Τεστ στο Μαγνητικό πεδίο (Επίπεδο δυσκολίας: Μέτριο)

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:

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:

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 \[ | Δ \vec{p} | \]. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

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:

Τρία σωματίδια (1), (2), (3) μπαίνουν ταυτόχρονα στο ίδιο ομογενές μαγνητικό πεδίο κάθετα στο όριό του (πλευρά ΑΕ) και στις δυναμικές γραμμές του με ταχύτητες ίσων μέτρων. Για τα φορτία των σωματιδίων (2), (3) ισχύει \[ |q_2 |=|q_3 |=|q|\] και οι μάζες τους είναι \[m_2\, , \, m_3\] αντίστοιχα. Οι βαρυτικές δυνάμεις θεωρούνται αμελητέες. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι τροχιές των σωματιδίων μέσα στο πεδίο. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές;

Δύο φορτισμένα σωματίδια \[(1)\, , \, (2)\] με μάζες \[m_1\, , \, m_2\] και φορτία \[ q_1 0\] αντίστοιχα εισέρχονται με ταχύτητες \[\vec{υ}_1\, , \, \vec{υ} _2\] στο μαγνητικό πεδίο απ’ το ίδιο σημείο Α του ορίου του πεδίου που είναι η ευθεία \[xx'\]. Οι ταχύτητες \[\vec{υ}_1\, , \, \vec{υ}_2\] είναι κάθετες στην ευθεία \[xx'\] και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου ενώ για τα μέτρα τους ισχύει \[υ_2=2υ_1\]. Τα σωματίδια εξέρχονται απ’ το ίδιο όριο \[xx'\] και το σημείο εξόδου του \[(1)\] είναι το σημείο Γ και του \[(2)\] το σημείο Δ. Για τις αποστάσεις ισχύει ΓΔ=6ΑΓ. Βαρυτικές και ηλεκτροστατικές δυνάμεις θεωρούνται αμελητέες. Αν \[t_{π_1}\] και \[t_{π_2}\] είναι οι χρόνοι παραμονής των δύο σωματιδίων μέσα στο πεδίο ισχύει:

Στο παρακάτω σχήμα οι ευθύγραμμοι παράλληλοι αγωγοί (1), (2) βρίσκονται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο, είναι στερεωμένοι σε απόσταση r ώστε να παραμένουν ακίνητοι και διαρρέονται από αντίρροπα ρεύματα εντάσεων \[Ι_1,\, Ι_2\] αντίστοιχα με \[I_2 > I_1\]. Τρίτος ευθύγραμμος ρευματοφόρος αγωγός τοποθετείται παράλληλα με τους δύο πρώτους και πάνω στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο με αυτούς. Αν η συνισταμένη δύναμη Laplace ανά μονάδα μήκους που δέχεται ο αγωγός (3) απ’ τους άλλους δύο είναι μηδενική:

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;

Ο αγωγός του παρακάτω σχήματος είναι απείρου μήκους και διαρρέεται από ρεύμα σταθερής έντασης \[Ι\]: Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Για τα διανύσματα \[\vec{Β}_Γ,\, \vec{B}_Δ\] των εντάσεων του μαγνητικού πεδίου στα σημεία Γ και Δ ισχύει:

Στο παρακάτω σχήμα από μια κλειστή διαδρομή που ταυτίζεται με το επίπεδο της σελίδας περνούν τέσσερις ρευματοφόροι αγωγοί που διαρρέονται από ρεύματα εντάσεων \[Ι_1=Ι_2=Ι_3=Ι_4\]. Έξω απ’ τη διαδρομή \[S\] υπάρχει πέμπτος ρευματοφόρος αγωγός έντασης \[Ι_5=2Ι_1\]. Οι φορές των ρευμάτων φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Αν μ_0 η μαγνητική διαπερατότητα του κενού, το άθροισμα \[∑B\cdot Δ\ell\cdot συνθ\] είναι ίσο με:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τρεις διαδρομές \[ S_1\, , \, S_2\, , \, S_3\] και οι φορές διαγραφής τους. Τα έγκλειστα ρεύματα απ’ τις διαδρομές αυτές έχουν ίδια ένταση \[Ι\] και οι φορές τους φαίνονται στο σχήμα. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Το άθροισμα \[∑B\cdot Δ\ell \cdot συνθ\]:

Τρία φορτισμένα σωματίδια με φορτία \[q_1\, ,\, q_2\, ,\, q_3\] με \[q_1 > 0\, ,\, q_2 > 0 \, , \, q_3 < 0\] και \[ |q_2 | = |q_3 | = |q_1 |\] εισέρχονται στο όριο \[yy'\] ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{Β}\] με ταχύτητες ίσου μέτρου που είναι κάθετες στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Οι ταχύτητες των σωματιδίων σχηματίζουν με το όριο \[yy'\] του πεδίου γωνίες \[φ_1=90^0\, , \, φ_2=30^0\, ,\, φ_3=150^0\] αντίστοιχα. Για τα μέτρα \[ F_{Lo_1 }\, ,\, F_{Lo_2}\, ,\, F_{Lo_3 }\] των δυνάμεων Lorentz που δέχονται τα σωματίδια κατά την παραμονή τους στο πεδίο ισχύει η σχέση:

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:

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:

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)

Για τα μέτρα των εντάσεων \[Β\] του μαγνητικού πεδίου ρευματοφόρου αγωγού που διαρρέεται από σταθερό ρεύμα στα σημεία του άξονα \[xx'\] που διέρχεται από τον αγωγό και είναι κάθετος σε αυτόν σε συνάρτηση με την θέση \[x\] των σημείων δίνονται από τα διαγράμματα:

Θετικά φορτισμένα σωματίδια μάζας \[m\] και φορτίου \[q\] επιταχύνονται απ’ την ηρεμία υπό τάση \[V\] και κατόπιν εισέρχονται σε φίλτρο ταχυτήτων μαγνητικού πεδίου έντασης \[ \vec{B} \] και ηλεκτρικού πεδίου έντασης \[\vec{E}\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Για να μην εκτραπεί απ’ την αρχική διεύθυνση κίνησης το σωματίδιο πρέπει η τάση που το επιταχύνει να είναι:

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η τομή ομογενούς μαγνητικού πεδίου έντασης \[\vec{B}\] που εκτείνεται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ των ευθειών \[x' x\] και \[x_1' x_1\]. Φορτισμένο σωματίδιο μάζας \[m\] και φορτίου \[q\] \[(q < 0)\] εισέρχεται απ’ το σημείο Γ του ορίου \[x' x\] του πεδίου με ταχύτητα \[\vec{υ}\] κάθετη στο όριο και στις δυναμικές γραμμές του πεδίου. Το σωματίδιο εκτελεί ομαλή κυκλική κίνηση ακτίνας \[R\] και εξέρχεται απ’ το σημείο Δ του ορίου \[x_1' x_1\] όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η οριζόντια εκτροπή του σωματιδίου κατά την έξοδό του απ’ το πεδίο είναι \[d=\frac{(2- \sqrt{3})R}{2}\]. Το μέτρο της μεταβολής της ορμής του μαγνητικού πεδίου λόγω της παραμονής του στο πεδίο είναι:

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:

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:

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:

Κυκλικό πλαίσιο αποτελείται από \[N\] ομόκεντρες και ομοεπίπεδες σπείρες ακτίνας \[α\] η καθεμιά. Η αντίσταση της κάθε σπείρας είναι \[R\]. Το κυκλικό πλαίσιο συνδέεται με πηγή ΗΕΔ \[\mathcal{E}\] και εσωτερικής αντίστασης \[R\]. Τότε η ένταση του μαγνητικού του πεδίου στο κέντρο του πλαισίου είναι \[B_1\]. Δεύτερο κυκλικό πλαίσιο είναι φτιαγμένο από το ίδιο ομογενές και ισοπαχές σύρμα αποτελείται από \[2N\] σπείρες ίδιας ακτίνας \[α\]. Αν συνδέσω το δεύτερο πλαίσιο με την ίδια πηγή, τότε το μέτρο της έντασης του μαγνητικού του πεδίου \[Β_2\] στο κέντρο του είναι \[20 \% \] μεγαλύτερο του \[Β_1\]. Ο αριθμός \[Ν\] των σπειρών του πρώτου πλαισίου είναι:

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 \[t_2 = 4 t_1\]. Η απόσταση ΓΔ είναι ίση με:

Ποιες απ’ τις επόμενες προτάσεις είναι σωστές; Με το φασματογράφο μάζας:

Ποια απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή; Στο φασματογράφο μάζας όταν δύο ιόντα ίδιου φορτίου αλλά διαφορετικής μάζας εισέρχονται στο μαγνητικό πεδίο έντασης \[\vec{B}'\] βγαίνοντας απ’ το φίλτρο ταχυτήτων:

Ο ευθύγραμμος αγωγός ΚΛ έχει μήκος \[\ell\] και αντίσταση \[R\]. Ο αγωγός κρέμεται συνδεδεμένος στο μέσο του με δυναμόμετρο. Ο αγωγός βρίσκεται κατά ένα μέρος του μέσα σε οριζόντιο ομογενές μαγνητικό πεδίο, ενώ τα τμήματά του μήκους \[α\] το καθένα βρίσκονται εκτός του μαγνητικού πεδίου όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι οριζόντια και κάθετη στο μαγνητικό πεδίο του αγωγού. Ο αγωγός συνδέεται μέσω συρμάτων αμελητέας αντίστασης και διακόπτη δ με πηγή που έχει ΗΕΔ \[\mathcal{E}\] και εσωτερική αντίσταση \[r=R\]. Αρχικά ο διακόπτης δ είναι ανοικτός, η ένδειξη του δυναμομέτρου είναι ίση με \[F\] και ο αγωγός ισορροπεί. Όταν κλείσουμε το διακόπτη, η ένδειξη του δυναμομέτρου στη νέα θέση ισορροπίας του αγωγού είναι μηδενική. Για την αντίσταση \[R\] του αγωγού και την φορά της \[\vec{B}\] του μαγνητικού πεδίου ισχύουν:

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. Αν \[t_{π_1} \, , \, t_{π_2}\] οι χρόνοι παραμονής του ιόντος μέσα στο μαγνητικό πεδίο του κάθε πειράματος, τότε ισχύει:

Φορτισμένο σωματίδιο βάλλεται την \[t=0\] με ταχύτητα \[\vec{υ}\] μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο και η ταχύτητά του σχηματίζει γωνία \[θ\] με τις δυναμικές γραμμές και ισχύει \[ 0 < θ < π\]. Ποιες απ’ τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; Το μέτρο της δύναμης Lorentz \[\vec{F}_{Lo}\] που δέχεται το σωματίδιο απ’ το μαγνητικό πεδίο την \[t=0\]:

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: