Energia i praca w polu elektrycznym - zadania z odpowiedziami.pdf

(231 KB) Pobierz
15
15. Energia i praca w polu elektrycznym.
15.1. Jaka praca zostanie wykonana podczas przenoszenia ładunku punktowego q = 2⋅10 -8 C
z nieskończoności do punktu oddalonego o 1 cm od powierzchni kulki o promieniu r = 1 cm
i gęstości powierzchniowej ładunku σ = 10 -5 C/m 2 ?
15.2. Kulka o masie 1 g i ładunku 10 -8 C przemieszcza się z punktu A o potencjale równym
600 V do punktu B o potencjale równym zeru. Jaką prędkość miała kulka w punkcie A , jeżeli
w punkcie B osiągnęła ona prędkość 0,20 m/s?
15.3. W procesie rozpadu promieniotwórczego z jądra atomu polonu wylatuje cząstka
α z prędkością 1,6⋅10 7 m/s. Znajdź energię kinetyczną tej cząstki α oraz różnicę potencjałów
takiego pola, w którym nieruchomą początkowo cząstkę α można rozpędzić do identycznej
prędkości. Masa cząstki α wynosi 6,69⋅10 -27 kg. Zagadnienie należy rozpatrywać w sposób
nierelatywistyczny, ponieważ
≈ 05
, ⋅
c
.
15.4. Z jaką minimalną prędkością v powinna poruszać się cząstka a , aby osiągnąć
powierzchnię kuli o promieniu r = 1 mm, naładowanej ładunkiem dodatnim Q = 1 nC?
Odległość cząstki od kuli d >> r .
15.5.* Jaką siłą f (na jednostkę długości) odpychają się dwie jednoimiennie naładowane,
nieskończenie długie, równoległe nici o jednakowej liniowej gęstości ładunku λ = 3⋅10 -6 C/m,
znajdujące się w próżni w odległości b = 20 mm? Jaką pracę A na jednostkę długości należy
wykonać, aby zbliżyć te nici na odległość a = 10 mm?
15.6. Oblicz energię potencjalną układu utworzonego z cienkiego pierścienia o promieniu
R , naładowanego równomiernie ładunkiem dodatnim z gęstością liniową λ, oraz ujemnego
ładunku punktowego q , umieszczonego na osi pierścienia w odległości x od niego.
15.7. W narożach kwadratu o boku a umieszczono ładunki jak na rysunku. (a) Oblicz energię
potencjalną ładunku Q , znajdującego się w narożu A . (b) Jaką energię potencjalną ma cały
układ ładunków?
15.8. Dwa ładunki: dodatni Q i ujemny –Q znajdują się w odległości 2 a od siebie. Oblicz:
(a) Gęstość energii w punkcie A leżącym w środku odcinka łączącego ładunki. (b) Energię
elektronu umieszczonego w punkcie A .
15.9. Oblicz gęstość energii w przy powierzchni protonu zakładając, że ładunek protonu jest
rozmieszczony jednorodnie, a promień protonu wynosi R = 1,5 fm.
Wybór i opracowanie zadań Andrzej Kuczkowski.
v
0
4893889.001.png
15.10. Oblicz energię pola elektrycznego zawartą w warstwie parafiny o grubości
d , otaczającej naładowaną ładunkiem Q metalową kulę o promieniu R .
15.11. Oblicz energię oddziaływania dwóch cząstek wody znajdujących się w odległości
10 -8 m w przypadku, gdy momenty dipolowe molekuł są do siebie równoległe. Trwały
moment dipolowy cząsteczki wody przyjmij p 0 = 6,2⋅10 -30 C⋅m.
15.12. Jaką pracę należy wykonać, aby trwały moment dipolowy p 0 = 6,2⋅10 -30 C⋅m
(cząsteczka wody), ustawiony równolegle do linii pola elektrycznego o natężeniu 10 6 V/m,
obrócić do położenia antyrównoległego względem linii pola?
15.13. Wykaż, że praca wykonana przez pole elektryczne w czasie polaryzacji cząstki
niepolarnej umieszczonej w jednorodnym polu elektrycznym polu elektrycznym o natężeniu
E wynosi:
W
=
1
αε
E
2
, gdzie α jest polaryzowalnością elektronową cząsteczki. Przyjąć, że
2
0
indukowany moment dipolowy cząsteczki p proporcjonalny jest do pola elektrycznego.
p = α E
15.14. Jakiej energii nabywa jednostka objętości niepolarnego dielektryka o względnej stałej
dielektrycznej ε r = 4.5, jeżeli umieścić go w polu elektrycznym o natężeniu 10 4 V/cm?
15.15. Okładki kondensatora płaskiego o powierzchni elektrod S = 0,0098 cm przyciągają się
z siłą 3⋅10 -2 N. Przestrzeń między okładkami jest wypełniona miką (ε r = 6). Oblicz: (a)
ładunki na okładkach, (b) natężenie pola elektrycznego, (c) energię zawartą w jednostce
objętości pola.
15.16. Jaką pracę należy wykonać, aby rozsunąć okładki kondensatora płaskiego
( S = 200 cm 2 ) z odległości l 1 = 0,3 cm do l 2 = 0,5 cm? Rozpatrzyć dwa przypadki:
(a) Kondensator ładujemy do napięcia 600 V i odłączamy od źródła. (b) Kondensator jest cały
czas połączony ze źródłem o stałym napięciu 600 V.
15.17. Płaski kondensator o pojemności C naładowano do napięcia U i odłączono od źródła.
Między okładkami kondensatora znajduje się dielektryk. Jaką pracę W należy wykonać, aby
usunąć dielektryk z kondensatora, jeżeli jego względna przenikalność wynosi ε r ?
15.18. Akumulator o sile elektromotorycznej Ε połączono z płaskim kondensatorem
o pojemności C . Jaką pracę należy wykonać, aby z kondensatora usunąć dielektryk, jeżeli
jego względna przenikalność wynosi ε r ?
15.19. Okładki kondensatora o pojemności C , naładowanego do napięcia U , połączono
równolegle z okładkami identycznego kondensatora, lecz nie naładowanego. Oblicz zmianę
energii ∆ E układu kondensatorów wywołaną połączeniem. Czy zmiana energii byłaby
mniejsza, gdybyśmy okładki kondensatorów połączyli przy pomocy drutu z nadprzewodnika?
15.20. Dwa kondensatory o pojemności C 1 = 1 µF i C 2 = 10 µF są połączone szeregowo. Do
zacisków baterii kondensatorów przyłożono napięcie U 0 = 200 V. Jaka jest energia każdego
z kondensatorów?
15.21. Elektron przelatuje od jednej płytki kondensatora płaskiego do drugiej. Różnica
potencjałów między płytkami wynosi 3 kV, odległość między płytkami 5 mm. Znaleźć:
(a) Siłę działającą na elektron. (b) Przyspieszenie elektronu. (c) Prędkość, z jaką elektron
dociera do drugiej płytki. (d) Gęstość powierzchniową ładunku na płytkach kondensatora.
Prędkość początkową elektronu przyjąć równą zeru.
15.22. Pole elektryczne jest wytworzone przez dwie równoległe płytki oddalone od siebie
o 2 cm. Różnica potencjałów między płytkami wynosi 120 V. Jaką prędkość uzyska elektron
wskutek działania pola, przebywając wzdłuż linii sił odległość x = 3 mm. Prędkość
początkową elektronu przyjąć równą zeru.
15.23. Proton i cząstka α, poruszające się z jednakową prędkością, wlatują do kondensatora
płaskiego, równolegle do płytek. Ile razy odchylenie protonu w polu kondensatora będzie
większe od odchylenia cząstki α?
15.24. Proton i cząstka α, przyspieszone jednakową różnicą potencjałów, wlatują do
kondensatora płaskiego, równolegle do płytek. Ile razy odchylenie protonu w polu
kondensatora będzie większe od odchylenia cząstki α?
15.25. Oblicz czas przelotu elektronu między okładkami płaskiego kondensatora
próżniowego, jeśli odległość między okładkami wynosi d = 5 mm, a różnica potencjałów
między okładkami U = 200 V. Pomiń początkową prędkość elektronu.
15.26.* Pomijając wpływ ładunku przestrzennego i prędkość początkową, oblicz czas
przelotu elektronu od anody do katody w lampie dwuelektrodowej o elektrodach
cylindrycznych. Napięcie między elektrodami U = 100 V, promień katody R 1 = 2 mm,
promień anody R 2 = 10 mm.
15.27. W pobliżu typowej żarówki natężenie światła żółtego wynosi
I ≈
0 m
W
/
2
. Oblicz
natężenie pola elektrycznego tej fali.
15.28. Laser dużej mocy wytwarza impuls światła o energii E m = 1000 J i czasie trwania
t = 0,5 ms. Oblicz średnią wartość natężenia pola elektrycznego fali świetlnej, jeżeli przekrój
wiązki wynosi S = 1 cm 2 .
,
01
Rozwiązania.
15.1.R.
L
=
q
[
V
(
2
r
)
−
V
(
∞
)]
=
qr
σ
=
1
,
13
⋅
10
−
4
J
2
ε
0
15.2.R.
v
=
v
2
−
2
q
v
=
16
,
7
⋅
10
−
2
m
A
B
m
A
s
15.3.R.
m
v
2
E k
=
=
8
,
57
⋅
10
−
13
J
,
2
m
v
2
U
=
=
2
,
66
⋅
10
6
V
.
2
q
15.4.R.
v
=
Q
⋅
q
α
=
9
,
27
⋅
10
5
m
, gdzie q α = |2 e |
2
πε
mr
s
0
15.5.R.
λ
2
N
f
=
=
8
,
1
,
2 0
πε
b
m
λ
2
b
J
A
=
ln
=
0
112
.
2 0
πε
a
m
Wskazówka: należy najpierw obliczyć natężenie pola elektrycznego od jednej nici
w odległości b od niej, korzystając z prawa Gaussa lub zasady superpozycji, a następnie siłę
F : E
F = .
15.6.R.
E p
=
−
r
λ
q
2
ε
R
2
+
x
2
0
15.7.R.
(a)
E −
pA QV
= ,
A
gdzie V A – potencjał w punkcie A .
,
4893889.002.png
V A
=
k
Q
+
k
Q
−
k
2
Q
=
k
Q
(
2
−
2
)
,
a
a
a
2
a
stąd:
Q
2
E pA
=
−
k
(
2
−
2
)
.
a
Energia potencjalna całego układu ładunków jest równa sumie prac potrzebnych na
przeniesienie poszczególnych ładunków z ich początkowych położeń do nieskończoności.
Dlatego trzeba rozpatrywać pracę usunięcia kolejnych ładunków w polu ładunków
pozostałych. Tak więc praca usunięcia ładunku Q z naroża D , gdy wcześniej usunięty został
ładunek Q z naroża A , będzie równa:
2
Q
q
Q
2
2
E pD
=
Q
−
k
+
k
=
k
−
2
+
,
a
a
2
a
2
a praca usunięcia ładunku Q z naroża B :
−
2
Q
2
Q
2
E pB
=
Q
k
=
−
k
,
a
a
stąd energia potencjalna całego układu ładunków:
E
p
=
E
pA
+
E
pB
+
E
pD
,
ostatecznie:
Q
2
2
(
2
+
1
E p
=
k
−
6
a
2
15.8.R.
(a)
Gęstość energii pola elektrycznego równa się:
1
1
Q
2
w
=
ε =
ε
E
2
2
0
r
8
πε
ε
a
4
0
r
(b)
E p
= eV
−
=
0
, gdyż w środku odcinka pomiędzy +Q i –Q , V = 0.
15.9.R.
1
1
e
2
J
w
=
ε
ε
E
2
=
=
1
,
81
⋅
10
30
2
0
r
32
πε
ε
R
4
m
3
0
r
4893889.003.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin