτε τη φορά του επαγωγικού ρεύματος στους κυκλικούς αγωγούς, να την σχεδιάσετε στο σχήμα και να την δικαιολογήσετε.
Χρησιμοποιώντας λεπτό σύρμα, φτιάχνουμε ένα κυκλικό στεφάνι αμελητέου πάχους, με Ν = 10σπείρες και ακτίνα r = 2 / √π m. Το σύρμα έχει αντίσταση ανά μονάδα μήκους R* = 0,5 / √π Ω/m. Στα άκρα του συνδέουμε λαμπτήρα αντίστασης R = 80Ω, ο οποίος όταν λειτουργεί κανονικά αποδίδει θερμική ισχύ P = 51,2W. Ενεργοποιούμε ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο, ώστε οι δυναμικές γραμμές να διέρχονται από όλη την επιφάνεια του στεφανιού, σχηματίζοντας γωνία θ = 530, με αυτήν, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου μεταβάλλεται στη συνέχεια σύμφωνα με τη γραφική παράσταση του σχήματος 2. Το στεφάνι παραμένει ακίνητο, το εμβαδικό διάνυσμα έχει τη φορά του σχήματος 1 και δίνεται ημ530 = 0,8.
α) Να γράψετε τις χρονικές εξισώσεις της μαγνητικής ροής που διέρχεται από την επιφάνεια μίας σπείρας του στεφανιού.
β) Να βρείτε τη χρονική εξέλιξη της ΗΕΔ που αναπτύσσεται στο στεφάνι και να κάνετε την αντίστοιχη γραφική παράσταση σε βαθμολογημένους άξονες. Θα χαρακτηρίζατε την παραγόμενη ΗΕΔ ως συνεχή ή εναλλασσόμενη;
γ) Να κάνετε τη γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα και να υπολογίσετε την ενεργό τιμή της.
δ) Να εξετάσετε αν ο λαμπτήρας λειτουργεί κανονικά.
ε) Βρείτε το ηλεκτρικό φορτίο που θα περάσει από μια διατομή του κυκλώματος αλγεβρικά με βάση τη φορά του ρεύματος και το κατά απόλυτη τιμή ηλεκτρικό φορτίο που θα διακινηθεί ανεξάρτητα της φοράς του ρεύματος. Ποιο από τα δύο μας δίνει ο νόμος Newman αν εφαρμοστεί για όλο το χρονικό διάστημα των 3s;
στ) Κοιτώντας το στεφάνι από ψηλά (κάτοψη), σχεδιάστε και δικαιολογείστε τη φορά του επαγωγικού ρεύματος.
Πάνω σε ένα οριζόντιο επίπεδο μπορεί να κινείται ένα πειραματικό όχημα, στην οριζόντια καρότσα του οποίου έχουμε ξαπλώσει έναν κυκλικό αγωγό με αντίσταση ανά μονάδα μήκους R* = 5/π Ω/m και ακτίνα α =0,3 m. Ο αγωγός τροφοδοτείται από μπαταρία με ΗΕΔ Ε = 24V και εσωτερική αντίσταση r = 1Ω, που βρίσκεται πάνω στο όχημα. Το κέντρο του Κ, βρίσκεται στην αρχή ενός συστήματος αξόνων XOY, όπως φαίνεται στο σχήμα. Στη θέση x = –a και κατά τη διεύθυνση του άξονα Y΄Y, βρίσκεται ακλόνητος οριζόντιος ευθύγραμμος αγωγός απείρου μήκους, ο οποίος διαρρέεται από ρεύμα ίδιας έντασης με τον κυκλικό, με φορά που φαίνεται στο σχήμα και αποτελείται από δέσμη Ν = 10 όμοιων λεπτών ευθύγραμμων συρμάτων. Κάποια χρονική στιγμή, αρχίζουμε να μετακινούμε το όχημα κατά τη θετική φορά του άξονα X΄X .
Α΄μέρος: Για μαθητές
α) Να υπολογίσετε το μέτρο και την κατεύθυνση της έντασης του μαγνητικού πεδίου του κυκλικού αγωγού στο κέντρο του Κ.
β) Να υπολογίσετε το μέτρο και την κατεύθυνση της έντασης του μαγνητικού πεδίου, που δημιουργεί ο ευθύγραμμος αγωγός στο κέντρο Κ του κυκλικού αγωγού, σε συνάρτηση με την απόσταση x από την αρχή του άξονα Χ΄Χ.
γ) Να κάνετε τη γραφική παράσταση της αλγεβρικής τιμής της έντασης του συνολικού μαγνητικού πεδίου στο κέντρο Κ του κυκλικού αγωγού σε συνάρτηση με τη θέση x, πάνω στον άξονα X΄X . Θεωρείστε θετική τη φορά προς τον αναγνώστη. Σε ποια θέση μηδενίζεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου;
Οι αγωγοί βρίσκονται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο. Δίνεται kμ = 10-7Ν/Α2 και να μη ληφθούν υπόψη τα επαγωγικά φαινόμενα, που εμφανίζονται κατά την κίνηση του κυκλικού αγωγού.
Β΄μέρος: Για καθηγητές
Αλλάζουμε την πολικότητα της πηγής. Ας υπολογίσουμε τη δύναμη Laplace που δέχεται ο κυκλικός ρευματοφόρος αγωγός, από το μαγνητικό πεδίο του ευθύγραμμου, όταν το κέντρο του Κ βρίσκεται σε απόσταση r =2R από τον ευθύγραμμο .
Ένας λαμπτήρας περιέχει το ευγενές αέριο Ne (νέον). Για να αρχίσει να φωτοβολεί πρέπει η τάση στα άκρα του να γίνει υα = 110√2V (τάση αφής), ενώ για να σβήσει πρέπει να πέσει στα υσ = 55√2V (τάση σβέσης). Συνδέουμε τον λαμπτήρα σε πηγή εναλλασσόμενης τάσης ενεργού τιμής Vεν = 220V και συχνότητας f = 50Hz.
Η χρονική διάρκεια φωτοβολίας της λάμπας ανά περίοδο λειτουργίας είναι
α) 7,5ms β) 15ms γ) 30ms
Επιλέξτε τη σωστή απάντηση, δικαιολογώντας την επιλογή σας.
Δίνεται ημ(0,08π) = 1/4
Στο εσωτερικό ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου, που δημιουργείται από ένα σωληνοειδές, βρίσκεται το συρμάτινο τετράγωνο πλαίσιο ΑΓΔΖ του διπλανού σχήματος, πλευράς α, με το επίπεδό του κάθετο στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και το κέντρο του Κ πάνω στον άξονα του σωληνοειδούς. Οι αντιστάσεις R1 και R2 είναι γνωστές, με R2 = 2R1 = 2R και αποτελούν τις μόνες αντιστάσεις του κυκλώματος. Η αλγεβρική τιμή της έντασης του μαγνητικού πεδίου μεταβάλλεται σύμφωνα με τη σχέση Β = Β0 +kt, όπου k μια θετική σταθερά. Θεωρούμε την κάθετη στην επιφάνεια του πλαισίου, ομόρροπη με το διάνυσμα της έντασης του μαγνητικού πεδίου.
i) Το κύκλωμα
α) διαρρέεται από επαγωγικό ρεύμα, που έχει ωρολογιακή φορά.
β) διαρρέεται από επαγωγικό ρεύμα, που έχει αντιωρολογιακή φορά.
γ) δεν διαρρέεται από ρεύμα, αφού δεν υπάρχει συνδεδεμένη ηλεκτρική πηγή.
Βρείτε τη σωστή πρόταση, δικαιολογώντας την.
Ο ευθύγραμμος αγωγός ΑΓ του κυκλώματος, που φαίνεται στο σχήμα 1, μπορεί να κινείται σε επαφή πάντα με τους παράλληλους ευθύγραμμους αγωγούς χ΄χ και ψ΄ψ. Η αντίσταση του αγωγού ΑΓ είναι R και είναι η μόνη αντίσταση του κυκλώματος. Όλη η διάταξη βρίσκεται πάνω σε οριζόντιο επίπεδο, ενώ στο χώρο υπάρχει κατακόρυφο ομογενές μαγνητικό πεδίο, με φορά προς τα κάτω. Το κύκλωμα διαρρέεται από επαγωγικό ρεύμα, του οποίου η χρονική εξέλιξη φαίνεται στο σχήμα 2.
