1

h

2,6mm

Ćwiczenia 12

WChemii, semestr 1, 2009/10

1. Wybrane zagadnienia z elektromagnetyzmu. Fale elektromagnetyczne

Uważnie przeczytaj wykłady 8 i 9. Spróbuj samodzielnie zrobid przykłady z wykładu, a następnie przy-
stąp do rozwiązywania zadao.

1.Na nierozciągliwych i nieważkich niciach zawieszono dwie kuleczki, każda o masie ,

które naładowano jednakowymi ładunkami . Długośd nici wynosiła . a. Znajdź siły i

działające na każdą kuleczkę. b. Znajdź odległośd , na jaką rozsuną się kuleczki.

2. Oblicz strumieo

natężenia jednorodnego pola elektrycznego przez powierzchnię Gaussa

w postaci walca o promieniu i długości .

3. Przewodząca pętla, przedstawiona na rysunku, składa się
z półokręgu o promieniu

m i trzech odcinków.

Półokrąg znajduje się w jednorodnym polu magnetycznym

o indukcji skierowanym przed płaszczyznę rysunku. War-
tośd indukcji

, gdzie wyrażone w

teslach, w sekundach. Do pętli dołączone jest źródło SEM

V i zaniedbywalnym oporze wewnętrznym. Opór

pętli wynosi 2,0 . a. Jaka jest wartośd i kierunek siły SEM

, indukowanej w pętli prze pole magnetyczne w chwili

s ? b. Ile wynosi natężenie prądu, płynącego w pętli

w chwili

s?

4. Natężenie pola elektrycznego pewnej płaskiej fali elektromagnetycznej dane jest wyrażeniem:

a. W którym kierunku rozchodzi się fala? Oblicz

długośd fali. b. Podaj odpowiednie wyrażenie opisujące wektor indukcji magnetycznej. c. Czy fala ta jest spolary-
zowana? d. Oblicz natężenie fali.

5. Na rysunku wiązka laserowa o mocy 4,6W i średnicy 2,6mm oświetla od dołu pod-
stawę ( o średnicy d<2,6mm) doskonale odbijającego walca. Ciśnienie promieniowania
wiązki sprawia, że walec unosi się w powietrzu. Gęstośd walca równa się

g/cm

2

.

Ile wynosi jego wysokośd h?

6. Monochromatyczne światło zielone o długości fali 550 nm oświetla dwie, wąskie
równolegle szczeliny odległe od siebie o 7,7 m. Oblicz odchylenie kątowe (kąt ) jasnego prążka trzeciego rzędu.

7. W doświadczeniu interferencyjnym z dwiema szczelinami odległośd między szczelinami wynosi 5,0mm, a odle-
głośd szczelin od ekranu 1,00m, Na ekranie obserwuje się dwa obrazy interferencyjne: jeden dla światła o długości

r

2

fali 480nm, a drugi dla światła o długości fali 600nm. Ile wynosi na ekranie odległośd między jasnymi prążkami
trzeciego rzędu obu obrazów interferencyjnych?

Na następne zajęcia proszę zrobić powyższe zadania oraz nauczyć się materiału z wykładu 9 i
10.( Rozwiązania większości zadań w podanym niżej podręczniku)

Literatura

D.Halliday,R.Resnick,J.Walker: Podstawy fizyki, t.3 i 4
(podręcznik polecany – z niego są zaczerpnięte niektóre tematy zadao)

Pytania i zagadnienia, które mogą pojawić się na egzaminie pisemnym

1. a. Omów pole elektryczne: źródła, zdefiniuj wektor natężenia pola elektrycznego i strumień natężenia pola elek-
trycznego

, graficzny sposób przedstawiania pola. (3p) b. Podaj wyrażenie na siłę Coulomba i zastosuj go w

przykładzie z atomem wodoru w celu wyznaczenia promienia orbity elektronu. Czy takie podejście jest poprawne?
(3p) c. Sformułuj prawo Gaussa dla pola elektrycznego i sprawdź jego słuszność w przypadku ładunku punktowego
wewnątrz sfery. (4p)

2. a. Zdefiniuj wektor indukcji pola magnetycznego , wymień źródła tego pola. Podaj równanie ruchu i scha-
rakteryzuj ruch cząstki w polu magnetycznym jednorodnym i niejednorodnym. (3p) b. Omów pole magnetyczne Ziemi
i jego znaczenie dla życia na Ziemi. Co to są pasy radiacyjne Van Allena? Jak wytłumaczysz powstawanie zorzy
polarnej? Co to są burze słoneczne i jakie niosą zagrożenia? (4p) c. Zdefiniuj strumień pola magnetycznego. Podaj
prawo Gaussa dla pola magnetycznego. (3p)

3. a. Zdefiniuj siłę elektromotoryczną i wymień jej źródła. (1p) b. Na czym polega przepływ prądu elektrycznego?
Definicja natężenia prądu elektrycznego. (1p) c. Podaj doświadczalne dowody na to, że prądy elektryczne są źró-
dłami pola magnetycznego. Sformułuj prawo Ampere’a. (3p) d. Zastosuj prawo Ampere’a do wyprowadzenia wzoru
na wartość indukcji magnetycznej wokół prostoliniowego przewodnika z prądem.(3p) Uogólnij prawo Ampere’a na
przypadek, gdy pole magnetyczne jest indukowane przez zmienne pole elektryczne. (2p)

4. a. Zdefiniuj siłę elektromotoryczną i wymień jej źródła. Zdefiniuj strumień pola magnetycznego

i krążenie (cyr-

kulację) wektora natężenia pola elektrycznego (2p) b. Podaj prawo Faraday’a, regułę Lenza. (3p) c. Wyprowadź
zależność między cyrkulacją

i zmianą strumienia pola magnetycznego. Jaka jest różnica między liniami pola

elektrycznego wytworzonego przez ładunki statyczne i liniami pola indukowanego? (3p) Znajdź wartość indukowanej
siły elektromotorycznej i natężenie prądu płynącego w pętli z przewodnika o polu powierzchni S umieszczonej w
jednorodnym polu magnetycznym o indukcji rosnącej w czasie:

. Opór obwodu z pętlą wynosi . (2p)

5. a. Napisz równania Maxwella dla przypadku, gdy nie nie występują materiały dielektryczne i magnetyczne. (3p) b.
Z jakimi zjawiskami fizycznymi są one związane? (3p) c. Wyjaśnij, na czym polega rozchodzenie się fali elektroma-
gnetycznej, podaj odpowiednie wyrażenia dla płaskiej, harmonicznej fali elektromagnetycznej. (3p) d. Narysuj wykres
takiej fali. (1p)

6. a. Objaśnij, na czym polega rozchodzenie się fal elektromagnetycznych. Podaj prawa, z których wynika równanie
fali elektromagnetycznej. (2p) b. Podaj wyrażenia na natężenie pola elektrycznego i indukcji magnetycznej dla pła-
skiej, harmonicznej fali elektromagnetycznej w próżni oraz jej równanie falowe. Narysuj wykres takiej fali. (3p) c. Scha-
rakteryzuj fale elektromagnetyczne (rodzaj fali, szybkość rozchodzenia się, zakresy widma elektromagnetycznego,

3

itp.). Omów poznane źródła fal radiowych, światła, promieniowania rentgenowskiego (3p) d. Wymień zjawiska świad-
czące o tym, że fala elektromagnetyczna przenosi pęd i energię. (2p)

7. a. Podaj równania płaskiej, harmonicznej fali elektromagnetycznej w próżni i wyrażenie na szybkość światła c.
Sporządź jej wykres. Czy fala ta jest spolaryzowana? Uzasadnij odpowiedź. (3p) b. Jak zmieni się szybkość światła
w ośrodku nieprzewodzącym (np. w szkle)? Omów zjawiska odbicia i załamania światła. (2p) c. Co to jest kąt gra-
niczny? Oblicz kąt graniczny dla diamentu, dla którego współczynnik załamania wynosi 2,44. (2p) d. Na czym polega
zjawisko dyspersji światła? Podaj jego przykłady. Wyjaśnij zjawisko rozszczepienia światła białego przez pryzmat i
powstawania tęczy. Wykonaj odpowiednie rysunki. (2p)

8. a. Objaśnij, na czym polega rozchodzenie się fal elektromagnetycznych. Podaj prawa, z których wynika równanie
fali elektromagnetycznej oraz równania płaskiej, harmonicznej fali elektromagnetycznej w próżni i wyrażenie na jej
szybkość. (3p) b. Wymień zjawiska świadczące o falowej naturze światła. Jak zmieni się szybkość światła w ośrodku
nieprzewodzącym (np. w szkle ) (1p) c. Omów zjawisko polaryzacji i sposoby polaryzacji światła oraz wykorzystanie
zjawiska polaryzacji. (2p) d. Podaj zasadę Huygensa i wytłumacz za jej pomocą zjawisko dyfrakcji. Jaka jest różnica
między ugięciem i załamaniem światła? (2p) e. Omów interferencję światła na dwóch szczelinach. Podaj warunki,
jakie muszą spełniać fale, aby zaszła interferencja. Przykłady interferencji światła, fal elektromagnetycznych. (2p)

9

.

a. Co to jest temperatura? Omów poznane skale temperatur. (2p) b. Wyjaśnij, co nazywamy równowagą termo-

dynamiczną. Podaj zerową zasadę termodynamiki i jej związek z temperaturą (2p) c. Omów rozszerzalność cieplną
ciał i zależność oporu metali od temperatury. (2p) d. Co to jest ciepło? Jak obliczyć ciepło potrzebne do zmiany tem-
peratury ciała o T, do zmiany stanu skupienia ciała?. Oblicz, ile ciepła należy dostarczyć, aby 100g wody o tempe-
raturze 90

o

C zamienić w parę wodną, jeśli ciepło właściwe wody wynosi 4,19J/(g

), ciepło parowania 2260J/g. (4p)

10. a. Co nazywamy przemianą termodynamiczną? (1p) b. Wyprowadź wzór na pracę wykonaną przez gaz doskona-
ły. (2p) c. Korzystając z równania gazu doskonałego

( - ilość moli), znajdź wyrażenie na pracę w

przemianach: izobarycznej, izochorycznej, izotermicznej. (3p) d. Podaj różnicę między ciepłem a pracą w termody-
namice. Napisz wyrażenie na ciepło pobrane (lub oddane) przez moli gazu doskonałego w przemianach: izoba-
rycznej, izochorycznej, izotermicznej. (4p)

11. a. Co nazywamy energią wewnętrzną ciała? Co to znaczy, że energia wewnętrzna jest funkcją stanu? (2p) b.
Podaj różnicę między ciepłem a pracą w termodynamice. Podaj wzór na pracę wykonaną przez gaz idealny. (2p) c.
Sformułuj pierwszą zasadę termodynamiki. Zastosuj pierwszą zasadę termodynamiki do przemiany: izobarycznej,
izochorycznej, izotermicznej, adiabatycznej gazu doskonałego. (6p)

12. a. Podaj definicję entropii. Co to znaczy, że entropia jest funkcją stanu? Jak zmienia się entropia w procesach
cyklicznych? Oblicz zmianę entropii podczas topnienia kawałka lodu. (2p) b. Scharakteryzuj procesy zachodzące
samorzutnie w przyrodzie. Podaj drugą zasadę termodynamiki sformułowaną za pomocą entropii. (2p) d. Omów
działanie silnika Carnota i wyprowadź wyrażenie na jego sprawność. Podaj inne sformułowanie drugiej zasady ter-
modynamiki. (3p) Omów zasadę działania chłodziarki i wykaż, że nie jest możliwe skonstruowanie chłodziarki ideal-
nej. (3p)

13. a. Zdefiniuj podstawowe pojęcia kinetycznej teorii gazu. Zdefiniuj gaz doskonały, podaj jego równanie. (2p) b.
Wyprowadź wyrażenie na ciśnienie gazu doskonałego. (3) c. Wyprowadź wyrażenie na energię kinetyczną i we-
wnętrzną gazu doskonałego. (3p) d. Omów rozkład Maxwella. (2p)

14. a. Zdefiniuj pojęcia: stanu makroskopowego i mikroskopowego układu, prawdopodobieństwa termodynamiczne-
go. (2p) b. Wytłumacz je posługując się przykładem balonika zawierającego 3 atomy gazu. (3p) c. Podaj mikrosko-
pową definicję entropii oraz drugą zasadę termodynamiki. Wytłumacz, co to znaczy, że entropia jest funkcją stanu.
(3p) Za pomocą entropii wykaż, że nie jest możliwe zbudowanie idealnej chłodziarki. (2p)