Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Εύκολο)

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:

Δύο πρωτόνια \[(1)\, ,\, (2)\] βάλλονται την ίδια στιγμή \[t_0=0\] απ’ το ίδιο σημείο Α ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[Β\] με ταχύτητες μέτρων \[υ_1\, ,\, υ_2\] για τα οποία ισχύει \[υ_2=2υ_1\]. Η ταχύτητα \[υ_1\] του πρωτονίου \[(1)\] σχηματίζει με τις δυναμικές γραμμές γωνία \[φ=60^0\], η ταχύτητα \[υ_2\] του πρωτονίου \[(2)\] ταυτίζεται με την κατεύθυνση της δυναμικής γραμμής που περνά απ’ το σημείο Γ όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το μαγνητικό πεδίο εκτείνεται σε μεγάλη απόσταση και οι βαρυτικές και ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις θεωρούνται αμελητέες. Το πρωτόνιο \[(1)\] εκτελεί ελικοειδή κίνηση και η ακτίνα της κυκλικής του τροχιάς είναι \[R\]. Όταν το πρωτόνιο \[(1)\] επιστρέφει για \[2^η\] φορά μετά την \[t_0=0\] στη δυναμική γραμμή που περνά απ’ το σημείο εκτόξευσης Γ, η απόσταση των δύο πρωτονίων 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: \[(π^2=10)\]

Στο παρακάτω σχήμα έχουμε δύο ομογενή μαγνητικά πεδία \[(1)\, , \, (2)\] εντάσεων \[\vec{B}_1\, , \, \vec{Β}_2\] αντίστοιχα που έχουν τις δυναμικές γραμμές τους παράλληλες και διαχωρίζονται μεταξύ τους μέσω του άξονα \[yy'\]. Θετικά φορτισμένο σωματίδιο φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] εισέρχεται στο πεδίο \[(1)\] απ’ το σημείο Γ του άξονα \[yy'\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] κάθετη στον \[yy'\] και στις δυναμικές γραμμές όπως φαίνεται στο σχήμα. Τα πεδία έχουν μεγάλη έκταση στα δύο ημιεπίπεδα που χωρίζει ο άξονας \[yy'\]. Το φορτίο εξέρχεται απ’ το πεδίο \[(1)\] για πρώτη φορά απ’ το σημείο Δ του άξονα ενώ εισέρχεται ξανά στο πεδίο \[(1)\] απ’ το σημείο Ε για το οποίο ισχύει \[ΓΕ=6R_1\] όπου \[R_1\] η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς του φορτίου στο πεδίο \[(1)\]. Βαρυτικές δυνάμεις αμελητέες. Ο λόγος των μέτρων των εντάσεων \[\frac{B_1}{B_2}\] είναι:

Θετικά φορτισμένο σωματίδιο \[(1)\] εισέρχεται σε φίλτρο ταχυτήτων και δεν αποκλίνει της πορείας του μέσα σ’ αυτό. Δεύτερο σωματίδιο \[(2)\] που έχει ίδια ταχύτητα με το \[(1)\] αλλά αντίθετο φορτίο εισέρχεται στο ίδιο φίλτρο ταχυτήτων. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή;

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:

Ο ευθύγραμμος αγωγός ΚΛ του παρακάτω σχήματος διαρρέεται από ρεύμα \[Ι\]. Ένα σημείο Α βρίσκεται στην προέκταση του αγωγού ΚΛ και απέχει \[r\] απ’ το στοιχειώδες τμήμα του \[Δ\ell\]. Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Η ένταση \[Δ\vec{B}\] στο σημείο Α του τμήματος ΚΑ έχει μέτρο:

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:

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:

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 φαίνονται τρεις κλειστές διαδρομές \[S_1\, ,\, S_2\, , \, S_3\] που περικλείουν ρευματοφόρους αγωγούς με ρεύμα εντάσεων \[Ι_1\, , \, Ι_2\, , \, Ι_3\, , \, Ι_4\]. Στο σχήμα φαίνονται οι φορές των ρευμάτων και οι φορές διαγραφής των διαδρομών. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Τα αθροίσματα \[∑B\cdot Δ\ell \cdot συνθ \] για τις κλειστές διαδρομές \[S_1\, , \, S_2\] είναι μηδενικά. Το άθροισμα \[ ∑ B \cdot Δ\ell \cdot συνθ \] για τη διαδρομή \[S_3\] είναι ίσο με:

Δέσμη πρωτονίων μάζας \[m_p\] και φορτίου \[e\] εισέρχεται στον επιλογέα ταχυτήτων ενός φασματογράφου μάζας χωρίς να εκτραπεί απ’ αυτόν. Στη συνέχεια τα πρωτόνια εισέρχονται στο μαγνητικό του πεδίο \[\vec{B}'\] εκτελούν ημικύκλιο μέσα σ’ αυτό και πέφτουν πάνω σε φωτογραφική πλάκα. Το κάθε πρωτόνιο αφήνει ίχνος πάνω στην πλάκα που απέχει \[d_1\] απ’ το σημείο εισόδου του στο πεδίο \[\vec{B}'\]. Στον ίδιο φασματογράφο κατόπιν εισέρχεται δέσμη από ιόντα Νέου που έχουν δημιουργηθεί από τα δύο ισότοπά του και έχουν φορτίο \[q=e\]. Όσα ιόντα δεν εκτρέπονται απ’ τον επιλογέα ταχυτήτων εισέρχονται στο μαγνητικό πεδίο \[\vec{B}' \] και αφού εκτελέσουν ημικυκλικές τροχιές αφήνουν ίχνη σε δύο σημεία της φωτογραφικής πλάκας. Η απόσταση των δύο αυτών ιχνών είναι \[d=2d_1\]. Θεωρούμε ότι η μάζα του νετρονίου είναι ίση με αυτή του πρωτονίου. Το ένα ισότοπο του Νέου έχει απ’ το άλλο: ( Υπόδειξη: Βρείτε το λόγο \[\frac{Δm}{m_p}\] όπου \[Δm\] η διαφορά των μαζών των δύο ισότοπων ατόμων που δημιούργησαν τα ιόντα)

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:

Φορτισμένο σωματίδιο κινείται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα \[\vec{υ}\] και η μόνη δύναμη που δέχεται είναι η δύναμη Lorentz απ’ το πεδίο αυτό. Ποια απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστή; Η κινητική ενέργεια του σωματιδίου δεν μεταβάλλεται γιατί η δύναμη Lorentz είναι:

Οι δύο παράλληλοι ευθύγραμμοι ρευματοφόροι αγωγοί (1), (2) απείρου μήκους διαρρέονται από ομόρροπα ρεύματα \[Ι_1\] και \[Ι_2\] αντίστοιχα. Στο σημείο Μ που είναι το μέσο της απόστασης \[r\] των δύο αγωγών η ένταση του μαγνητικού πεδίου λόγω του αγωγού (1) έχει μέτρο \[B_1\] ενώ η συνολική ένταση του μαγνητικού πεδίου λόγω των δύο αγωγών έχει μέτρο \[Β_{ολ}=7Β_1\].

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:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι κάθετες τομές δύο ομογενών μαγνητικών πεδίων ίδιας έντασης \[\vec{B}\]. Η μια τομή είναι ισόπλευρο τρίγωνο ΑΓΔ πλευράς μήκους \[α_1\] ενώ η άλλη είναι τετράγωνο ΚΛΜΝ με μήκος πλευράς \[α_2\]. Πραγματοποιούμε δύο πειράματα: Πείραμα 1ο: Εισάγουμε στο μαγνητικό πεδίο του σχήματος \[(1)\] απ’ το μέσο Κ του ορίου ΑΓ ένα θετικό ιόν με ταχύτητα μέτρου \[υ\]. Η ταχύτητα είναι κάθετη στην ΑΓ και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το ιόν εξέρχεται απ’ το μέσο Λ της πλευράς ΓΔ με ταχύτητα κάθετη στην πλευρά αυτή. Πείραμα 2ο: Εισάγουμε στο μαγνητικό πεδίο του σχήματος 2 απ’ το μέσο Ε της πλευράς ΚΝ το ίδιο ιόν με ίδια κατά μέτρο ταχύτητα που είναι κάθετη στην ΚΝ και στις δυναμικές γραμμές. Το ιόν τώρα εξέρχεται απ’ το μέσο Ζ της πλευράς ΜΝ με ταχύτητα κάθετη στην πλευρά αυτή. Οι βαρυτικές δυνάμεις αμελούνται. Για τα μήκη \[ α_1\, , \, α_2\] των πλευρών του τριγώνου και του τετραγώνου αντίστοιχα ισχύει:

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:

Στο πείραμα του Thomson μέσα στον καθοδικό σωλήνα απ’ την πυρακτωμένη κάθοδο εκπέμπονται ηλεκτρόνια που επιταχύνονται υπό τάση \[V\] που δημιουργείται μεταξύ της καθόδου και των δύο ανόδων Α, Α΄. Έτσι δημιουργείται μια δέσμη ηλεκτρονίων που κατόπιν περνούν μέσα από φίλτρο ταχυτήτων της διάταξης χωρίς ν’ αποκλίνουν της αρχικής τους πορείας και καταλήγουν στη φθορίζουσα οθόνη. Αν τετραπλασιάσουμε την τάση που επιταχύνει τα ηλεκτρόνια, για να μην αποκλίνει η δέσμη μέσα στο φίλτρο ταχυτήτων πρέπει:

Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε ομογενές μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα \[\vec{υ}\] που σχηματίζει γωνία \[φ\] (\[ 0 < φ < 90^0 \]) με τις δυναμικές γραμμές του πεδίου και δέχεται δύναμη μόνο απ’ αυτό. Το σωματίδιο εκτελεί ελικοειδή τροχιά. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Δύο ίδια φορτισμένα σωματίδια \[(1) \, ,\, (2)\] φορτίου \[q\] και μάζας \[m\] εκτοξεύονται ταυτόχρονα απ’ το ίδιο σημείο Κ ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης μέτρου \[Β\] με ίσες κατά μέτρο ταχύτητες \[υ_1 = υ_2 = υ\]. Το σωματίδιο \[(1)\] έχει ταχύτητα \[\vec{υ}_1\] κάθετη στις δυναμικές γραμμές του πεδίου ενώ το σωματίδιο \[(2)\] έχει ταχύτητα πάνω στη δυναμική γραμμή του πεδίου που διέρχεται απ’ το Κ και φοράς προς τα αριστερά όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα σωματίδια δέχονται μόνο τη δύναμη απ’ το μαγνητικό αυτό πεδίο που καταλαμβάνει μεγάλη έκταση. Τη χρονική στιγμή που το σωματίδιο \[(1)\] βρίσκεται στη μέγιστη απόστασή του απ’ το σημείο βολής Κ για πρώτη φορά, η απόσταση των δύο σωματιδίων είναι ίση με:

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:

Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Στο πείραμα του Thomson τα ηλεκτρόνια που εκπέμπει η πυρακτωμένη κάθοδος επιταχύνονται υπό μια τάση \[V\] και η δέσμη ηλεκτρονίων εισέρχεται σε επιλογέα ταχυτήτων που το μαγνητικό και ηλεκτρικό πεδίο του έχουν εντάσεις μέτρων \[B\] και \[E\] αντίστοιχα. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

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:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι δυναμικές γραμμές ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου. Να επιλέξετε τη σωστή απάντηση. Το σχήμα που δείχνει σωστά τον προσανατολισμό της μαγνητικής βελόνας είναι το:

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:

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. Για τις αποστάσεις ΓΕ και ΔΕ ισχύει:

Σωματίδιο κινείται κάθετα στις δυναμικές γραμμές του πεδίου με ταχύτητα μέτρου \[υ\] και δέχεται μόνο τη δύναμη Lorentz \[\vec{F}_{Lo}\] απ’ το πεδίο αυτό. Ο ρυθμός μεταβολής της κινητικής ενέργειας του σωματιδίου είναι: