Zadanie 5. Naładowana cząstka w polu magnetycznym

12
Próbny egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Poziom rozszerzony
Zadanie 5. Naładowana cząstka w polu magnetycznym (12 pkt)
Naładowana cząstka porusza się w próżni z prędkością o stałej wartości w obszarze
jednorodnego, stałego pola magnetycznego prostopadle do linii tego pola.
5.1 (3 pkt)
Wykaż, że w opisanej powyżej sytuacji cząstka porusza się po okręgu o promieniu
mυ
R=
, oraz że promień ten jest stały.
qB
5.2 (2 pkt)
W rzeczywistości tory naładowanych cząstek poruszających się
w jednorodnym, stałym polu magnetycznym, (np. w cieczy
w komorze pęcherzykowej) są najczęściej spiralne (promień
krzywizny zmniejsza się patrz rys.). Wyjaśnij, dlaczego tak się dzieje
odwołując się do odpowiednich zależności.
Próbny egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Poziom rozszerzony
13
5.3 (3 pkt)
W pewnym eksperymencie w obszar jednorodnego pola magnetycznego wstrzeliwano
z jednakowymi prędkościami cząstki α i β. Oszacuj stosunek promieni okręgów po jakich
poruszają się cząstki wchodzące w skład tych wiązek, przyjmując, że masa protonu lub
neutronu jest około 1800 razy większa od masy elektronu.
5.4 (2 pkt)
Cząstki α lub β powstają między innymi w wyniku samorzutnych rozpadów jąder
atomowych. Napisz schemat rozpadu jądra AZ X , w wyniku którego powstaje cząstka α oraz
schemat rozpadu w wyniku którego powstaje cząstka β.
1. .................................................................................................................................................
2. .................................................................................................................................................
5.5 (2 pkt)
Zapisz nazwy dwóch zasad zachowania, z których korzystamy przy zapisywaniu tych
schematów.
1. .................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
2. .................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
8
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Poziom rozszerzony
Zadanie 4. Działko Gaussa (10 pkt)
Działanie działka Gaussa polega na przyspieszaniu pocisku w polu magnetycznym
wytwarzanym przez zwojnicę. Działko zbudowane jest z uzwojenia nawiniętego na szklaną
rurkę.
Uzwojenie jest zasilane z naładowanego kondensatora.
Energia zgromadzona w kondensatorze uwalnia się
podczas bardzo szybkiego rozładowania. Prąd płynący
wtedy przez uzwojenie wytwarza silne krótkotrwałe
pole magnetyczne, które przyspiesza pocisk,
wciągając go do wnętrza uzwojenia. Pole zanika
w chwili, gdy pocisk znajduje się w połowie długości
uzwojenia.
Zadanie 4.1. (1 pkt)
Zapisz, z jakiego materiału (diamagnetyk, paramagnetyk, ferromagnetyk) musi być wykonany
pocisk, aby można go było wystrzelić z działka z dużą prędkością.
Zadanie 4.2. (1 pkt)
Rysunek poniżej przedstawia przekrój zwojnicy oraz linie pola magnetycznego
wytworzonego przez przepływ prądu elektrycznego przez jej uzwojenia.
Zaznacz, w którą stronę płynie prąd w uzwojeniach zwojnicy za pomocą symboli  i .
Zadanie 4.3. (1 pkt)
W układach zasilających kondensator w działku Gaussa stosuje się elementy
półprzewodnikowe, takie jak dioda, tranzystor lub tyrystor. Te elementy półprzewodnikowe
składają się z warstw półprzewodników typu n i typu p.
Uzupełnij opisy na rysunku, wpisując właściwe nazwy elementów półprzewodnikowych.
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Poziom rozszerzony
9
Zadanie 4.4. (2 pkt)
Oblicz wartość prędkości uzyskaną przez pocisk o masie 4 g wystrzelony z działka Gaussa.
W obliczeniach przyjmij, że w kondensatorze zgromadzono energię 0,6 J, a sprawność
energetyczna działka wynosi 3 %.
Zadanie 4.5. (2 pkt)
W celu uzyskiwania różnych energii można łączyć kondensatory równolegle lub szeregowo.
Oblicz energię zgromadzoną w układzie kondensatorów składającym się z dwóch
jednakowych kondensatorów o pojemności 12 mF każdy. Układ podłączono do baterii
o napięciu 10 V. Obliczenia wykonaj dla połączenia równoległego lub szeregowego,
zapisując nazwę wybranego połączenia.
Zadanie 4.6. (3 pkt)
Pocisk wystrzelono z działka poziomo z prędkością początkową o wartości 8 m/s w kierunku
ściany odległej od końca lufy o 2 m. Lufa znajdowała się na wysokości 80 cm nad podłogą.
Oblicz, na jakiej wysokości nad podłogą pocisk uderzył w ścianę. W obliczeniach przyjmij
wartość przyspieszenia ziemskiego równą 10 m/s2 oraz pomiń opory powietrza.
10
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
poziom podstawowy
Zadanie 20. Proton w polu magnetycznym (4 pkt)
Proton wpada w obszar pola magnetycznego i dalej porusza się w tym polu po półokręgu,
po czym wybiega z obszaru pola (rys.).
obszar pola
magnetycznego
Zadanie 20.1 (1 pkt)
Zaznacz na rysunku kierunek (wraz ze zwrotem) wektora indukcji magnetycznej. Użyj
jednego z symboli: ↑ → ↓ ←
(prostopadle do płaszczyzny rysunku ze zwrotem przed
(prostopadle do płaszczyzny rysunku ze zwrotem za nią).
nią – do patrzącego),
Zadanie 20.2 (3 pkt)
Wyprowadź wzór pozwalający obliczyć drogę s przebytą przez proton w polu magnetycznym
w zależności od jego masy m, ładunku e, prędkości v i indukcji pola magnetycznego B.
Zadanie 21. Transformator (4 pkt)
Dwa uzwojenia osadzone na wspólnym rdzeniu tworzą transformator – urządzenie
przeznaczone do podwyższania lub obniżania napięcia przemiennego.
Zadanie 21.1 (2 pkt)
Wyjaśnij rolę rdzenia w transformatorze. Spośród wymienionych niżej materiałów wybierz
ten, z którego można wykonać rdzeń transformatora.
aluminium
drewno
miedź
plastik
stal
szkło
Fizyka i astronomia. Poziom rozszerzony
Próbna Matura z OPERONEM i „Gazetą Wyborczą”
Zadanie 3. Pole magnetyczne (16 pkt)
Cztery prostoliniowe przewodniki ustawiono równolegle względem siebie w wierzchołkach
kwadratu o boku a = 3 cm, tak jak na rysunku. W każdym z przewodników płynie inny prąd
1
1
o natężeniu równym I1 = 2 ⋅ I2 = ⋅ I 3 = ⋅ I4. W pierwszym przewodniku I1 = 9 A.
2
3
I1
I2
P
I3
a
I4
Zadanie 3.1. (5 pkt)
Narysuj wszystkie wektory indukcji magnetycznej pochodzącej od każdego przewodnika oraz
wypadkowy wektor indukcji magnetycznej. Zwróć uwagę na długości rysowanych wektorów.
6
Test1 ZR_glowny RJ_RED.indd 6
2013-10-21 11:18:45
Fizyka i astronomia. Poziom rozszerzony
Próbna Matura z OPERONEM i „Gazetą Wyborczą”
Zadanie 3.2. (3 pkt)
Narysuj wektor siły działającej na pierwszy przewodnik, pochodzący od przewodnika czwartego, w którym płynie prąd I4. Oblicz wartość tej siły przypadającą na 1 m jego długości.
Zadanie 3.3. (8 pkt)
Oblicz wartość wypadkowej indukcji magnetycznej w punkcie P, który leży w tej samej odległości od każdego przewodnika.
7
Test1 ZR_glowny RJ_RED.indd 7
2013-10-21 11:18:45
Egzamin maturalny z fizyki dla klasy 3 • Poziom rozszerzony
Zadanie 6.1. (4 pkt)
Wiadomo, że w każdym punkcie leżącym dokładnie pod ustawionym poziomo prostoliniowym przewodem, w którym płynie prąd, wektor indukcji magnetycznej jest prostopadły do
tego przewodu. Po wykonaniu w klasie doświadczenia Oersteda jeden z uczniów zadał pytanie, dlaczego igła magnetyczna
początkowo równoległa do przewodu po włączeniu prądu nie
ustawiła się do niego prostopadle, lecz utworzyła z przewodem
kąt a < 90° (patrz: rysunek).
Wyjaśnij to zjawisko.

Uzupełnij rysunek (widok z góry), na którym Bp jest wektorem indukcji pola magnetycznego
wytworzonego przez przewodnik z prądem w punkcie leżącym pod przewodnikiem.
Zadanie 6.2. (1 pkt)
Wykonano doświadczenie Oersteda zilustrowane na rysunku w części 6.1 zadania.
Wskaż, który rysunek wskazuje poprawnie ustawienie igły magnetycznej, gdy – zachowując tę
samą wartość natężenia prądu – zmienimy jego kierunek.
© Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne sp. z o.o.
2015
9