`ב 2 פיסיקה בוחן ב
Transcription
`ב 2 פיסיקה בוחן ב
-1- מדור בחינות ומערכת שעות היחידה לפיסיקה המרצה :ד"ר בראונשטיין דורון 14/04/10 בוחן בפיסיקה 2ב' תשס"ע סמסטר ב' חומר עזר – )דף נוסחאות-מצורף ,מחשבון( הוראות מיוחדות – .1משך הבוחן 90דקות. .2יש לענות על 2מתוך השאלות .1-3 .3שאלה 4היא שאלת בונוס השווה 15נקודות. כתבו בכתב יד ברור ומסודר. יש לפרט כל שלב בחישובים. בהצלחה ! השאלון מכיל 8דפים )כולל דף זה(. ======================================== - 2- שאלה 50) :1נקודות( שני כדורים מוליכים ,זהים בגדלם ,הטעונים במטענים מנוגדי סימן מושכים זה את זה בכוח של 0.108Nכאשר הם מרוחקים מרחק של 50cmזה מזה .במצב זה מחברים ביניהם תיל מוליך, מחכים להתייצבות המערכת ואז מסירים את התיל .ידוע כי כעת הכדורים דוחים זה את זה בכוח של . 0.036 Nאם ידוע כי לאחר חיבור התיל מטעני הכדורים שווים מצאו מה היו המטענים המקוריים על הכדורים. שאלה 50) :2נקודות( y מוט באורך Lמונח על ציר xכך שקצהו השמאלי נמצא ב . x 0 -צפיפות המטען משתנה ליניארית A 0, y כתלות במיקום , xבאופן, ( x) 0 x :כאשר 0 הוא קבוע מספרי חיובי .ידוע כי המוט נושא מטען d חשמלי Q נתוניםk , Q, L, d : א .הביעו את הקבוע 0באמצעות Qו10) ? L - + + + + + + + + + + + x B L d ,0 נקודות(. ב. חשבו את רכיב ה y -של השדה החשמלי שיוצר המוט בנקודה ) A 0, y כתלות ב 20) ? ( y נקודות(. ג. חשבו את עצמת השדה החשמלי בנקודה , B L d ,0 הנמצאת במרחק dמקצהו הימני של המוט ) 20נקודות(. dx a a dx ln a x הדרכה C : 2 2 ax a x a x dx axa 2 a x dx x 2 a x - 3- שאלה 50) :3נקודות( במרכזה של קליפה כדורית מוליכה ועבה שרדיוסיה הפנימי והחיצוני 2R הם 2 Rו 3R -בהתאמה נמצא כדור לא מוליך שרדיוסו . Rהכדור נושא מטען חשמלי חיובי בצפיפות נפחית לא אחידה המשתנה עם 3R R r המרחק ממרכז הכדור לפי הקשר . ( r ) 0 הקליפה המוליכה R r R r 0 אינה טעונה כלל .נתונים. R, 0 , 0 : א .הראו כי מטענו הכללי של הכדור נתון על ידי20) Q 0 R 3 :נקודות(. ב .מהו המטען החשמלי על הדופן הפנימית של הקליפה העבה ? נמקו תשובותיכם! ) 5נקודות(. ג .מהו המטען החשמלי על הדופן החיצונית של הקליפה העבה ? נמקו תשובותיכם ) 5נקודות(. ד .חשבו את השדה החשמלי בכל אזורי המרחב ) 20נקודות(. שאלה ) :4בונוס 15נקודות( שני חרוזים טעונים מושחלים על גבי טבעת פלסטיק מעגלית מבודדת .חרוז 2אשר אינו מתואר באיור קבוע למקומו על גבי הטבעת שרדיוסה . R 60cmחרוז 1נמצא y בתחילה על ציר ה x -בזווית 0ומוזז לאורך חצייה העליון חרוז של הטבעת עד לזווית של , 180כמוראה באיור שמשמאל. הגרפים שמתחת מתארים את רכיבי השדה החשמלי השקול )כולל כיוון( שיוצרים שני החרוזים במרכז הטבעת .שנתות הגרפים הם x 0 R כאלה שעבורם Exs 5 104 N / cו. E ys 9 104 N / c - א .באיזו זווית מוצב חרוז ? 2 ב .מהם מטעני החרוזים Q1ו ) Q2גודל וסימן( ? 0 xs E 4 -2 2 4 )E (10 N/c y x -6 -2 -8 180 150 120 90 )deg 60 30 0 ys 4 180 150 120 90 60 30 0 )E (10 N/c -4 0 -4 -E xs -E )deg בהצלחה!!! 180 -4דף נוסחאות i dq dt זרם חשמלי רגעי V IR חוק אוהם A R Ri התנגדות התיל R K=1/4πε 0 =9 109 N m/C2 קבוע חשמלי 0 8.85 1012 C 2 / N m 2 חדירות הריק qq F21 K 1 2 2 rˆ21 r21 F qE חוק קולון q2 E K 2 rˆ r S E nˆ dA Qencl 0 e E nˆ dA A E Ei , i חיבור נגדים בטור i 1 / R 1 / Ri חיבור נגדים במקביל R (T ) R(T0 )(1 (T T0 )) i j nˆ dA , j di / dA תלות התנגדות המוליך בטמפרטורה צפיפות הזרם i A i j E E / חוק אוהם דיפרנציאלי W VIt עבודת הזרם החשמלי כוח הפועל על מטען נקודתי i dq dq dq , , dl dA dV B q( B A ) q E dl W A B שדה של מטען נקודתי חוק גאוס שטף שדה חשמלי עיקרון סופרפוזיציה לשדה ולפוטנציאל צפיפות המטען עבודה של שדה חשמלי A P VI I R V 2 2 R dW dt הספק הזרם החשמלי V B A E dl B A i 0 , ε iR חוקי קירכהוף V AB iR המתח בין שתי נקודותA- וB dq q , dt C q C (1 e t / RC ) טעינת הקבל R הפרש פוטנציאלים V W UB U A A B q q V Ed Kq / r הפרש פוטנציאלים בקבל לוחות פוטנציאל של מטען נקודתי dx x xdx C , a2 x2 C 2 3/ 2 2 2 2 2 2 (a x ) a a x a x x dx 1 a 2 x 2 a arctg a C , xdx 1 1 dx , 2 C , e ax dx e ax C , ln x C 2 3/ 2 2 2 a x (a x ) a x , 2 dx a2 x2 ln x a 2 x 2 C , x n dx x n 1 C ; (n 1) n 1 -5- dV אלמנט נפח r נפחV V 4R 3 / 3 נפח הכדור dA אלמנט שטח V r 2 נפח הגליל dA 2πr d שטחA A 4R 2 כדור dr dV 4r 2 dr r dr r גליל r r 2r d :בכיוון רדיאלי dV 2r dr :בכיוון הציר dV r 2 d d 2r היקף המעגל :שפה חיצונית A 2R A R 2 :בסיס מעגל dA 2πr dr A R r r dr 2 -6פתרון הבוחן שאלה1 נתוןF1 0.108 N , r 0.5m, F ' 0.036 : מחוק קולון נקבל: Q1Q2 Fr 2 Q Q 3 1012 1 2 r2 k )(1.1 ,F k כאשר לקחנו את המכפלה כשלילית מאחר וידוע כי המטענים שוני סימן .לאחר השוואת המטענים נקבל באותו האופן: F 'r2 106 k )(2.1 dE A y . Q' A 0, y נפתור את מערכת המשוואות לקבלת: Q1 1C Q2 3C Q12 106 Q1 3 1012 0 x r x2 y 2 dEB d + + + + + + + + + + + dx Ld x שאלה 2 א .נחשב את המטען כאינטגרל על צפיפותו: 2Q L2 0 L2 0 2 L Q x dx 0 ב .נביט במקטע מוט דיפרנציאלי הנמצא במרחק xמהראשית ועוביו . dxגודל השדה החשמלי שהנ"ל יוצר בנקודה Aהוא: k 0 x )(1.2 x2 y 2 dQ k dx x2 y 2 k dQ r2 dE A אנו מעוניינים ברכיב ה y -ולכן: k 0 x y )(2.2 3/2 y2 2 x dE A, y dE cos נבצע את האינטגרציה על המוט לקבלת L 1 1 k 0 y y x2 y 2 0 1 dx k 0 y 3/2 2 2 x2 y 2 0 x y עבור נקודה Aמעל המוט נקבל לאחר הצבת : 0 k 0 x y L E A, y x y -7- 2kQ y 1 2 2 L x y2 E A, y ג .כעת המרחק בין אלמנט המטען לנקודת השדה הוא ) r L d xראו איור( והשדה לאורך ציר ה . x -באופן דומה לסעיף קודם נקבל: 2kQ L d ln 2 L d L d dx k 0 x 2 L d x L , EB כשאר השתמשנו בעובדה: 0 dx a a dx ln a x C 2 2 ax a x a x dx axa 2 a x dx x 2 a x שאלה 3 א. ב. ג. ד. נחשב את המטען על ידי האינטגרל הנפחי על הצפיפות) הסימטריה כדורית במקרה זה(: R R r Q r dV 0 4 r 2 dr 0 R 3 R 0 0 מחוק גאוס ומהעובדה כי במוליך אלקטרוסטטי השדה החשמלי הוא אפס ,נקבל כי על הדופן הפנימית של הקליפה r המוליכה יופיע מטען מושרה . Q r 0 R על הדופן החיצונית יופיע מטען מושרה . Q על מנת לחשב את השדה בכל אזורי המרחב נשתמש בחוק גאוס ובתוצאותיו .נבחר משטח גאוסי כדורי בעל רדיוס rשמרכזו מתלכד עם מרכז המערכת. עבור 0 r Rנקבל: r r r2 2 2 E (4 r ) (4 r dr ) E 0 E dA q 0 0 0 enc 4 R 0 R 0 עבור R r 2 Rהשדה הוא כשדהו של מטען נקודתי Qולכן: kQ 0 R 3 r 2 4 0 r 2 עבור 2 R r 3Rהשדה אפס כי אנו בתוך פנימו של מוליך. E עבור r 3Rהשדה הוא שוב כשדהו של מטען נקודתי ולכן: kQ 0 R 3 E r 4 0 r 2 3R R -8נסכם את התשובות שקיבלנו: א. r2 ˆ 0 r 0rR 4 R 0 3 0 R ˆr R r 2R E (r ) 4 r 2 0 2 R r 3R 0 R3 ˆr r 3R 0 4 r 2 0 p נחשב את הפוטנציאל מתוך השדה באמצעות הנוסחא . V E ds :עבור האזור r 3R p נקבל: R3 R3 0 r dr 0 4 r 0 עבור 2 R r 3Rנקבל: r 0 R 2 . V (2 R r 3R ) V (3R) 0 dr const 12 0 3R עבור R r 2 Rנקבל: r 3 R R3 1 1 . V ( R r 2 R ) V (2 R) 0 2 dr 0 4 0 r 4 0 r 6 R 2R עבור 0 r Rנקבל: r 2 r 7 R2 r 3 . V 0 r R V ( R ) 0 dr 0 0 4 0 R 24 0 12 0 R R . V ( r 3R ) 2 4 r 0 שאלה 4 .1ידוע כי חרוז 1נע על חצי המעגל העליון ומכאן שחרוז 2לא יכול להימצא בנקודה על חצי המעגל העליון .משמע ,הוא נמצא בחצי המעגל התחתון. .2נביט בגרף עבור : Exבזווית 90רכיב ה x -של השדה הוא אפס .מכאן נובע כי חרוז 2 חייב להיות על ציר ה y -השלילי כי אם הוא היה בכל נקודה אחרת הוא היה יוצר שדה חשמלי שיש לו רכיב . xחרוז ) 2זה שזז( נמצא על ציר ה y -עבור 90וממילא לא יוצר שדה בכיוון ציר ה . x - -9 .3ניתן גם להביט בזוויות 0ו : 180 -לרכיב ה x -יש אותו גודל אולם סימן הפוך. מכאן שוב נובע כי חרוז 2חייב להימצא על ציר ה y -השלילי ,כלומר בזווית . 270 .4נביט בגרף המתאר את רכיב ה y -של השדה :השדה כל הזמן שלילי .משמע Q2 ,הוא שלילי. .5 נביט בגרף עבור Exבזווית : 0השדה שלילי ,כלומר פונה שמאלה ומכאן שהמטען Q1 חיובי. .6ניגש לחישוב המטענים .בזווית 0רכיב ה x -של השדה נובע רק מ . Q1 -ערכו שם kQ1 E1R 2 5 104 0.62 . E 5 104 N / Cמכאן נקבל 2C : Q 1 9 109 R2 k . E1 .7בזווית 0רכיב ה y -של השדה נובע רק מ . Q2 -ערכו שם . E 4 104 N / Cמכאן kQ1 E2 R 2 4 104 0.62 נקבל 1.6 C : Q 2 9 109 R2 k . E2