ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ και όχι μόνο…

Πείραμα 1ο
Όπως φαίνεται στην κάτοψη του διπλανού σχήματος, δύο ομόκεντροι δακτύλιοι, Α από μονωτικό υλικό και Γ από μέταλλο, τοποθετούνται στο ίδιο λείο οριζόντιο τραπέζι. Ο Α είναι ομοιόμορφα φορτισμένος με φορτίο Δq = N∙e, e το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο. Θέτουμε τον δακτύλιο Α σε περιστροφή κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού με γωνιακή ταχύτητα μέτρου ω, που αυξάνεται.
i) Εξηγείστε γιατί η περιστροφή του δακτυλίου Α δημιουργεί μαγνητικό πεδίο. Σχεδιάστε το πεδίο εντός και εκτός του δακτυλίου. Που είναι πιο ισχυρό; Αν r η ακτίνα του δακτυλίου, υπολογίστε την ένταση αυτού του πεδίου στο κέντρο του Ο, σε συνάρτηση των μ₀, Ν, ω, e, r.
ii) Θεωρούμε ότι το μαγνητικό πεδίο, εκτός του κυκλικού δίσκου του δακτυλίου Α, είναι αμελητέο. Αφού εξηγήσετε γιατί εμφανίζεται ΗΕΔ επαγωγής στο δακτύλιο Γ, βρείτε τη φορά του επαγωγικού ρεύματος.
Πείραμα 2ο
Ένας μεταλλικός δακτύλιος από μαγγανίνη (κράμα Μn, του οποίου η αντίσταση είναι ανεξάρτητη της θερμοκρασίας), τοποθετείται σε οριζόντιο επίπεδο, μέσα σε κατακόρυφο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης Β , κάθετο στο επίπεδο του κύκλου, προς τα μέσα, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Θερμαίνουμε το δακτύλιο, οπότε αρχίζει να διαστέλλεται και η ακτίνα του αυξάνεται χρονικά σύμφωνα με τη σχέση r = √t/π (S.I.). Αν η αντίσταση του σύρματος είναι R = 0,1Ω:
i) Βρείτε την ένταση του επαγωγικού ρεύματος που διαρρέει το δακτύλιο.
ii) Ποια είναι η φορά του ρεύματος; Δικαιολογείστε.

Απάντηση 

Απάντηση 

Μια διαδρομή, που παρουσιάστηκε τμηματικά τις προηγούμενες μέρες, που οδηγεί από τον φορτισμένο αγωγό στο ηλεκτρικό ρεύμα και στις πηγές του, περνώντας από περιοχές Φυσικής και Χημείας, στην προσπάθεια να ενώσει κεφάλαια και αντικείμενα, που και όταν τα διδάσκουμε, αυτό γίνεται με αποσπασματικό τρόπο…

Η εργασία αυτή αφιερώνεται στους νέους συναδέλφους Φυσικούς και Χημικούς, αφού περιλαμβάνει πράγματα που με είχαν απασχολήσει κατά περιόδους και για μεγάλα χρονικά διαστήματα στη διάρκεια της διδασκαλίας μου.

Πράγματα που πάντα τα διδάσκαμε ασύνδετα και που θεωρώ ότι καλό είναι να τα έχουμε συνδέσει στο μυαλό μας, (άσχετα πόσα και ποια από αυτά θα χρειαστεί να διδάξουμε στους μαθητές μας…).

Δείτε όλο το αρχείο σε pdf με κλικ εδώ ή εδώ ή και από εδώ.

Δύο παράλληλες επίπεδες μεταλλικές πλάκες Α και Β (πυκνωτής), απέχουν μεταξύ τους απόσταση d και τοποθετούνται οριζόντια, όπως φαίνεται στο σχήμα. Μέσω του μεταγωγικού διακόπτη S, δημιουργούμε κύκλωμα, στο οποίο μπορεί να συνδέεται η πηγή τάσης V ή ο αγωγός ΓΔ. Δυο μικρές τρύπες α και β έχουν ανοιχτεί στο κέντρο κάθε πλάκας, έτσι ώστε να βρίσκονται στην ίδια κατακόρυφο ψ΄ψ. Ένα φορτισμένο σωματίδιο μάζας m και φορτίου q ξεκινώντας από την ηρεμία σε ύψος h πάνω από την πλάκα Α, πέφτει ελεύθερα στη διεύθυνση της κατακορύφου ψ΄ψ, περνώντας από την τρύπα α. Πριν φτάσει στην τρύπα β η ταχύτητά του μηδενίζεται και το σωματίδιο επιστρέφει προς τα πάνω. Δίνεται το g.

i) Το ηλεκτρικό φορτίο του σωματιδίου είναι θετικό ή αρνητικό; Δικαιολογείστε την απάντησή σας.

ii) Τι κίνηση θα κάνει το σωματίδιο;

iii) Ποιο ή ποια από τα παρακάτω πρέπει να κάνουμε, ώστε το σωματίδιο να σταματήσει την κάθοδό του πριν φτάσει στην τρύπα β;

α) Με το διακόπτη S στη θέση (1), μετακινούμε την πλάκα B κατάλληλα προς τα πάνω.

β) Με το διακόπτη S στη θέση (1), μετακινούμε την πλάκα B κατάλληλα προς τα κάτω.

γ) Με το διακόπτη S στη θέση (2), μετακινούμε την πλάκα B κατάλληλα προς τα πάνω.

δ) Με το διακόπτη S στη θέση (2), μετακινούμε την πλάκα B κατάλληλα προς τα κάτω.

iv) Ποια πρέπει να είναι η απόσταση d_ορ των πλακών, ώστε το σωματίδιο να φτάσει οριακά στην τρύπα β;

v) Να εξηγήσετε ενεργειακά γιατί το σωματίδιο θα επιστρέψει στην αρχική του θέση.

Απάντηση 

Απάντηση 

Όπως φαίνεται στο σχήμα, οι περιοχές ενός ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου έντασης Ε και ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης Β είναι γειτονικές και έχουν ίδιο πλάτος d = 0,4m. Η διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου είναι κατακόρυφη, ενώ η διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου είναι οριζόντια, με φορά κάθετη στο επίπεδο του χαρτιού και προς τα μέσα. Ένα φορτισμένο σωματίδιο μάζας m = 10^-10kg και φορτίου q = 10^-6C, εισέρχεται στο ηλεκτρικό πεδίο από το σημείο O με αρχική ταχύτητα μέτρου υ₀ = 400m/s κάθετη προς τη διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Υπό την επίδραση της ηλεκτρικής δύναμης, το σωματίδιο εκτρέπεται και εξέρχεται από το ηλεκτρικό πεδίο στο σημείο A, εισερχόμενο στο μαγνητικό πεδίο. Τη στιγμή που εξέρχεται από το ηλεκτρικό πεδίο, η μετατόπισή του κατά τη διεύθυνση του πεδίου είναι ίση με d/2. Όταν το σωματίδιο εξέρχεται από το μαγνητικό πεδίο στο σημείο Γ, η διεύθυνση της ταχύτητάς του είναι ίδια με εκείνη που είχε κατά την είσοδό του στο ηλεκτρικό πεδίο στο σημείο O. (Η βαρύτητα δεν λαμβάνεται υπόψη.)

Να υπολογίσετε:

α) Την επιτάχυνση του σωματιδίου στο ηλεκτρικό πεδίο και το μέτρο Ε της έντασης.

β) Την ταχύτητα του σωματιδίου όταν εξέρχεται από το ηλεκτρικό πεδίο στο σημείο Γ.

γ) Το μέτρο της έντασης Β του μαγνητικού πεδίου.

δ) Τον συνολικό χρόνο κίνησης του σωματιδίου μέσα στα δυο πεδία.

Απάντηση 

Απάντηση 

Δυο ευθύγραμμοι παράλληλοι αγωγοί μεγάλου μήκους, είναι κάθετοι στο επίπεδο της σελίδας και το διαπερνούν στα σημεία A(0m) και Γ(+4m), αντίστοιχα του άξονα Ax. Οι αγωγοί διαρρέονται από ρεύμα ίδιας έντασης I, με φορά που φαίνεται στο σχήμα. Θεωρούμε έναν κλειστό, κυκλικό αμπεριανό βρόχο C, με κέντρο Ο(+2m), ο οποίος περικλείει τους αγωγούς. Δίνεται η σταθερά μ₀.

α) Θεωρούμε ένα τυχαίο σημείο Δ του κύκλου C, όπως φαίνεται στο σχήμα. Αποδείξτε ότι η ένταση του μαγνητικού πεδίου στο σημείο Δ έχει μέτρο διάφορο του μηδενός. Υπάρχει κάποιο σημείο του κύκλου C, που μηδενίζεται η ένταση αυτή;

β) Να γράψετε τον νόμο του Ampere για τον βρόχο C και να υπολογίσετε την τιμή του αλγεβρικού αθροίσματος ΣΒ_i dl_i συνφ_i, πάνω στο βρόχο.

Τι συμπεραίνετε για τον νόμο του Ampere και τα ρεύματα που βρίσκονται εκτός του αμπεριανού βρόχου;

Απάντηση 

Απάντηση