Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Μέτριο)

Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Τα τρία πρωτόνια (1), (2), (3) του παρακάτω σχήματος εκτοξεύονται ταυτόχρονα απ’ το ίδιο σημείο Α ομογενούς μαγνητικού πεδίου με ταχύτητες μέτρων \[υ_1\, , \, υ_2\, , \, υ_3\] αντίστοιχα που είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Τα πρωτόνια επιστρέφουν για πρώτη φορά στο σημείο βολής τους αφού το καθένα έχει διαγράψει μια πλήρη περιστροφή και θεωρούμε ότι ασκείται σ’ αυτά μόνο η δύναμη Lorentz απ’ το μαγνητικό πεδίο. Στο σχήμα φαίνονται οι τροχιές που διαγράφουν τα πρωτόνια μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Το διάνυσμα (α) είναι:

Δύο φορτισμένα σωματίδια \[(1)\, , \, (2)\] έχουν ίσες μάζες \[m\] και φορτίο \[|q_1 |=2|q_2 |\] με \[ q_1 0 \]. Τα σωματίδια εισέρχονται ταυτόχρονα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητες ίδιων κατευθύνσεων και με μέτρα \[υ_1 = 3 υ_2\] αντίστοιχα που είναι κάθετες στο όριο \[yy'\] του πεδίου και στις δυναμικές γραμμές του όπως φαίνεται στο σχήμα. Τα σωματίδια εξέρχονται απ’ το ίδιο όριο του πεδίου και τα σημεία εξόδου τους απέχουν μεταξύ τους απόσταση \[d\]. Οι βαρυτικές και οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις θεωρούνται αμελητέες. Τη στιγμή που από το πεδίο εξέρχεται το σωματίδιο που έχει τη μικρότερη συχνότητα κυκλικής κίνησης, τότε η απόσταση των δύο σωματιδίων είναι: \[(π^2=10)\]

Ποιες απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστές; Για να βρούμε την ένταση του μαγνητικού πεδίου \[\vec{Β}\] ενός ρευματοφόρου αγωγού σ’ ένα σημείο Α του μαγνητικού του πεδίου χωρίζουμε ολόκληρο τον αγωγό σε στοιχειώδη τμήματα \[Δ\ell_1\, , \, Δ\ell_2\, , … \] και τότε:

Δύο ισότοπα ιόντα του στοιχείου Νέου \[(Ne)\] απ’ την ίδια ευθύγραμμη δέσμη ισοτόπων εισέρχονται ταυτόχρονα στο μαγνητικό πεδίο \[\vec{B}'\] ενός φασματογράφου μάζας. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Στην φωτογραφική πλάκα του φασματογράφου:

Η κάθετη τομή ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] είναι ορθογώνιο παραλληλόγραμμο \[ΚΛΜΝ\] με \[ΚΛ=d\]. Αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] εισέρχεται στο πεδίο απ’ το σημείο Γ του ορίου του \[ΚΝ\] με ταχύτητα μέτρου \[υ_1=υ\] που είναι κάθετη στην \[ΚΝ\] και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το σωματίδιο εκτελεί κυκλική κίνηση μέσα στο πεδίο και μόλις που δεν εξέρχεται απ’ το όριο \[ΛΜ\] αλλά επιστρέφει και εξέρχεται απ’ το όριο \[ΚΝ\]. Αν το σωματίδιο είχε διπλάσια κατά μέτρο ταχύτητα \[υ_2=2υ\], τότε το μήκος \[s\] του τόξου που θα διέγραφε μέχρι να εξέλθει απ’ το μαγνητικό πεδίο θα ήταν:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η κατακόρυφη τομή ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] η οποία περιορίζεται μέσα στο ορθογώνιο παραλληλόγραμμο ΚΛΜΝ. Αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται στο πεδίο απ’ το σημείο Γ του ορίου ΚΛ με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που είναι κάθετη στην ΚΛ και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το σωματίδιο εκτελεί κυκλική κίνηση περιόδου \[T\] επιδρώντας σ’ αυτό μόνο το βάρος του και εξέρχεται τη χρονική στιγμή \[t_1 = \frac{T}{6}\] απ’ το σημείο Δ του ορίου ΛΜ του πεδίου. Το μήκος της πλευράς ΚΛ είναι ΚΛ\[=d\]. Η κατακόρυφη απόκλιση του σωματιδίου κατά την έξοδό του απ’ το πεδίο είναι \[y\]. Αν \[R\] είναι η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς του σωματιδίου, τότε η απόκλισή του \[y\] είναι:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Βόρειο και νότιο μαγνητικό πόλο μπορούμε να παρατηρήσουμε στο μαγνητικό πεδίο:

Φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο κάθετα στις δυναμικές γραμμές του με ορμή μέτρου \[p\]. Στο σωματίδιο ασκείται μόνο η δύναμη Lorentz απ’ το πεδίο αυτό. Το σωματίδιο εκτελεί ομαλή κυκλική κίνηση ακτίνας \[R_1\] και περιόδου \[T_1\]. Αν το ίδιο σωματίδιο εισέρχονταν στο ίδιο πεδίο με ταχύτητα ίδιας κατεύθυνσης και ορμής διπλάσιου μέτρου τότε θα εκτελούσε ομαλή κυκλική κίνηση ακτίνας \[R_2\] και περιόδου \[Τ_2\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Για τις παραπάνω ακτίνες και περιόδους ισχύει:

Δύο θετικά φορτισμένα σωματίδια \[(1)\, , \, (2)\] με ειδικά φορτία \[λ_1=\frac{ |q_1 | }{ m_1}\, , \, λ_2= \frac{|q_2 |}{m_2}\] για τα οποία ισχύει \[ \frac{λ_1}{λ_2} =4\] εισέρχονται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητες \[\vec{υ}_1\, ,\, \vec{υ}_2\] που σχηματίζουν γωνία \[φ_1=60^0\] και \[φ_2=60^0\] αντίστοιχα με τις δυναμικές του γραμμές. Τα φορτία εκτελούν ελικοειδή κίνηση με την επίδραση μόνο της δύναμης που δέχονται απ’ το μαγνητικό πεδίο. Οι ακτίνες των κυκλικών τροχιών τους είναι ίσες \[(R_1=R_2 )\]. Ο λόγος των βημάτων των ελικοειδών τους τροχιών \[\frac{β_1}{β_2}\] είναι:

Ένα πρωτόνιο με μάζα \[m_p\] και φορτίο \[q_p\] και ένα σωμάτιο \[α\] (πυρήνας ηλίου \[_2^4He\] με φορτίο \[q_α=2q_p\] και \[m_α=4m_p\] εισέρχονται ταυτόχρονα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] με ίσες ταχύτητες \[\vec{υ}\] που είναι κάθετες στο όριο \[xx'\] του πεδίου και στις δυναμικές γραμμές του όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Οι βαρυτικές και ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις θεωρούνται αμελητέες. Τα δύο σωματίδια εξέρχονται απ’ το ίδιο όριο του πεδίου και τα σημεία εξόδου τους πάνω στον \[xx'\] απέχουν μεταξύ τους απόσταση \[d\]. Αν \[R_α\] είναι η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς του σωματίου \[α\], τότε η απόσταση \[d\] είναι:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται δύο ομόκεντροι κυκλικοί ρευματοφόροι αγωγοί \[(1),\, (2)\]. Ο αγωγός \[(1)\] διαρρέεται από σταθερό ρεύμα έντασης \[Ι\] και έχει ακτίνα \[r\]. Ο αγωγός \[(2)\] διαρρέεται από σταθερό ομόρροπο ρεύμα ίδιας έντασης \[Ι\] και έχει ακτίνα \[4r\]. Στο κοινό κέντρο Κ η ένταση του μαγνητικού πεδίου του αγωγού \[(2)\] είναι \[Β_2\]: Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Το σωληνοειδές του παρακάτω σχήματος α μήκους \[ \ell \] και αριθμού σπειρών \[Ν\] συνδέεται με ιδανική πηγή που έχει ΗΕΔ \[\mathcal{E}\]. Κόβουμε το σωληνοειδές σε δύο ίσα μέρη και το ένα απ’ αυτά το συνδέουμε με την ίδια πηγή (σχ. β). Αν \[Β\] το μέτρο της έντασης στο εσωτερικό του σωληνοειδούς του σχ. α και \[Β'\] του σχήματος Β ισχύει:

Δύο σωμάτια \[α\] (πυρήνες ηλίου \[_2^4 He\]) (1), (2) εκτελούν κυκλική κίνηση μέσα στο ίδιο ομογενές μαγνητικό πεδίο υπό την επίδραση μόνο της δύναμης που δέχονται απ’ το πεδίο αυτό. Για τα μέτρα των ταχυτήτων τους \[υ_1\, , \, υ_2\] αντίστοιχα ισχύει \[ υ_1 > υ_2 \]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Κατά την κίνηση των σωματιδίων στο μαγνητικό πεδίο ισχύει:

Δύο ιόντα \[(1)\, , \, (2)\] με φορτία \[q_1 = q >0\] και \[q_2 = -q\] και ίδιας μάζας \[m\] βάλλονται ταυτόχρονα απ’ το ίδιο σημείο Γ του ορίου \[x' x\] του ομογενούς μαγνητικού πεδίου με ταχύτητες ίδιου μέτρου \[υ_1=υ_2=υ\] που είναι κάθετες στις δυναμικές τους γραμμές. Η ταχύτητα \[\vec{υ}_1\] του ιόντος \[(1)\] σχηματίζει με το όριο \[60^0\] ενώ η \[\vec{υ}_2\] γωνία \[120^0\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα σωματίδια \[(1) \, , \, (2)\] εξέρχονται απ’ τα σημεία Δ και Ε αντίστοιχα του ορίου \[x' x\] και κατά την κίνησή τους επιδρά σ’ αυτά μόνο η δύναμη απ’ το μαγνητικό πεδίο. Αν η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς του ιόντος \[(1)\] είναι \[R_1\], τότε η απόσταση ΔΕ είναι:

Δύο ισότοπα άτομα του υδρογόνου, το πρώτιο \[_1^1 H\] και το δευτέριο \[_1^2Η\] αφού ιονιστούν, αποκτούν θετικό φορτίο \[+e\] και εισέρχονται ταυτόχρονα σε φασματογράφο μάζας. Το φίλτρο ταχυτήτων του αποτελείται από ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] και ένα ομογενές ηλεκτρικό πεδίο έντασης \[E\]. Πρώτα περνούν απ’ το φίλτρο ταχυτήτων χωρίς να αποκλίνουν της αρχικής τους ταχύτητας και κατόπιν εισέρχονται στο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}'\] κάθετα στις δυναμικές γραμμές του. Τα δύο σωματίδια αφού εκτελέσουν ημικυκλικές τροχιές στο μαγνητικό πεδίο \[\vec{B}'\] πέφτουν πάνω στη φωτογραφική πλάκα και αφήνουν ίχνος σε απόσταση \[d\]. Θεωρούμε τη μάζα του πρωτονίου ίση με αυτή του νετρονίου \[(m_p=m_n )\]. Ο χρόνος παραμονής στο μαγνητικό πεδίο \[\vec{B}'\] του πρωτίου είναι \[t_π\] και του δευτερίου \[t_δ\]. Για τη διαφορά τους \[t_δ-t_π\] ισχύει:

Φορτισμένο σωματίδιο μάζας m και φορτίου q εισέρχεται απ’ το σημείο Κ σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης μέτρου Β με ταχύτητα μέτρου υ που είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και κάθετη στο ευθύγραμμο τμήμα ΑΕ που είναι το όριο του πεδίου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το σωματίδιο δέχεται μόνο τη δύναμη απ’ το μαγνητικό πεδίο και εξέρχεται απ’ το σημείο Λ του ίδιου ορίου ΑΕ του μαγνητικού πεδίου. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που σχηματίζει γωνία \[θ\] με την ένταση \[ \vec{B}\] του πεδίου με \[ 0 < θ < π \]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Το έργο της δύναμης Lorentz \[\vec{F}_{Lo}\] που δέχεται το σωματίδιο σε μια διαδρομή του μέσα στο πεδίο είναι:

\[1\] Ampere είναι η ένταση του ρεύματος που πρέπει να διαρρέει δύο ευθύγραμμους ρευματοφόρους αγωγούς απείρου μήκους που βρίσκονται στο κενό σε απόσταση \[1\, m\] ο ένας απ’ τον άλλο ώστε ο ένας ν’ ασκεί στον άλλο δύναμη ανά μέτρο μήκους του κάθε αγωγού με μέτρο ίσο με:

Οι τρεις κατακόρυφοι αγωγοί διαρρέονται από ρεύματα \[Ι_1=3Ι\, , \, Ι_2=5Ι\, , \, Ι_3=2Ι \] που οι φορές τους φαίνονται στο σχήμα. Ποια απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστή; Αν \[μ_0\] η μαγνητική διαπερατότητα του κενού, επιλέγοντας την περιπλεκόμενη κλειστή διαδρομή που περιβάλλει τους τρεις αγωγούς, το άθροισμα \[∑B\cdot Δ\ell \cdot συνθ\] στη διαδρομή αυτή ισούται με:

Ο κυκλικός αγωγός (1) του σχήματος έχει ακτίνα \[α\] και διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι_1\] ενώ ο ευθύγραμμος αγωγός (2) απείρου μήκους απέχει απ’ το κέντρο του Κ του κυκλικού απόσταση \[2α\], βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο με τον αγωγό (1) και διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι_2\]. Στο κέντρο του κυκλικού αγωγού η συνολική ένταση του μαγνητικού πεδίου λόγω των δύο αγωγών είναι μηδενική. Για το λόγο των εντάσεων \[\frac{Ι_1}{Ι_2}\] ισχύει:

Δύο ισότοπα άτομα του υδρογόνου, το πρώτιο \[_1^1 H\] και το δευτέριο \[_1^2Η\] αφού ιονιστούν, αποκτούν θετικό φορτίο \[+e\] και εισέρχονται ταυτόχρονα σε φασματογράφο μάζας. Το φίλτρο ταχυτήτων του αποτελείται από ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] και ένα ομογενές ηλεκτρικό πεδίο έντασης \[E\]. Πρώτα περνούν απ’ το φίλτρο ταχυτήτων χωρίς να αποκλίνουν της αρχικής τους ταχύτητας και κατόπιν εισέρχονται στο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}'\] κάθετα στις δυναμικές γραμμές του. Τα δύο σωματίδια αφού εκτελέσουν ημικυκλικές τροχιές στο μαγνητικό πεδίο \[\vec{B}'\] πέφτουν πάνω στη φωτογραφική πλάκα και αφήνουν ίχνος σε απόσταση \[d\]. Θεωρούμε τη μάζα του πρωτονίου ίση με αυτή του νετρονίου \[(m_p=m_n )\]. Για τις ταχύτητες εισόδου των σωματιδίων στο φίλτρο ταχυτήτων μπορούμε να συμπεράνουμε ότι:

Ραδιενεργό άτομο που είναι αρχικά ακίνητο μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο μεγάλης έκτασης διασπάται ακαριαία μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο σε δύο επιμέρους σωματίδια \[(1)\, , \, (2)\] με φορτία \[ q_1\, , \, q_2\] με φορτία \[ q_1 \, , \, q_2\], μάζες \[ m_1 \, , \, m_2\] και ταχύτητες \[\vec{υ}_1\, , \, \vec{υ}_2\]. Η ταχύτητα του σωματιδίου \[(1)\] είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Τα σωματίδια που παράγονται εκτελούν μέσα στο ομογενές μαγνητικό πεδίο κυκλικές κινήσεις ακτίνων \[ R_1\, , \, R_2\] αντίστοιχα δεχόμενα μόνο τις δυνάμεις του ομογενούς μαγνητικού πεδίου. ( Υπόδειξη: Σε κάθε έκρηξη ισχύει η αρχή διατήρησης της ορμής. Το άτομο πριν τη διάσπαση είναι αφόρτιστο \[q_{{ολ}_πριν}=0\] και η αρχή διατήρησης του φορτίου απαιτεί \[q_{{ολ}_πριν} = q_1+q_2\] ). Για τις ακτίνες τους ισχύει:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τμήματα των τροχιών τριών σωματιδίων (1), (2), (3) που κινούνται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο κάθετα στις δυναμικές γραμμές του. Τα σχήματα δεν έγιναν υπό καμία κλίμακα. Οι βαρυτικές δυνάμεις θεωρούνται αμελητέες. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Θετικά φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] εισέρχεται στην στήλη ΚΛΜΝ ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] από το σημείο Ζ της πλευράς ΚΝ με ταχύτητα \[υ\] που είναι κάθετη στην ΚΝ και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το σωματίδιο διαγράφει κυκλικό τμήμα και εξέρχεται απ’ το όριο ΛΜ του πεδίου με ταχύτητα που σχηματίζει με αυτό γωνία \[60^0\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το σωματίδιο εξέρχεται απ’ το πεδίο σε χρόνο \[Δt\]. Αν το σωματίδιο εισέρχονταν στο πεδίο απ’ το Ζ με μικρότερη κατά μέτρο ταχύτητα \[υ'\] αλλά ίδιας κατεύθυνσης με την αρχική \[\vec{υ}\] θα εξέρχονταν απ’ το όριο ΚΝ σε χρόνο \[Δt'\]. Για τους χρόνους \[Δt\, , \, Δt' \] ισχύει:

Φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] βάλλεται από σημείο Γ ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] και ασκείται σ’ αυτό μόνο η δύναμη απ’ το πεδίο αυτό. Η ταχύτητα βολής του \[\vec{υ}\] σχηματίζει γωνία \[φ\] με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Σε χρονικό διάστημα \[Δt=2T\], το μήκος της τροχιάς που διαγράφει είναι \[s_1\], ενώ στον άξονα τον παράλληλο με τις δυναμικές γραμμές έχει μετατοπιστεί κατά \[Δx_1\]. Ο λόγος \[\frac{s_1}{Δx_1}=\frac{2\sqrt{3}}{3} \]. Αν \[R\] είναι η ακτίνα της ελικοειδούς τροχιάς του, τότε ο λόγος \[\frac{s_1}{R}\] είναι:

Σωληνοειδές διαρρέεται από ρεύμα \[Ι\] και η ένταση στο κέντρο του έχει μέτρο \[B_K\] ενώ σε ένα άκρο του έχει μέτρο \[Β_Α\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Η διαφορά των μέτρων \[Β_Κ-Β_Α\] είναι ίση με:

Τρία διαφορετικά θετικά ιόντα \[ (1)\, , \, (2) \, , \, (3)\] βάλλονται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητες που είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και έχουν μέτρα \[υ_1\, , \, υ_2\, , \, υ_3\] που γι’ αυτά ισχύει \[ υ_1 > υ_2 > υ_3 \]. Τα ιόντα εκτελούν κυκλική κίνηση μέσα στο μαγνητικό πεδίο ίσων ακτίνων \[ R_1 = R_2 = R_3\]. Στα ιόντα ασκούνται μόνο οι δυνάμεις απ’ το μαγνητικό πεδίο. Για τις συχνότητες των κυκλικών τους κινήσεων \[ f_1 \, , \, f_2 \, , \, f_3\] ισχύει:

Η κάθετη τομή ενός ομογενούς τριγώνου είναι το τρίγωνο ΑΓΔ με \[\hat{Α} =30^0\] και θετικά φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται στο πεδίο απ’ το σημείο Κ της πλευράς ΑΓ με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που είναι κάθετη στην ΑΓ και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το σωματίδιο εξέρχεται απ’ το σημείο Λ της πλευράς ΑΔ με ταχύτητα κάθετη στην πλευρά αυτή. Η απόσταση ΑΚ είναι ΑΚ\[=d\]. Ο χρόνος κίνησης του σωματιδίου στο μαγνητικό πεδίο είναι:

Με βάση τον τύπο του μέτρου της δύναμης ανά μονάδα μήκους μεταξύ δύο παράλληλων ρευματοφόρων αγωγών απείρου μήκους ορίζεται η μονάδα μέτρησης: