Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Δύσκολο)

Ο ευθύγραμμος αγωγός ΚΛ έχει μήκος \[\ell\] και αντίσταση \[R\]. Ο αγωγός τοποθετείται οριζόντια ώστε τα άκρα του να εφάπτονται με τους λείους κατακόρυφους αγωγούς \[Αy_1\] και \[Γy_2\] που έχουν αμελητέα αντίσταση. Τα άκρα Α, Γ των κατακόρυφων αγωγών συνδέονται με ηλεκτρική πηγή που έχει ΗΕΔ \[\mathcal{E}\] και εσωτερική αντίσταση \[r=\frac{R}{3}\], ενώ μεταξύ των αγωγών αυτών έχουμε συνδέσει μέσω διακόπτη δ και αντιστάτη αντίστασης \[R_1=\frac{R}{2}\]. Το σύστημα των αγωγών βρίσκεται μέσα σε οριζόντιο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] που είναι κάθετο στο επίπεδο των αγωγών και έχει τη φορά του σχήματος. Αρχικά ο διακόπτης είναι ανοικτός και ο αγωγός ΚΛ ισορροπεί ακίνητος. Όταν κλείσουμε το διακόπτη δ, ο αγωγός ΚΛ:

Σωματίδιο μάζας \[m\] και φορτίου \[q\] εισέρχεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που σχηματίζει γωνία \[φ\] με τις δυναμικές του γραμμές \[(0 < φ < 90^0)\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Αν αυξήσω τη γωνία \[φ\] κατά την είσοδο του σωματιδίου στο πεδίο διατηρώντας την μεταξύ των τιμών \[0 < φ < 90^0\] τότε:

Ο ημικυκλικός αγωγός του παρακάτω σχήματος έχει ακτίνα \[r_1\], κέντρο Κ και αντίσταση \[R\]. Τα άκρα του αγωγού συνδέονται μέσω συρμάτων αμελητέας αντίστασης με πηγή που έχει ΗΕΔ \[E\] και εσωτερική αντίσταση \[r=R\]. Αν \[μ_0\] η μαγνητική διαπερατότητα του κενού, τότε η ένταση του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο Κ του αγωγού έχει μέτρο:

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:

Οι δύο αγωγοί (1), (2) μεγάλου μήκους του διπλανού σχήματος διαρρέονται από αντίρροπα ρεύματα \[I_1=I , \, I_2=3Ι_1\] αντίστοιχα. Το σημείο Ζ απέχει \[r_1=\frac{d}{2}\] και \[r_2=\frac{ \sqrt{3} }{2} d\] όπου \[d\] η απόσταση των δύο αγωγών. Το μέτρο της συνολικής έντασης του μαγνητικού πεδίου λόγω των δύο αγωγών στο Ζ είναι:

Ποια απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστή; Ο φασματογράφος του Bainbridge αποτελείται από

Δύο ηλεκτρόνια (1), (2) βάλλονται ταυτόχρονα απ’ το ίδιο σημείο Α ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου και εκτελούν πλήρεις κυκλικές κινήσεις ακτίνων \[R_1\, ,\, R_2\] αντίστοιχα δεχόμενα μόνο τις δυνάμεις Lorentz απ’ το μαγνητικό πεδίο. Έτσι τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν ξανά στο σημείο βολής τους Α. Οι ταχύτητες των ηλεκτρονίων είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και για τα μέτρα τους ισχύει: \[υ_2=2υ_1\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Για τις κυκλικές κινήσεις των δύο ηλεκτρονίων ισχύει:

Σε χώρο που αμελούνται οι βαρυτικές δυνάμεις ένα σωματίδιο κινείται ευθύγραμμα και ομαλά. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Τα δύο φορτισμένα σωματίδια του παρακάτω σχήματος έχουν φορτία \[ q_1 \, , \, q_2\] με ίσες μάζες \[m_1 = m_2\] αντίστοιχα και εκτελούν ομαλή κυκλική κίνηση ακτίνων \[ R_1 \, , \, R_2\] μέσα στο ίδιο ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] μόνο με την επίδραση των δυνάμεων που δέχονται απ’ το μαγνητικό πεδίο. Οι κινητικές ενέργειες των δύο σωματιδίων είναι ίσες \[Κ_1 = Κ_2\]. Για τα πρόσημα και τις απόλυτες τιμές των δύο φορτίων τους ισχύει:

Η παρακάτω κλειστή διαδρομή \[S\] του σχήματος περιέχει δύο ευθύγραμμους ρευματοφόρους αγωγούς (1), (2) με ρεύματα εντάσεων \[Ι_1\, , \, Ι_2\]. Η φορά του ρεύματος του αγωγού (1) φαίνεται στο σχήμα. Στη διαδρομή \[S\] το άθροισμα των ρευμάτων είναι ίσο με μηδέν. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Στο παρακάτω σχήμα έχουμε δύο ομογενή μαγνητικά πεδία \[(1)\, , \, (2)\] με εντάσεις \[\vec{B}_1\, , \, \vec{B}_2\] αντίστοιχα που έχουν τις δυναμικές γραμμές τους παράλληλες. Τα δύο πεδία χωρίζονται απ’ τον άξονα \[x' x\] και εκτείνονται σε μεγάλη απόσταση στα δύο ημιεπίπεδα που ορίζει ο άξονας αυτός. Αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] εισέρχεται την \[t=0\] στο πεδίο \[(1)\] απ’ το σημείο Γ του άξονα \[x' x\] με ταχύτητα \[υ\] κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και στον άξονα \[x' x\]. Τη στιγμή \[t_1\] εξέρχεται απ’ το πεδίο \[(1)\], κινείται μέσα στο πεδίο \[(2)\] και τη στιγμή \[t_2\] φτάνει πάλι στο όριο \[x' x\] των δύο πεδίων στο σημείο Δ. Για τις χρονικές στιγμές \[t_1\, ,\, t_2\] ισχύει \[t_2 = 4 t_1\]. Το σωματίδιο θα περάσει για \[4^η\] φορά μετά απ’ την \[t=0\] απ’ το όριο \[x' x\] τη στιγμή \[t_3\] που είναι:

Το εύκαμπτο ευθύγραμμο σύρμα μεγάλου μήκους του παρακάτω σχήματος σ’ ένα τμήμα του κάμπτεται ώστε να δημιουργηθεί κυκλικός αγωγός ακτίνας \[α\]. Το επίπεδο του κυκλικού αγωγού ταυτίζεται με το κατακόρυφο επίπεδο πάνω στο οποίο βρίσκεται το ευθύγραμμο σύρμα. Το σύρμα διαρρέεται από σταθερό ρεύμα έντασης \[Ι\]. Η συνολική ένταση του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο Κ του κυκλικού αγωγού έχει μέτρο:

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:

Στο παρακάτω σχήμα έχουν σχεδιαστεί μαγνητικές βελόνες που έχουν προσανατολιστεί λόγω των δυνάμεων που δέχονται μόνο απ’ το μαγνητικό πεδίο ρευματοφόρου σωληνοειδούς: Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Ο σωστός προσανατολισμός των μαγνητικών βελονών δείχνεται:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η κατακόρυφη τομή του ρευματοφόρου σωληνοειδούς. Η μαγνητική βελόνα που τοποθετείται στο εσωτερικό του σωληνοειδούς προσανατολίζεται μόνο λόγω των δυνάμεων που δέχεται από το μαγνητικό πεδίο του σωληνοειδούς. Επιλέξτε τη σωστή απάντηση. Ο προσανατολισμός της μαγνητικής βελόνας φαίνεται στην περίπτωση:

Δύο σωληνοειδή (1), (2) συνδέονται σε σειρά και το σύστημά τους συνδέεται με πηγή που έχει ΗΕΔ \[\mathcal{E}\] και εσωτερική αντίσταση \[r\]. Για τον αριθμό των σπειρών και τα μήκη των σωληνοειδών ισχύει: \[Ν_2=2Ν_1\] και \[\ell_2=\frac{\ell_1}{2}\]. Για τα μέτρα των εντάσεων των μαγνητικών πεδίων τους στο εσωτερικό τους \[Β_1,\, Β_2\] ισχύει:

Οι τρεις ρευματοφόροι αγωγοί μεγάλου μήκους (1), (2), (3) έχουν τομές με τη σελίδα πάνω στις κορυφές Α, Γ, Δ αντίστοιχα ενός τετραγώνου ΑΓΔΕ πλευράς \[α\] όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Οι αγωγοί (1), (3) διαρρέονται από ρεύματα ίδιας έντασης \[I_1=I_3=I\]. Η συνολική ένταση του μαγνητικού πεδίου στην κορυφή Ε είναι μηδενική. Η ένταση του ρεύματος του αγωγού 2 είναι:

Τρεις κατακόρυφοι και ομοεπίπεδοι αγωγοί (1), (2), (3) διαρρέονται από ρεύματα ίσων εντάσεων που οι φορές τους φαίνονται στο διπλανό σχήμα. Η απόσταση του κάθε αγωγού απ’ τον γειτονικό του είναι \[r\]. Η συνολική δύναμη που δέχεται ένα τμήμα μήκους \[\ell\] του αγωγού (2) απ’ τους άλλους δύο έχει μέτρο \[F\]. Τότε η συνολική δύναμη ανά μονάδα μήκους που δέχεται ένα τμήμα μήκους \[\ell\] του αγωγού (3) είναι:

Η κάθετη τομή ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[Β\] είναι το τετράγωνο ΚΛΜΝ πλευράς \[α\]. Ένα ηλεκτρόνιο εισέρχεται στο πεδίο απ’ την κορυφή Κ με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που η διεύθυνσή της ταυτίζεται με το όριο ΚΛ. Το ηλεκτρόνιο εξέρχεται απ’ την κορυφή Μ του τετραγώνου και κατά την κίνησή του οι βαρυτικές δυνάμεις αμελούνται. Το φορτίο του ηλεκτρονίου είναι \[-e\] (όπου \[e\] το στοιχειώδες θετικό φορτίο) και η μάζα του \[m_e\]. Η πλευρά \[α\] του τετραγώνου είναι ίση με:

Σωματίδιο μάζας \[m\] και φορτίου \[q\] εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που σχηματίζει γωνία \[φ = 30^0 \] με τις δυναμικές γραμμές του. Το σωματίδιο εκτελεί ελικοειδή κίνηση και η μόνη δύναμη που δέχεται είναι αυτή του μαγνητικού πεδίου. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Οι δύο ευθύγραμμοι αγωγοί (1), (2) του παρακάτω σχήματος έχουν αντίσταση \[R\] ο καθένας. Οι αγωγοί συνδέονται με ιδανική πηγή ΗΕΔ \[\mathcal{E}\]. Αρχικά ο διακόπτης δ είναι ανοικτός και στο σημείο Ζ η ένταση του μαγνητικού πεδίου του αγωγού (1) στο σημείο Ζ έχει μέτρο \[Β\]. Κλείνουμε το διακόπτη δ. Η συνολική ένταση του μαγνητικού πεδίου στο Ζ λόγω των δύο αγωγών έχει μέτρο \[Β'\]. Το σημείο Ζ απέχει \[d\] και απ’ τους δύο αγωγούς η οποία θεωρείται πολύ μικρή σε σχέση με το μήκος τους. Το μέτρο \[Β'\]:

Ένα πρωτόνιο μάζας \[m_p\] και φορτίου \[+e\] (στοιχειώδες φορτίο) εισέρχεται απ’ το σημείο Α του ορίου \[xx'\] ομογενούς μαγνητικού πεδίου με ταχύτητα μέτρου \[υ_p\] κάθετα στις δυναμικές γραμμές και κάθετα στην ευθεία \[xx'\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το πρωτόνιο εξέρχεται απ’ το σημείο Γ της ευθείας \[xx'\]. Κατόπιν δεύτερο σωματίδιο μάζας \[m=2m_p\] και φορτίου \[q=-e\] εισέρχεται με ταχύτητα μέτρου \[υ_1 = \frac{υ_p}{4}\] ίδιας κατεύθυνσης με αυτήν της \[\vec{υ}_p\] απ’ το ίδιο σημείο Α μέσα στο μαγνητικό πεδίο και εξέρχεται απ’ το σημείο Δ της ευθείας \[xx'\]. Και τα δύο σωματίδια δέχονται μόνο τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου. Αν το δεύτερο σωματίδιο είχε θετικό φορτίο ίδιας απόλυτης τιμής και μάζα \[m\], τότε θα εξέρχονταν απ’ το πεδίο απ’ το σημείο Δ΄ του ορίου \[xx'\]. Η απόσταση ΓΔ΄ θα ήταν:

Απ’ την πυρακτωμένη κάθοδο της πειραματικής διάταξης του Thomson εκπέμπονται ηλεκτρόνια με αμελητέα ταχύτητα και επιταχύνονται υπό τάση \[V\] και κατόπιν εισέρχονται σε φίλτρο ταχυτήτων με ταχύτητα μέτρου \[υ\]. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Για να διπλασιάσουμε το μέτρο της ταχύτητας εισόδου στο φίλτρο ταχυτήτων πρέπει η τάση που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια να γίνει:

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 \[d\]. Μετά την έξοδό τους απ’ το πεδίο, τα δύο σωματίδια εκτελούν ευθύγραμμη ομαλή κίνηση. Τη στιγμή που εξέρχεται το σωματίδιο με τη μεγαλύτερη περίοδο κυκλικής κίνησης, τα δύο σωματίδια απέχουν μεταξύ τους απόσταση \[d_1\] που είναι: \[(π^2=10)\]

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. Αν \[R_1\] είναι η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς του σωματιδίου \[(1)\] μέσα στο μαγνητικό πεδίο, τότε η απόσταση \[d\] είναι:

Φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που σχηματίζει γωνία \[φ\] με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου με \[ 0 < φ < 90^0 \]. Το σωματίδιο εκτελεί ελικοειδή κίνηση περιόδου \[Τ\] και ακτίνας \[R\]. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Δύο φορτισμένα σωματίδια \[(1)\, , \, (2)\] έχουν ίδιο ειδικό φορτίο \[\frac{|q|}{m}\] και εισέρχονται μέσα στο ίδιο ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητες κάθετες στις δυναμικές γραμμές τους και με ίσες κατά μέτρο ορμές. Τα σωματίδια εκτελούν ομαλές κυκλικές κινήσεις ακτίνων \[R_1\, , \, R_2\] με \[R_1=2R_2\] με την επίδραση μόνο των δυνάμεων που δέχονται απ’ το μαγνητικό πεδίο. Κατά την παραμονή τους στο μαγνητικό πεδίο:

Αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται από σημείο Κ σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ορμή \[\vec{p}\] και ταχύτητα \[ υ_1 \] που είναι κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου και στο όριό του ΔΕ όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το σωματίδιο δέχεται μόνο τη δύναμη απ’ το πεδίο και εξέρχεται από σημείο Λ του ίδιου ορίου ΔΕ εκτελώντας κυκλική κίνηση ακτίνας \[R_1\] και συχνότητας \[f_1\]. Λόγω της παραμονής του στο πεδίο η μεταβολή του μέτρου της ορμής του είναι \[ Δ | \vec{ p } | \] ενώ το μέτρο της μεταβολής της ορμής του είναι \[ | Δ \vec{p} | \]. Αν ένα όμοιο σωματίδιο εισέρχονταν απ’ το ίδιο σημείο με ταχύτητα \[υ_2=\frac{υ_1 }{2 }\] ίδιας κατεύθυνσης με την \[υ_1\], τότε θα εκτελούσε μέσα στο μαγνητικό πεδίο κυκλική κίνηση ακτίνας \[R_2\] και συχνότητας \[f_2\]. Για τις κινήσεις των δύο σωματιδίων ποια από τις παρακάτω σχέσεις είναι σωστή;

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Φορτισμένο σωματίδιο κινείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\]. Το σωματίδιο δέχεται απ’ το πεδίο δύναμη Lorentz μέτρου ίσο με το μισό της μέγιστης δυνατής δύναμης που μπορεί να δεχθεί απ’ το πεδίο αυτό. Αυτό συμβαίνει γιατί η ταχύτητα \[\vec{υ}\] σχηματίζει με το διάνυσμα \[\vec{B}\] της έντασης του μαγνητικού πεδίου γωνία \[θ\] ίση με:

Δέσμη φορτισμένων σωματιδίων κινείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο χωρίς να εκτρέπεται απ’ την αρχική της διεύθυνση. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Η δέσμη δεν εκτρέπεται γιατί: