Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Δύσκολο)

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 \[Τ_α\] είναι η περίοδος της κυκλικής τροχιάς του σωματίου \[α\], τότε η χρονική διάρκεια \[Δt\] μεταξύ της εξόδου του ενός και του άλλου σωματιδίου απ’ το πεδίο είναι:

Τα δύο σωληνοειδή \[Σ_1\], \[Σ_2\] του παρακάτω σχήματος έχουν τα άκρα τους πολύ κοντά μεταξύ τους. Το σωληνοειδές \[Σ_1\] έχει μήκος \[\ell\] και αποτελείται από \[N_1=N\] σπείρες, ενώ το δεύτερο σωληνοειδές \[Σ_2\] έχει μήκος \[\ell\] και αποτελείται από \[Ν_2=2Ν\] σπείρες. Τα σωληνοειδή διαρρέονται από ρεύματα εντάσεων \[Ι_1,\, Ι_2\] με \[Ι_1=Ι\] και \[Ι_2=2Ι\]. Ο αβαρής αγωγός ΚΛ έχει μήκος \[\ell'\], διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\] που η φορά του φαίνεται στο σχήμα και προσδένεται στο κάτω άκρο κατακόρυφου ιδανικού ελατηρίου σταθεράς \[k\] που το πάνω άκρο του είναι στερεωμένο σε οροφή. Ο αγωγός ΚΛ τοποθετείται οριζόντια μεταξύ των γειτονικών άκρων των δύο πηνίων ώστε να είναι κάθετος στις δυναμικές γραμμές των μαγνητικών τους πεδίων. Ο αγωγός ΚΛ ισορροπεί ακίνητος όταν διαρρέεται από ρεύμα.

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

Κυκλικός αγωγός συνδέεται με τάση \[V\] και το μαγνητικό πεδίο στο κέντρο του έχει ένταση μέτρου \[B\]. Με το σύρμα του αγωγού αυτού φτιάχνω κυκλικό πλαίσιο που αποτελείται από \[5\] ομοεπίπεδους και ομόκεντρους αγωγούς ίδιων μεταξύ τους ακτίνων. Για να είναι το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πλαισίου ίσο με \[Β\] πρέπει στα άκρα του να εφαρμόσω τάση \[V'\] για την οποία ισχύει:

Ένα πρωτόνιο μάζας \[m_p\] και φορτίου \[q_p\] και ένα νετρόνιο \[n\] βάλλονται ταυτόχρονα με κατά μέτρο ίσες ταχύτητες \[(υ_p=υ_n )\] από σημείο Γ της ευθείας \[x' x\] που αποτελεί όριο ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\]. Η ταχύτητα \[\vec{υ}_p\] του πρωτονίου σχηματίζει γωνία \[30^0\] με το όριο \[x' x\] και είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου ενώ η ταχύτητα \[\vec{υ}_n\] του νετρονίου είναι κάθετη στο όριο \[x' x\] και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Οι βαρυτικές δυνάμεις αμελούνται. Το πρωτόνιο εξέρχεται αφού έχει διαγράψει κυκλικό τόξο απ’ το σημείο Δ του ορίου \[x' x\] που απέχει απ’ το Γ απόσταση \[d\]. Τη στιγμή της εξόδου του πρωτονίου απ’ το μαγνητικό πεδίο το νετρόνιο απέχει απόσταση \[d_1\] απ’ το όριο \[x' x\] για την οποία ισχύει:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Η μάζα \[m\] του ηλεκτρονίου:

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:

Ένα πρωτόνιο \[p\] μάζας \[m_p\] και φορτίου \[e\] και ένα σωμάτιο \[α\] μάζας \[m_α=4m_p\] και φορτίου \[q_α=2e\] όπου \[e\] το στοιχειώδες θετικό φορτίο εισέρχονται ταυτόχρονα απ’ το ίδιο σημείο Γ με ταχύτητες \[\vec{υ}_α\, , \, \vec{υ}_p \] σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{Β}\] έτσι ώστε οι ταχύτητές τους να είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και στο όριό του που είναι η ευθεία \[xx'\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα σωματίδια δέχονται μόνο τις δυνάμεις απ’ το μαγνητικό πεδίο που εκτείνεται σε μεγάλη απόσταση πάνω απ’ το όριο του \[xx'\]. Κατά την είσοδό τους στο πεδίο έχουν ίσες κινητικές ενέργειες \[(K_p=K_α )\]. Για τα μέτρα των ρυθμών μεταβολής της ορμής των δύο σωματιδίων κατά την παραμονή τους στο μαγνητικό πεδίο ισχύει:

Ηλεκτρόνιο μάζας \[m_e\] και φορτίου \[-e\] (όπου \[e\] το στοιχειώδες φορτίο) εισέρχεται με κινητική ενέργεια Κ σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης Β και δέχεται μόνο τη δύναμη απ’ το πεδίο. Το ηλεκτρόνιο εισέρχεται απ’ το σημείο Γ του ορίου ΚΝ του μαγνητικού πεδίου με ταχύτητα \[\vec{υ}\] κάθετη στο όριο ΚΝ και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Σημείο Δ του πεδίου απέχει απ’ το Γ απόσταση \[ΓΔ=d\] και το ευθύγραμμο τμήμα ΓΔ σχηματίζει με τη διεύθυνση της ταχύτητας εισόδου στο πεδίο γωνία \[φ\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Για να διέλθει το ηλεκτρόνιο απ’ το σημείο Δ πρέπει το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου να είναι:

Φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα \[\vec{υ}\] κάθετη στις δυναμικές γραμμές. Στο σωματίδιο επιδρά μόνο η δύναμη Lorentz \[\vec{F}_{Lo}\] που δέχεται απ’ το πεδίο αυτό. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Τρία διαφορετικά αρνητικά ιόντα βάλλονται ταυτόχρονα την \[t=0\] μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητες μέτρων \[ υ_1 > υ_2 > υ_3\] αντίστοιχα που είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα ιόντα αφού διαγράψουν από έναν πλήρη κύκλο ακτίνων \[ R_1\, , \, R_2 \, , \, R_3\] αντίστοιχα, επιστρέφουν για πρώτη φορά στο σημείο βολής τους την ίδια χρονική στιγμή επιδρώντας σ’ αυτά μόνο οι δυνάμεις που δέχονται απ’ το μαγνητικό πεδίο. Για το ειδικό φορτίο \[ \frac{|q| }{ m }\] των τριών ιόντων ισχύει:

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 \[(m_p=m_n )\]. Η απόσταση \[d\] είναι ίση με:

Ο αγωγός (1) του παρακάτω σχήματος αποτελείται από δύο συνευθειακούς αγωγούς ΚΜ και ΛΝ πεπερασμένου μήκους και έναν ημικυκλικό αγωγό ακτίνας \[r\] και κέντρου Ο που η διάμετρός του είναι η ΚΛ. Ο αγωγός (1) διαρρέεται από ρεύμα \[Ι\]. Ο αγωγός (2) είναι ευθύγραμμος απείρου μήκους παράλληλος στα ευθύγραμμα τμήματα του αγωγού (1) και διαρρέεται από ρεύμα \[Ι'=2Ιπ\] και απέχει α απ’ το κέντρο του ημικυκλίου. Οι αγωγοί (1) και (2) βρίσκονται στο επίπεδο της σελίδας και το ρεύμα του αγωγού (2) έχει φορά προς τα δεξιά. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο Ο του ημικυκλίου είναι μηδενική. Η απόσταση \[α\] του αγωγού (2) είναι:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Ο Νόμος του Ampere ισχύει:

Φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που σχηματίζει γωνία \[φ\] (\[ 0 < φ < 90^0\]) με τις δυναμικές του γραμμές. Στο σωματίδιο ασκείται μόνο η δύναμη απ’ το πεδίο. Το σωματίδιο εκτελεί ελικοειδή κίνηση. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Το βήμα της ελικοειδούς κίνησης:

Ευθύγραμμος ρευματοφόρος αγωγός βρίσκεται μέσα σ’ ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο και σχηματίζει γωνία \[φ\] με τις δυναμικές γραμμές του. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Η δύναμη Laplace έχει διεύθυνση:

Η κλειστή διαδρομή \[S\] περικλείει ρεύματα που οι εντάσεις τους είναι \[Ι_1=3Ι\, , \, Ι_2=2Ι \, , \, Ι_3=4Ι \] και \[Ι_5=Ι\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Το άθροισμα \[∑B\cdot Δ\ell\cdot συνθ\] είναι ίσο με:

Φορτισμένο σωματίδιο μάζας \[m\] και φορτίου \[q < 0\] εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[Β\] που εκτείνεται σε μεγάλη απόσταση πάνω απ’ το όριό του που είναι η ευθεία \[x' x\]. Το σωματίδιο εισέρχεται απ’ το όριο \[x' x\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που σχηματίζει γωνία \[φ=30^0\] με το όριο \[x' x\] και είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Οι βαρυτικές δυνάμεις αμελούνται. Το διάνυσμα της μεταβολής της ορμής του σωματιδίου λόγω της παραμονής του στο πεδίο σχηματίζει με το όριο του πεδίου γωνία:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Στο νόμο του Ampere \[∑B\cdot Δ\ell\cdot συνθ=μ_0 Ι_{εγκ}\], το \[Ι_{εγκ}\] είναι:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι τροχιές δύο ισότοπων ιόντων ίδιου φορτίου \[(1)\] και \[(2)\] του στοιχείου νέου \[(Ne)\] μιας δέσμης ισότοπων του στοιχείου αυτού που εισέρχονται στο μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B} '\] ενός φασματογράφου μάζας. Το ιόν \[(1)\] είναι ισότοπο του \[^{20} Ne\] και το ιόν \[(2)\] του \[^{22}Ne\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή;

Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Ισότοπα άτομα είναι τα άτομα:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η εγκάρσια διατομή ακτίνας \[R\] ενός ευθύγραμμου κυλινδρικού αγωγού μεγάλου μήκους. Ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\] ομοιόμορφα κατανεμημένο στη διατομή του. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου του αγωγού σ’ ένα σημείο Ζ της περιφέρειάς του έχει μέτρο \[Β_Ζ\]. Το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου \[B_Λ\] σ’ ένα εσωτερικό του σημείο Λ που απέχει απόσταση \[α\] απ’ τον άξονα του αγωγού 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 ο ευθύγραμμος αγωγός (1) είναι ακλόνητα στερεωμένος από στηρίγματα \[Σ_1,\, Σ_2\] ώστε να παραμένει οριζόντιος. Ο κυλινδρικός αγωγός (2) έχει μήκος \[\ell\], πυκνότητα \[ρ\] και έχει σταθερό εμβαδόν διατομής \[S\]. Όταν οι αγωγοί διαρρέονται από ομόρροπα ρεύματα \[I_1,\, I_2\] με \[I_1=2I_2\], τότε ο αγωγός (2) αιωρείται ακίνητος παράλληλα στον αγωγό (1) και στο ίδιο κατακόρυφο επίπεδο με αυτόν. Στη θέση ισορροπίας του αγωγού (2), η απόσταση των δύο αγωγών είναι \[d\]. Ο όγκος ενός κυλίνδρου είναι \[V=\ell \cdot S\]. Αν \[g\] είναι το μέτρο της επιτάχυνσης της βαρύτητας και \[k_μ\] η μαγνητική σταθερά, τότε η πυκνότητα \[ρ\] του αγωγού είναι:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η εγκάρσια διατομή ακτίνας \[R\] ενός ευθύγραμμου κυλινδρικού αγωγού μεγάλου μήκους. Ο αγωγός διαρρέεται από ρεύμα έντασης \[Ι\] που είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο στη διατομή του αγωγού. Το μέτρο της έντασης \[B\] του μαγνητικού πεδίου του αγωγού στα διάφορα σημεία του \[0 ≤ r ≤ R \] σε σχέση με την απόσταση \[r\] των σημείων αυτών απ’ τον άξονα του κυλίνδρου είναι:

Δύο πρωτόνια \[(1)\, , \, (2)\] με φορτίο \[q_p\] και μάζα \[m_p\] εισέρχονται απ’ το σημείο Γ του ορίου \[xx'\] του ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] με ίδιες κατά μέτρο ταχύτητες \[υ_1=υ_2=υ\] που οι διευθύνσεις τους είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Το πρωτόνιο \[(1)\] έχει ταχύτητα \[υ_1\] που σχηματίζει γωνία \[φ=30^0\] με το όριο \[xx'\] ενώ η ταχύτητα του πρωτονίου \[(2)\] \[υ_2\] είναι κάθετη στο όριο \[xx'\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα πρωτόνια δέχονται μόνο τη δύναμη Lorentz του μαγνητικού πεδίου. Τα πρωτόνια εξέρχονται απ’ τα σημεία Δ, Ε του ορίου \[xx'\]. Διερευνήστε σε ποιο απ’ τα πρωτόνια αντιστοιχεί το κάθε σημείο εξόδου. Αν η απόσταση ΓΔ είναι ΓΔ\[=d\] τότε η απόσταση ΔΕ είναι:

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 \[y\]. Το μήκος \[d\] είναι:

Ένα πρωτόνιο βάλλεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα που σχηματίζει γωνία \[φ\] με τις δυναμικές του γραμμές όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Στο πρωτόνιο ασκείται μόνο η δύναμη απ’ το πεδίο αυτό. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Ένα σωμάτιο \[α\] (πυρήνες ηλίου) φορτίου \[q_α\] και μάζας \[m_α\] βάλλεται απ’ το σημείο Γ του ορίου ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και σχηματίζει γωνία \[150^0\] με το όριο \[x' x\] του πεδίου όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το σωμάτιο \[α\] βγαίνει απ’ το μαγνητικό πεδίο απ’ το σημείο Δ του ορίου \[x' x\]. Κατόπιν επαναλαμβάνουμε το ίδιο πείραμα με το σωμάτιο \[α\] να εισέρχεται απ’ το σημείο Γ στο μαγνητικό πεδίο με ίδια κατά μέτρο ταχύτητα που όμως τώρα είναι και κάθετη στις δυναμικές γραμμές και κάθετη στο όριο \[x' x\] του πεδίου. Τώρα το σωματίδιο βγαίνει απ’ το σημείο Ε του ορίου \[x' x\]. Και στα δύο πειράματα στο σωμάτιο \[α\] επιδρά μόνο η δύναμη απ’ το μαγνητικό πεδίο. Σχεδιάστε τις τροχιές του πυρήνα στο ίδιο σχήμα. Η μεταβολή της ορμής του πυρήνα στο πρώτο πείραμα έχει μέτρο: