Magnetyzm i elektromagnetyzm 8.1 Na stole leży magnes o masie 0,1 kg, a nad nim wisi na siłomierzu sztabka żelaza też o masie 0,1 kg. Jaką siła działa magnes na stół, jeżeli siłomierz wskazuje siłę 1,5 N? 8.2 Nad leżącym magnesem na siłomierzach 1, 2, 3 zawieszono jednakowe magnesy sztabkowe. Który siłomierz wskaże największą, a który najmniejszą wartość siły? Odpowiedź uzasadnij. Co wskażą siłomierze, jeżeli zamiast leżącego magnesu położymy sztabkę żelazną o takich samych rozmiarach? 8.3 Masz dwie jednakowe sztabki stalowe A i B, jedna z nich jest magnesem trwałym, a druga nie. W jaki sposób rozpoznasz, która z nich jest magnesem? 8.4 Jakim biegunem ku nam zawróci się igła magnetyczna podczas przepływu prądu z A do B? 8.5 Igłę magnetyczną umieszczono w środku pomiędzy dwoma przewodnikami z prądem położonymi jeden nad drugim. Jak zachowa się igła magnetyczna? Odpowiedź uzasadnij. 8.6 Nad zwojnicą wisi na sprężynie magnes. Jak zachowa się magnes w chwili zamknięcia obwodu zwojnicy? Czy zmiana zwrotu przepływu prądu przez zwojnicę zmieni również zachowanie magnesu i dlaczego? 8.7 Od czego zależy wartość siły wzajemnego oddziaływania pomiędzy biegunem magnetycznym zwojnicy, przez którą płynie prąd, a biegunem magnesu sztabkowego? 8.8 Przez dwa równoległe, cienkie i długie przewodniki płynie prąd: a) o zwrotach zgodnych b) o zwrotach przeciwnych. Jak oddziałują na siebie przewodniki i jaki jest to rodzaj oddziaływania? 8.9 W jaki sposób oddziałują na siebie sąsiednie zwoje solenoidu, przez które płynie prąd elektryczny? 8.10 Zbudowano obwód złożony ze źródła prądu, wyłącznika W i miedzianej sprężyny, której jeden koniec zanurzony jest w naczyniu z rtęcią. Opisz i wyjaśnij zachowanie się sprężyny i obwodu elektrycznego po zamknięciu wyłącznika W. 8.11 Z pewnej wysokości spada pionowo magnes sztabkowy i przelatuje przez pierścień: a) wykonany z miedzi b) wykonany z gumy. Pominąwszy opór powietrza rozstrzygnij, w którym przypadku prędkość końcowa magnesu będzie większa. Odpowiedź uzasadnij. 8.12 Równolegle do płaszczyzny zwojów cewki zawieszono na cienkiej nici, lekki aluminiowy pierścień. Jak zachowa się pierścień podczas zamykania i otwierania obwodu elektrycznego? Wyjaśnij to zjawisko. 8.13 Na pręt żelazny znajdujący się wewnątrz zwojnicy nałożono pierścień aluminiowy. Po włączeniu prądu zmiennego pierścień aluminiowy unosi się (zjawisko lewitacji). Wyjaśnij dlaczego? Co stwierdzimy, jeżeli przez pewien czas będziemy przytrzymywać lewitujący pierścień na rdzeniu? Wyjaśnij to zjawisko. 8.14 Końce dwóch metalowych (ale nie żelaznych) półpierścieni A i B połączono wiotkimi przewodami i zawieszono naprzeciwko siebie, a między nimi umieszczono magnes sztabkowy. Jeżeli półpierścień A wprawimy w ruch wahadłowy wzdłuż kierunku pola magnetycznego, to półpierścień B również zacznie się wahać. Jak to wyjaśnisz? 8.15 Na którym z przedstawionych rysunków przewodniki z prądem nie działaja na siebie wzajemnie? Odpowiedź uzasadnij. Prąd elektryczny 7.1 W którym z przedstawionych obwodów opór jest największy? 7.2 Uczeń wykonując doświadczenie musiał zmierzyć napięcie na zaciskach doprowadzających prąd do żarówki. Nie mając woltomierza użył do tego celu miliamperomierza o zakresie do 1 mA i opornika o oporze 100 kΩ. Narysuj schemat połączenia pomiarowego oraz oblicz napięcie na zaciskach żarówki wiedząc, że miliamperomierz wskazał prąd o natężeniu 0,7 mA. Opór miliamperomierza można pominąć. 7.3 Do czterech połączonych równolegle żarówek o oporze 24 Ω każda przyłożono napięcie 12 V. Jakie jest natężenie prądu płynącego przez każdą żarówkę? 7.4 Do sieci oświetleniowej włączono 15 jednakowych żarówek. Przez każdą żarówkę dostosowaną do napięcia 220 V płynie prąd o natężeniu 0,4 A. Oblicz: a) natężenie prądu w przewodach doprowadzających do układu żarówek b) opór każdej żarówki c) całkowity opór żarówek włączonych do sieci oświetleniowej 7.5 Jak zmienia się wieczorem opór sieci elektrycznej miasta, gdy zapala się coraz więcej żarówek? Dlaczego? Odpowiedź uzasadnij, rozpatrując kolejne włączanie np. trzech żarówek o oporze 50 Ω każda. 7.6 Ile wynosi opór dolnej gałęzi obwodu przedstawionego na rysunku? Opór amperomierza pomijamy. 7.7 Oblicz wskazania amperomierzy w obwodzie przedstawionym na schemacie przy zamkniętym i otwartym wyłączniku W. Opory amperomierzy i przewodów pomiń. 7.8 W celu wyznaczenia wartości oporu R zestawiono obwód jak na schemacie. Woltomierz o oporze 2750 Ω wskazał napięcie 55 V, a amperomierz o oporze 0,2 Ω natężenie prądu 0,57 A. Oblicz wartość oporu R. 7.9 Zaproponuj sposób określenia – bez rozwijania drutu – długości przewodnika miedzianego, z którego wykonano zwojnicę o bardzo dużej liczbie zwojów. Narysuj schemat i opisz przebieg doświadczenia 7.10 Jak zmienią się wskazania amperomierza, jeśli włączymy do niego równolegle opornik? 7.11 Jeśli przez galwanoskop o oporze 59,4 Ω przepływa prąd o natężeniu I, to wskazówka wychyla się o jedną działkę. Jaki opór bocznikujący należy włączyć pomiędzy zaciski tego galwanoskopu, aby prąd płynący w obwodzie o natężeniu 100 razy większym, wywołał takie samo wychylenie wskazówki. Narysuj schemat połączeń. 7.12 Do obwodu elektrycznego o napięciu 220 V włączono lampę łukową, która świeci przy napięciu 45 V i natężeniu przepływającego prądu 10 A. Jako dodatkowy opór wzięto przewód nikielinowy o przekroju 1 mm2 i oporze właściwym 0,000 000 42 Ω m. Wyznacz długość tego przewodnika i podaj sposób połączenia go z lampą. 7.13 Na rysunku przedstawiono schemat połączenia czterech takich samych żarówek. Która z nich będzie świeciła najjaśniej? Co się stanie ze świeceniem pozostałych żarówek przy wyłączeniu jednej z nich? Omów wszystkie możliwości. Odpowiedzi uzasadnij i poprzyj obliczeniami. Dla ich prostoty przyjmij: U=const=6 V i R1=R2=R3=R4=1 Ω. 7.14 W obwodzie przedstawionym na rysunku po zamknięciu wyłącznika W przez amperomierz A1 popłynął prąd o natężeniu I. Jakie natężenie prądu (w porównaniu z natężeniem I) wskażą amperomierze A2 oraz A3, jeżeli wartość oporu każdego opornika wynosi R? Jakie będą wskazania woltomierza włączonego pomiędzy punktami: a) K i L b) L i M c) M i N? Opory przewodników i mierników pomiń. 7.15 Jaki opór ma żarówka elektryczna o mocy 0,3 W przystosowana do napięcia 3 V? 7.16 Prądnica rowerowa zasila dwie żarówki. Przez każdą z nich płynie prąd o natężeniu 0,25 A i napięciu 6 V. Oblicz moc prądnicy i zużycie energii w ciągu 2 h. Straty energii w przewodach pomiń. 7.17 W którym z oporników przedstawionych na rysunku wydziela się najwięcej ciepła? 7.18 Na przedstawionym schemacie w miejscach oznaczonych cyframi znajdują się przyrządy pomiarowe do mierzenia napięcia i natężenia prądu. Jakie przyrządy znajdują się w oznaczonych miejscach? Oblicz wskazania tych przyrządów, jeżeli wiadomo, że ze źródła pobierana jest moc 20 W, a wartość oporów R1 = 6 Ω, R2=30 Ω. Pobór mocy przez przyrządy pomiarowe pomiń. 7.19 Dwie żarówki o mocy 40 W i 60 W przystosowane każda do napięcia 220 V włączono szeregowo do sieci o tym właśnie napięciu. Jaką moc pobiera każda żarówka? Zależność zmiany oporu włókna żarówki od temperatury można pominąć. 7.20 Do oświetlenia choinki użyto n żaróweczek, każda dostosowana do napięcia 3,8 V i natężenia prądu 0,1 A. Źródłem zasilania było napięcie sieci 220 V, zaś oporem zabezpieczającym żarówka o mocy 40 W, dostosowana do napięcia U i połączona szeregowo z żaróweczkami. Z ilu żaróweczek powinno składać się oświetlenie choinki, aby świeciły one pełną jasnością (normalnie)? Wpływ temperatury na opór elektryczny pominąć. 7.21 Która z żarówek dostosowanych do napięcia 220 V ma większy opór i ile razy: żarówka 100 W czy 25 W? 7.22 Do sieci oświetleniowej o napięciu 220 V włączono szeregowo dwie jednakowe żarówki: a) każda dostosowana do napięcia 220 V b) każda dostosowana do napięcia 110 V. Która para żarówek lepiej oświetli mieszkanie? 7.23 Dwie żarówki o mocy 100 W i 60 W dostosowane do napięcia 110 V każda zasilono ze źródła o napięciu 220 V. Żarówki świecą pełną jasnością (wykorzystują pełną moc). Narysuj układy połączeń tych żarówek i oblicz opór w każdym z tych układów. 7.24 Trzy żarówki elektryczne, z których jedna ma moc 80 W, a dwie pozostałe po 40 W, są przystosowane do napięcia 110 V każda. Żarówki te należy włączyć do sieci o napięciu 220 V tak, aby każda z nich pobierała nominalną moc (moc, do jakiej jest dostosowana). Narysuj schemat połączeń żarówek i oblicz natężenie prądu płynącego przez każdą z nich. 7.25 Jakie jest natężenie prądu płynącego przez uzwojenie silnika tramwajowego dającego siłę ciągu 1200 N, jeżeli napięcie sieci wynosi 600 V, a tramwaj porusza się ze stałą prędkością 43,2 m/h. Straty energii wynoszą 20 %. 7.26 Winda o ciężarze 6080 N wznosi się na wysokość 15 m w ciągu 20 s. Silnik poruszający windę pracuje pod napięciem 380 V. Oblicz natężenie prądu w obwodzie elektrycznym silnika. Straty energii pomiń. 7.27 Na rysunku przedstawiono schemat obwodu, który może służyć do wyznaczania napięcia między zaciskami A i B spirali zanurzonej w wodzie. Opisz sposób postępowania i przeprowadź rozumowanie, które doprowadzi do wyznaczenia napięcia. Jak oceniasz dokładność tej metody? 7.28 W naczyniu zawierającym 5 kg gliceryny umieszczono dwie spirale, każda wykonana z 50 m drutu nikielinowego o przekroju 0,5 mm2. O ile wzrośnie temperatura gliceryny, jeżeli spirale połączone równolegle zasilane są źródłem prądu o napięciu 220 V w czasie 1 min? Straty energii i zmianę oporu zależną od temperatury pomiń. Ciepło właściwe gliceryny wynosi 2,4 103 J/kg oC, opór właściwy nikieliny wynosi 0,40 Ω mm2/m. 7.29 Do zasilania żarówek zastosowano urządzenie wykorzystujące energię wody spadającej z wysokości 4 m. W ciągu każdej sekundy spada 1 m3 wody o gęstości 1000 kg/m3. Ile żarówek może zasilić to urządzenie, jeżeli przez każdą z nich przepływa prąd o natężeniu 0,5 A pod napięciem sieci 220 V, a urządzenie wykorzystuje tylko 40 % energii spadającej wody? 7.30 Jaką ilość wody o temperaturze 20 oC można zagotować w ciągu 1 godziny dwiema grzałkami przystosowanymi do napięcia 220 V o oporze 100 Ω każda przy połączeniu ich: a) szeregowo b) równolegle? Ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/kg oC. Straty energii pomiń. 7.31 W jednym kalorymetrze znajduje się woda, a w drugim inna ciecz o takiej samej masie. W kalorymetrach zanurzono jednakowe spirale połączone szeregowo i włączono je do źródła napięcia. Jakie jest ciepło właściwe tej cieczy, jeżeli w ciągu pewnego czasu po włączeniu spiral do źródła napięcia temperatura wody podwyższyła się o 4,25 oC, a temperatura nieznanej cieczy o 5 oC? Uzasadnij stosowane wzory. Ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/kg oC. 7.32 Dwie spirale grzejne o mocy 400 W i 600 W (każda dostosowana do napięcia U) połączono szeregowo i włączono do źródła napięcia 220 V. Układ ten wykorzystano do ogrzewania 2 kg wody. Oblicz, o ile stopni wzrośnie temperatura wody po czasie 10 minut ogrzewania, jeżeli wiadomo, że 30 % dostarczonej energii nie jest wykorzystane na ogrzanie wody. Ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/kg oC. 7.33 Urządzenie grzejne składa się z dwóch spiral połączonych równolegle, jedna o oporze 8 Ω, druga o oporze 12 Ω. Natężenie prądu płynącego w pierwszej spirali wynosi 6 A. Ile wody o temperaturze 20 oC można doprowadzić do wrzenia w temperaturze 100 oC (przy normalnym ciśnieniu) w ciągu czasu 10 minut, jeżeli tylko 80 % dostarczonej energii zostaje zużyte na ogrzanie wody? Ciepło właściwe wody 4200 J/kg oC.
