b) oblicz, jaka jest temperatura spojenia B, jeżeli spojenie A umieszczono w topniejącym-lodzie, a miliwoltomierz wskazuje 8,25 mV.
10. Oblicz natężenie prądu, jaki popłynie przez opór Rz = 2Q (rys. 84a i b), jeżeli siły
----elektromotoryczne ogniw i ich opory wewnętrzne są identyczne i wynoszą odpowiednio E = 1,5 V i Rw = 0,5
ll.* Oblicz szybkość, z jaką w miedzianym drucie pod wpływem przyłożonego napięcia U= 10 V przemieszczają się elektrony. Długość drutu l= 1 m, średnica 2r = 1 mm, opór właściwy miedzi ρ = 1,72·10 ·m, a jej gęstość y= 8933 kg/m . Masa molowa miedzi = 63,54 g/mol. Liczba elektronów swobodnych w danym kawałku drutu jest równa liczbie atomów.
7.3. Praca i moc prądu
1. Oblicz moc wydzieloną na oporze R1 w obwodzie pokazanym na rys. 85.
2. Oblicz natężenie prądu, jaki płynie przez żarówkę o mocy P1 = 100 W pod napięciem
U1 = 220 V.
a) Jaki jest opór tej żarówki?
b) Jak zmieni się moc wydzielona na tej żarówce, gdybyśmy ją podłączyli do napięcia
U2 = 110 V?
3. Za pomocą elektrycznej grzałki zagotowano w czasie = 5 minut wodę o masie m = 0,5 kg, której temperatura początkowa wynosiła t = 12°C. Znamionowa moc grzałki P = 750 W. Oblicz sprawność grzałki pamiętając, że ciepło właściwe wody c = 4,19 ·103 J/(kg·K).
4. Ile dżuli zawiera kWh?
5. Świecenie 100 W żarówki w ciągu 1 h związane jest z poborem pewnej energii. Na jaką wysokość można by podnieść ciało o masie m = 100 kg, gdybyśmy tę energię zamienili przy pomocy silnika elektrycznego na energię potencjalną?
6. Mamy dwie identyczne grzałki. Jak należy je połączyć: szeregowo czy równolegle, aby możliwie szybko zagrzać pewna ilość wody? Odpowiedź uzasadnij.
7.* Mamy dwie identyczne grzałki. Za pomocą jednej grzałki doprowadzamy do wrzenia pewną ilość wody w czasie t0 = 5 minut. Ile czasu potrzeba, aby (zaniedbując straty) doprowadzić do wrzenia tę samą ilość wody za pomocą dwóch grzałek połączonych
a) szeregowo;
b) równolegle.
8. Oblicz, jaka moc wydziela się na oporze R1 (rys. 86), jeżeli pomiędzy punkty A i B przyłożymy napięcie U = 90 V.
9. Oblicz czas potrzebny na stopienie umieszczonej w termosie bryły lodu o masie m = 1 kg i temperaturze t = 0°C, przez grzałkę o oporze R = 200 , pracującą pod napięciem U= 220 V. Ciepło topnienia lodu ct = 3,35 · 105 J/kg.
10.Oblicz ilość ciepła, jaką dostarczy w ciągu jednej sekundy przewodnik miedziany o długości l= 2 km i średnicy 2r = 0,005 m w czasie przepływu prądu stałego o natężeniu I= 20 A. Opór właściwy miedzi ρ = 1,72·10-8 ·m.
7.4. Elektrochemia
1. Oblicz, jaka masa srebra wydzieli się podczas elektrolizy 100g wodnego roztworu azotanu srebra AgNO3. Jaki ładunek musi przepłynąć przez elektrolit w czasie elektrolizy? Jakie było natężenie użytego w procesie elektrolizy prądu stałego, jeżeli czas jej trwania wyniósł t = 4 h? Masa molowa srebra Ag = 107,87 g/mol.
2. Jaki ładunek jest potrzebny do wydzielenia jednego mola dwuwartościowej miedzi? Ładunek elektronu e = 1,602·10-19 C.
3. Oblicz, jak długo musi przepływać prąd o natężeniu I = 2 A przez wodny roztwór AgNO3, aby miedziana powierzchnia S= 100 cm2 pokryła się warstwą srebra o grubości d = 0,1 mm. Gęstość srebra ρ = 10,5·10 kg/m, a jego masa molowa Ag= 107,87 g/mol.
4.Oblicz masę miedzi, która wydzieli się z wodnego roztworu CuSO4 w czasie t = 10s, jeżeli zależność natężenia prądu od czasu jest taka, jak pokazuje rys. 87. Masa molowa miedzi Cu =63,54 g/mol.
5. Przez dwa woltametry połączone szeregowo, wypełnione roztworami CUSO4 i AgNO3, płynie prąd stały. Ile srebra wydzieli się na płytce woltametru wypełnionego roztworem AgNO3, jeżeli miedzi wydzieliło się m0 = 10 g? Masa molowa miedzi Cu = 63,54 g/mol, srebra Ag =107,87 g/mol.
6. Po jakim czasie trwania elektrolizy wodnego roztworu CuSO4 na katodzie wydzieli się m = 4 g miedzi, jeżeli przez roztwór płynie prąd o natężeniu I= 1 A? Masa molowa miedzi mCu = 63,54 g/mol.
7. Oblicz równoważnik elektrochemiczny miedzi. Masa molowa miedzi Cu= 63,54 g/mol, wartościowość w= 2.
8. Mamy akumulator ołowiowy o pojemności 60 Ah. Ile gramów PbSO4 wytworzy się na każdej z elektrod akumulatora, jeżeli w trakcie rozładowywania jego pojemność zmniejszy się do 30 Ah? Masa molowa ołowiu ,Pb = 207,19 g/mol, siarki S = 32,07 g/mol, a masa molowa atomów tlenu =16 g/mol.
9. Jaki jest związek pomiędzy stałą Faraday'a F= 96500 C/mol a ładunkiem elektronu e = 1,602·10-19 C?
10. Jaką objętość w warunkach normalnych będzie miał wodór, który wydzieli się w woltametrze podczas przepływu przez wodny roztwór H2SO4 prądu o natężeniu I= 1 A w czasie t = 1 h?
11. W jakim czasie stały prąd elektryczny o natężeniu I= 0,5 A spowoduje rozkład masy m = 1 g wody? Masa molowa atomów wodoru O=1,008 g/mol, a tlenu O=16 g/mol.
12. Przez wodny roztwór kwasu siarkowego w czasie t = 1 h płynie prąd o natężeniu I= 10 A. Ile będzie wynosiła zmiana masy roztworu kwasu siarkowego? Elektrody nie biorą udziału w reakcji. Masa molowa atomów wodoru H=1,008 g/mol, a tlenu O =16 g/mol.
13. Ile gramów PbO2 znajduje się w naładowanym akumulatorze ołowiowym o pojemności Q = 60 Ah? Masa molowa ołowiu Pb = 207,19 g/mol, masa molowa atomów tlenu
O= 16 g/mol.
8. Elektromagnetyzm
5.1. Pole magnetyczne
1.Wyznacz zwrot siły działającej na przewodnik w podanych niżej przypadkach (rys. 88a, b, c,d).
2. Jak odchyli się, wpadając w zaznaczone na rys. 89 pole magnetyczne, proton, a jak elektron?
3. Jak odchylą się (narysuj tory) cząstki wpadające w pole magnetyczne przedstawione na rys. 90a i b?
4. Cząstka a wpada w pole magnetyczne o indukcji B = 0,02 T prostopadle do kierunku wektora indukcji
i zatacza krąg o promieniu r = 0,2 m. Oblicz energię cząstki (w ke V).
5. Oblicz częstotliwość zmian pola elektrycznego w cyklotronie, za pomocą którego przyspieszamy protony. Indukcja stosowanego pola magnetycznego wynosi B = 1,2 T.
6. Jaki będzie promień okręgu zatoczonego przez cząstkę w polu o indukcji B = 10 T, jeżeli energia cząstki E = 10 MeV? Cząstka wpada w pole magnetyczne prostopadle do kierunku wektora indukcji magnetycznej
. Zadanie traktujemy nierelatywistycznie.
7. Oblicz stosunek promieni, jakie zatoczą cząstka i proton, jeżeli ich energie są równe, a cząstki wpadają w to samo pole magnetyczne prostopadle do kierunku wektora indukcji magnetycznej
.
8. Deuteron i proton, po przejściu w próżni różnicy potencjałów U = 500 V, wpadają w jednorodne pola magnetyczne prostopadle do kierunku wyznaczonego przez wektor indukcji magnetycznej. Jaki musiałby być stosunek wartości indukcji magnetycznych tych pól (Bp/Bd), aby zatoczyły okręgi o jednakowych promieniach?
9. Proton, po przejściu w próżni różnicy potencjałów U= 500 V, wpada w jednorodne pole magnetyczne prostopadle do linii tego pola i zatacza okrąg o promieniu r = 0,2 m. Oblicz wartość indukcji pola magnetycznego B.
10. Proton poruszający się z szybkością v = 105 m/s wpada w jednorodne pole magnetyczne o indukcji B = 0,4 T pod kątem a = 45° do kierunku wektora indukcji magnetycznej
. Znajdź promień i skok śruby, po której będzie się poruszał proton.
11. Jaką szybkość ma proton, jeżeli bez odchylenia od swój ego pierwotnego kierunku przechodzi przez układ wzajemnie prostopadłych pól: magnetycznego o indukcji B = 2 T i elektrycznego o natężeniu E = 103 V/m. Proton porusza się w kierunku prostopadłym zarówno do wektora
, jak i
.
12. Oblicz wartość indukcji pola magnetycznego w środku kwadratu w podanych na rysunku 91a, b, c przypadkach, jeżeli natężenie prądu w drutach wynosi I= 1 A, a długość boku kwadratu a = 0,1 m.Zakładamy, że przewodniki są nieskończenie długie. Strzałki pokazują
w którą stronę płynie prąd.
13. Na metalowych szynach ustawionych pod kątem = 30° do poziomu położono miedziany pręt o średnicy 2r = 4 mm. Pole magnetyczne o indukcji B = 1 T jest prostopadłe do podstawy tak utworzonej równi (rys. 92). Jaki prąd musi płynąć przez pręt, aby pozostał on w spoczynku? Tarcie pomijamy. Gęstość miedzi ρ = 8933 kg/m3. W którą stronę musi płynąć prąd elektryczny, aby mógł być spełniony warunek postawiony w zadaniu?
14. W polu magnetycznym, którego linie mają kierunek poziomy, a wartość wektora indukcji B = 0,2 T, umieszczono pręt miedziany. Kierunek wyznaczony przez pręt, także poziomy, tworzy z kierunkiem wektora
kąt prosty. Oblicz natężenie prądu, który musiałby płynąć przez pręt, aby siła elektrodynamiczna zrównoważyła siłę ciężkości. Średnica pręta 2r = 2 mm. Gęstość miedzi ρ = 8933 kg/m3.
15. Oblicz maksymalny moment siły, jaki działa na kwadratową ramkę o boku a = 0,1 m wykonaną z przewodnika. Ramkę umieszczamy w polu magnetycznym o indukcji B = 10 T (rys. 93). W ramce płynie prąd o natężeniu I= 1 A.
16. W szerokim naczyniu z roztworem kwasu siarkowego pływa układ złożony z dwóch niewielkich, odizolowanych od siebie płytek: cynkowej i miedzianej, połączonych przewodnikiem tak, jak to pokazuje rys. 94. Co się stanie, jeżeli prostopadle do płaszczyzny wyznaczonej przez pętlą przewodnika, od strony, z której patrzymy na rysunek, wzdłuż prostej przechodzącej przez środek pętli, zbliżymy magnes biegunem północnym? Odpowiedź uzasadnij. Polaryzację elektrod zaniedbujemy.
8.2. Indukcja elektromagnetyczna
Uwaga: Mówiąc krótko "pole o indukcji B" mamy na myśli pole o indukcji, której wartość wynosi B.
1. Wartość indukcji jednorodnego pola magnetycznego wynosi B = 2 T. W polu tym porusza się przewodnik o długości l = 0,4 m z prędkością o wartości v= 50 m/s. Wektor prędkości i indukcji pola magnetycznego
są do siebie prostopadłe, a wektor prędkości jest prostopadły do przewodnika. Oblicz wartość SEM powstałej na końcach przewodnika.
2. Jaką funkcją czasu będzie SEM indukowana w kwadratowej ramce o boku a, wirującej z szybkością kątową w polu magnetycznym o indukcji B? Oś obrotu ramki jest prostopadła do kierunku wektora indukcji magnetycznej
(rys. 95).
3. W jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B = 100 T, rozciągającym się nieograniczenie, prostopadle do linii pola magnetycznego przemieszcza się z szybkością v= 2 m/s kwadratowa ramka o boku a = 0,1 m. Oblicz siłę elektromotoryczną indukcji powstającą w ramce.
4. Narysuj, jak według Ciebie zmieniać się będzie w zależności od czasu SEM indukcji elektromagnetycznej, powstająca w kwadratowej ramce o boku a, która przemieszcza się ze stałą prędkością przez obszar stałego pola magnetycznego o indukcji B i szerokości d. Ramka porusza się prostopadle do linii pola magnetycznego (rys. 96).
5. W polu magnetycznym o tej samej indukcji magnetycznej B poruszają się z tą samą prędkością przewodniki pokazane na rys. 97a, b, c. Jak mają się do siebie SEM indukowane pomiędzy punktami A i B?
6. Przedstaw znane ci sposoby wzbudzenia SEM indukcji.
7. Mamy układ pokazany na rys. 98. Jak zachowa się metalowy pierścień
pokazany na rysunku w czasie przesuwania suwaka opornicy
w prawo
w lewo.
Odpowiedź uzasadnij.
8. Zaznacz, w którą stronę popłynie w cewkach (rys. 99) prąd. Odpowiedź uzasadnij.
9. W którą stronę musimy przesunąć suwak opornicy w obwodzie B, aby w obwodzie A popłynął prąd o kierunku zaznaczonym na rysunku (rys. 100)?
10. Przez cewkę pokazaną na rys. 101 przelatuje magnes. Przeanalizuj zależność indukowanego w cewce natężenia prądu od czasu.
11. Znajdź pracę wykonaną przy przesuwaniu przewodnika o długości d = 0,2 m w prostopadłym polu magnetycznym o indukcji B = 2 T. Natężenie prądu w przewodniku wynosi I = 5 A. Przewodnik przesunięto o l = 1 m ruchem jednostajnym.
12. Oblicz indukcyjność cewki, w której podczas zmiany natężenia prądu od 0 do 4 A w ciągu 2 s powstaje SEM samoindukcji równa 1 V.
13. Zależność natężenia prądu od czasu dla pewnego obwodu przedstawia rys. 103. Oblicz SEM indukcji własnej powstającej w tym obwodzie.
8.3. Prąd przemienny
1. Oblicz napięcie skuteczne pewnego źródła, jeżeli zależność napięcia zmiennego od czasu przedstawia rys. 104.
2. Oblicz skuteczne natężenia prądu, którego zależność od czasu przedstawia rys. 105.
3. Na ekranie oscylografu podstawa czasu obejmuje przedział 10-3 s (rys. 106). Jaka jest częstotliwość prądu, którego przebieg pokazuje rysunek?
4. Zależność natężenia prądu od czasu przedstawia rys. 107. Oblicz liczbę elektronów, przepływających przez przekrój poprzeczny przewodnika wciągu 1 s.
5. Jakie jest maksymalne napięcie prądu przemiennego, którego wartość skuteczna jest równa U= 220 V.
6. Zakład przemysłowy pobiera moc Po = 100 kW za pośrednictwem linii przesyłowej pracującej pod napięciem U= 10 kV. Jaka jest moc tracona na tej linii, jeżeli jej opór R = 20 ?
7.Przekładnia transformatora wynosi n = 10. Oblicz napięcie i natężenie prądu na jego wyjściu, jeżeli na wejściu wprowadzamy prąd pod napięciem U1 = 12 V i o mocy P = 6 W.
8. Oblicz opór pojemnościowy kondensatora o pojemności C = 1 F włączonego do obwodu, w którym płynie prąd o częstotliwości f1 = 50 Hz. Ile wyniósłby ten opór dla ci C = 1 F włączonego do prądu o częstotliwości f2= 1000 Hz?
9. Jaką częstotliwość ma prąd przemienny płynący w obwodzie pokazanym na rys. 108, jeżeli zawada obwodu ZRC = 20 ?
10. Cewka włączona w obwód prądu stałego stawia opór R = 0,2 . Oblicz opór tej cewki w obwodzie prądu zmiennego o częstotliwości f1 = 10000 Hz oraz f2 = 50 Hz, jeżeli jej indukcyjność wynosi L = 0,1 H.
11. W obwodzie prądu zmiennego znajdują się szeregowo połączone: opornik o oporze R = 2000 . oraz kondensator o pojemności C = 1 F. Jaki będzie stosunek kolejnych natężeń prądów płynących w tym obwodzie, jeżeli przy tym samym napięciu skutecznym częstotliwość prądu zmienimy z f1 = 50 Hz na f2 = 1000 Hz?
12.Cewkę o indukcyjności L = 0,2 H włączono w obwód prądu stałego o napięciu U0 = 12 V i stwierdzono, że płynie przez nią prąd o natężeniu I = 0,12 A. Jaki prąd popłynie przez cewkę, jeżeli podłączymy ją do źródła prądu zmiennego o napięciu skutecznym Us = 110 V i częstotliwości f = 50 Hz?
13. Do sieci o napięciu skutecznym Us = 220 V włączono szeregowo kondensator o pojemności C = 20 F, opornik o oporze R1 = 10 . Oraz cewkę o indukcyjności L = 0,1 H i oporze R2 - 1 . Jakie jest natężenie prądu płynącego w tym obwodzie? Jaka jest moc prądu? Częstotliwość f = 50 Hz. Oblicz natężenie prądu płynącego w obwodzie przy częstotliwości rezonansowej.
14. Jaką pojemność musiałby mieć kondensator obwodu rezonansowego, w którym znajduje się cewka o indukcyjności L = 10-3 H, aby rezonans nastąpił dla częstotliwości f = 105 Hz?
9.1. Ruch harmoniczny
Uwaga: W zadaniach przyjmujemy następującą zależność wychylenia od czasu:
x(t)= Asin
1. Po jakim czasie od chwili początkowej punkt materialny wykonujący drgania harmoniczne przesunie się na odległość równą połowie amplitudy, jeżeli faza początkowa jest równa zeru, a okres T= 6 s?
2. Oblicz okres drgań punktu materialnego, jeżeli dla czasu t = 1 s jego wychylenie z położenia równowagi x =
A, gdzie A - amplituda. Faza początkowa = 0.
3. Zapisz równanie ruchu harmonicznego, dla którego amplituda A = 0,02 m, a częstotliwość f = 2 Hz. Fazę początkową przyjmujemy za zero.
4. Przyjmując, że wychylenie w ruchu harmonicznym dane jest wzorem:
a) x = 0,04 sin t;
b)x = 2a sin ,
oblicz amplitudę, okres, oraz wartości prędkości maksymalnej i maksymalnego przyspieszenia w tym ruchu.
5. Oblicz średnią szybkość w ruchu harmonicznym, dla którego amplituda A = 0,02 m, a okres T= 1 s.
6.Oblicz fazę początkową w ruchu harmonicznym, jeżeli wychylenie w tym ruchu dla czasu t = 0 jest równe amplitudzie.
8. Oblicz przedziały czasu odpowiadające odcinkom AB i AC na rys. 109, jeżeli częstotliwość w tym ruchu harmonicznym f = 250 Hz.
7. Oblicz, po jakim czasie od chwili rozpoczęcia ruchu wychylenie będzie maksymalne, jeżeli wyraża się ono wzorem x = 0,2 sin (t-/3).
9. Sporządź tabelkę wartości sin tg oraz kąta a (w radianach) co 1 stopień dla tak zwanych "kątów małych", to znaczy dla kątów leżących w przedziale 0-5°. Co z niej wynika?
10. Przyspieszenie na Księżycu jest 6 razy mniejsze niż na Ziemi. Ile wynosi tam okres drgań wahadła, które na Ziemi ma okres Tz = 2 s?
11. Jakim wzorem będzie się wyrażał okres drgań wahadła matematycznego o długości l, jeżeli umieścimy je:
w windzie poruszającej się ze stałą prędkością;
w windzie poruszającej się w dół z przyspieszeniem a = constans,
zwróconym w dół;
w windzie poruszającej się do góry z przyspieszeniem a = constans
zwróconym do góry;
w hamującym wagonie (a = constans)?
12. Kulka wahadła matematycznego o długości l = 2 m została wychylona z położenia równowagi o 0,25 m. Czy drgania tego wahadła będą drganiami harmonicznymi?
13. Z jakim przyspieszeniem winda opadała w dół, jeżeli okres drgań wahadła matematycznego zwiększył się o
w stosunku do okresu mierzonego w nieruchomej windzie?
14. Ile wynosi okres drgań wahadła sekundowego w spadającej swobodnie windzie? Odpowiedź uzasadnij.
15. Mamy dwie kulki zawieszone na niciach o jednakowej długości. Pierwszą z nich odchylamy o kąt , drugą o = 3, przy czym zarówno , jak i są kątami małymi (<5°). Kulki puszczamy jednocześnie. Która z nich pierwsza osiągnie linię pionu? Odpowiedź uzasadnij.
16. Oblicz, po jakim czasie matematyczne wahadło harmoniczne, którego okres wynosi T = 2 s, puszczone z punktu O osiągnie punkt 1 i 2(rys. 110).
17. Oblicz okres drgań obręczy zawieszonej na gwoździu. Promień obręczy jest R.
18. Oblicz okres drgań tarczy (traktowanej jako wahadło fizyczne), którą oś obrotu przebija w połowie promienia R.
19. Czy ręczny zegarek mechaniczny będzie "chodził" na stacji orbitalnej?
20. Oblicz energię potencjalną ciała drgającego ruchem harmonicznym dla czasu t = T/4 od chwili rozpoczęcia ruchu, jeżeli amplituda A = 0,1 m, częstotliwość f= 20 Hz, a masa drgającego ciała m = 0,05 kg. Faza początkowa = 0.
21. Jaką część całkowitej energii ruchu harmonicznego stanowi energia potencjalna dla wychylenia x =
22. Oblicz stosunek energii potencjalnej do kinetycznej ciała drgającego ruchem harmonicznym dla wychylenia x =
{A -amplituda).
23.Narysuj zależność energii kinetycznej i potencjalnej od czasu w ruchu harmonicznym.
24. W jaki sposób energia kinetyczna w ruchu harmonicznym zależy od wychylenia z położenia równowagi?
9.2. Ruch falowy
1. Którym parom punktów (rys. 111) odpowiada odległość równa długości fali?
2. Jaka jest szybkość rozchodzenia się fal na wodzie, jeżeli okres drgań łódki wynosi T = 4 s, a odległość pomiędzy sąsiednimi grzbietami fal l = 8m?
3. Fala głosowa przechodzi z powietrza (v1 = 330 m/s) do wody (v2 = 1450 m/s). Jaki jest stosunek długości fali w wodzie do długości fali w powietrzu?
4. Identyczne fale wychodzące z punktów A i B (rys. 112) do punktu spotkania P przebywają odpowiednio drogi AP = 7,5 m i BP = 5 m. Czy w punkcie P nastąpi wzmocnienie czy wygaszenie fali, jeżeli długość fal wychodzących z punktów A i B wynosi = 1 m? Rozważ dwa przypadki:
źródła drgają w zgodnych fazach;
fazy drgań źródeł są przeciwne.
5. Z dwóch źródeł punktowych, drgających w zgodnych fazach, rozchodzą się fale o długości = 0,2 m. Różnica odległości punktu P od obu źródeł wynosi x = 5 cm. Oblicz różnicę faz obu fal, spotykających się w punkcie P.
6. Wirujący z częstotliwością/= 20 Hz krążek z mimośrodowo umieszczonym wibratorem (rys. 113) powoduje powstanie na lince fali stojącej. Odległość pomiędzy węzłami fali wynosi l= 10 cm. Z jaką szybkością rozchodzi się fala?
7. Jaka jest maksymalna prędkość cząsteczek wody, kiedy przez wodę przechodzi fala podłużna o amplitudzie A= 0,2 mm i długości = 10 m? Szybkość rozchodzenia się fali w wodzie v = 1450 m/s.
9.3. Akustyka
1. Szybkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu wynosi v = 330 m/s. Oblicz długości fal o częstotliwościach granicznych dla ludzkiego ucha: f 1= 20 Hz oraz f 2 = 20000 Hz.