Κατά την φόρτιση πυκνωτή (Εξ. 37 στις σημειώσεις Ηλεκτρομαγνητισμού)

Transcript

1 1α Σε ένα κύκλωμα RC συνεχούς με διακόπτη, αντίσταση R = 650 Ω και πηγή 1 V όλα σε σειρά, ο διακόπτης κλείνει στο t = 0 και ο πυκνωτής είναι αρχικά αφόρτιστος. Η διαφορά δυναμικού στον πυκνωτή φτάνει στο 1/κ της οριακής της τιμής έπειτα από χρονικό διάστημα 5.5 s. Ποιά είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή σε F εάν κ = 5; Λύση: Κατά την φόρτιση πυκνωτή (Εξ. 37 στις σημειώσεις Ηλεκτρομαγνητισμού Στο t η οριακή τιμή της V C είναι V C (t = E(1 e t/rc V C ( = E(1 e = E(1 0 = E Σύμφωνα με τα δεδομένα, σε χρονικό διάστημα 5.5 s ισχύει V C = Ε/κ επομένως: Λύνοντας Ε κ = E(1 e t/rc t C = Rln (1 1 = F κ

2 1β Κύκλωμα RC σε σειρά με C = 0 μf, τροφοδοτείται από πηγή τάσης που περιγράφεται από την μαθηματική έκφραση V S = 00sin(400t. Εάν η τάση της αντίστασης υπερτερεί της V S κατά φ = 4 0, να βρεθεί το πλάτος του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα σε Α. Λύση: Από τα δεδομένα ω = 400 rad/s και έτσι Για τη γωνία ισχύει Ζ C = 1 Cω = = 15 Ω 400 tanφ = Ζ C R => R = Ζ Από τον ορισμό της ολικής εμπέδησης έχουμε C tanφ = 15 tan(4 0 = 139 Ω Ζ = Ζ C + R = = 187 Ω Από τα δεδομένα το πλάτος της τάσης της πηγής είναι V 0 = 00 V και έτσι το πλάτος του ρεύματος ισούται με: Ι 0 = V 0 Z = 00 = 1.07 A 187

3 1γ Φοιτητής χρησιμοποιεί ένα κύκλωμα RLC το οποίο έχει πυκνωτή χωρητικότητας C 1 για να ακούσει τον αγαπημένο του ραδιοφωνικό σταθμό στα 100 x FM. Λόγω βλάβης, αντικαθιστά τον πυκνωτή με ένα μικρότερο χωρητικότητας C και παρατηρεί ότι τώρα λαμβάνει σήμα από έναν άλλο σταθμό που εκπέμπει στα x FM. Να βρεθεί σε ποια FM βρίσκεται ο αγαπημένος σταθμός του φοιτητή εάν δίνονται τα C 1 = 4. μf και C = 0 μf. Λύση: Το κύκλωμα RLC χρησιμοποιείται για να ενισχύσει μόνο μια από τις ραδιοφωνικές συχνότητες. Η κυκλική συχνότητα συντονισμού βρίσκεται από την οπότε η συχνότητα δίνεται από την ω 0 = 1 LC f 0 = 1 π LC Τα FM είναι σε μεγάκυκλους, δηλαδή σε MHz. Παίρνοντας λόγους πριν-μετά την αλλαγή του πυκνωτή: f = C x => f 1 C 100 x = 4. 0 = 1.1 Λύνοντας την αλγεβρική εξίσωση παίρνουμε x = 4.8 οπότε f 1 = 100 x = 95. FM

4 α Στο παρακάτω σχήμα τα τρία διαφορετικά σχήματα, δυο ορθογώνια και ένα πρίσμα (κοινώς σφήνα, είναι από διαφορετικά υλικά με δείκτες διάθλασης n, n και n όπως αναγράφονται. Ένας μέρος της προσπίπτουσας ακτίνας ΟΑ στο σημείο Α ανακλάται ενώ ένα μέρος της διαθλάται προς το σημείο Β. Παρατηρείται ότι όταν η γωνία θ ελαττωθεί αρκετά, τότε στο σημείο Β υπάρχει μόνο ανάκλαση, δηλαδή δεν εισέρχεται φως στο πάνω ορθογώνιο. Εάν η θ είναι η οριακή γωνία που παρατηρείται αυτό το φαινόμενο, τότε να βρεθεί η τιμή της εάν δίνονται τα n =, n = και n = 3 και η γωνία φ = 15 0 του πρίσματος. n Β n n Α φ θ Ο Λύση: Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, φέρουμε μια κάθετο στη διεπιφάνεια στο σημείο Β, μια άλλη κάθετο στη διεπιφάνεια στο σημείο Α και μια τρίτη κάθετο στην κεκλιμένη επιφάνεια του πρίσματος η οποία διέρχεται από το σημείο Α. Αφού οριακά δεν εμφανίζεται διαθλώμενη ακτίνα στο σημείο Β, τότε η θ Β είναι εξ ορισμού η κρίσιμη γωνία και θα ικανοποιεί τη σχέση: n sinθ Β = n sin90 0 => sinθ Β = n n = 3 => θ Β = 60 0 Αυτή η γωνία είναι εντός-εναλλάξ με την γωνία θ Α + φ και άρα είναι ίσες μεταξύ τους δηλαδή θ Β = θ Α + φ Η γωνία φ είναι ίση με την γωνία φ = 15 0 του πρίσματος αφού οι πλευρές τους είναι κάθετες μεταξύ τους και είναι και οι δυο οξείες. Επομένως Από τον νόμο της διάθλασης στο σημείο Α θ Α = θ Β φ = = 45 0 nsinθ Α = n sinθ Α => sinθ Α = n n sinθ Α = sin450 = 1

5 οπότε θ Α = Η ζητούμενη γωνία είναι η συμπληρωματική της θ Α οπότε θ = n Β n n θ Β θ Α φ φ Α θ Α θ

6 γ Στο παρακάτω σχήμα τα τρία διαφορετικά σχήματα, δυο ορθογώνια και ένα πρίσμα (κοινώς σφήνα, είναι από διαφορετικά υλικά με δείκτες διάθλασης n, n και n όπως αναγράφονται. Ένας μέρος της προσπίπτουσας ακτίνας ΟΑ ανακλάται ενώ ένα μέρος της διαθλάται προς το σημείο Β. Παρατηρείται ότι όταν η γωνία θ ελαττωθεί αρκετά, τότε στο σημείο Β υπάρχει μόνο ανάκλαση, δηλαδή δεν εισέρχεται φως στο πάνω ορθογώνιο. Εάν η θ = 60 0 είναι η οριακή γωνία που παρατηρείται αυτό το φαινόμενο και τότε θ = 10 0, να βρεθεί η τιμή του n εάν δίνονται το n = 3 και η γωνία φ = 15 0 του πρίσματος. Β n n n θ Α φ θ Ο Λύση: Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, φέρουμε μια κάθετο στη διεπιφάνεια στο σημείο Β, μια άλλη κάθετο στη διεπιφάνεια στο σημείο Α και μια τρίτη κάθετο στην κεκλιμένη επιφάνεια του πρίσματος η οποία διέρχεται από το σημείο Α. Αφού οριακά δεν εμφανίζεται διαθλώμενη ακτίνα στο σημείο Β, τότε η α είναι εξ ορισμού η κρίσιμη γωνία και θα ικανοποιεί τη σχέση: n sinα = n sin90 0 => sinα = n n = 3 n Από τον νόμο της ανάκλασης β = α και αφού το άθροισμά τους είναι ίσο με τη δεδομένη θ = 10 0 τότε α = β = Από τον ορισμό της κρίσιμης γωνίας παραπάνω έχουμε sin60 0 = 3 n => n = Η γωνία α είναι εντός-εναλλάξ με την γωνία θ Α + φ και άρα είναι ίσες μεταξύ τους δηλαδή α = θ Α + φ Η γωνία φ είναι ίση με την γωνία φ = 15 0 του πρίσματος αφού οι πλευρές τους είναι κάθετες μεταξύ τους και είναι και οι δυο οξείες. Επομένως

7 θ Α = α φ = = 45 0 Η γωνία θ είναι η συμπληρωματική της θ Α οπότε θ Α = Από τον νόμο της διάθλασης στο σημείο Α και άρα n = nsinθ Α = n sinθ Α => n = n sinθ Α = sinθ Α n n β Β α n θ Α φ Α θ Α θ φ

8 β Στο παρακάτω σχήμα τα τρία διαφορετικά σχήματα, δυο ορθογώνια και ένα πρίσμα (κοινώς σφήνα, είναι από διαφορετικά υλικά με δείκτες διάθλασης n, n και n όπως αναγράφονται. Ένας μέρος της προσπίπτουσας ακτίνας ΟΑ ανακλάται ενώ ένα μέρος της διαθλάται προς το σημείο Β. Να βρεθεί η τιμή της γωνίας θ μεταξύ της ανακλώμενης και της διαθλώμενης ακτίνας στο σημείο Β εάν δίνονται οι τιμές θ = 60 0, n =, n = και n = 3 και η γωνία φ = 15 0 του πρίσματος.. θ Β n n n Α φ θ Ο Λύση: Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, φέρουμε μια κάθετο στη διεπιφάνεια στο σημείο Β, μια άλλη κάθετο στη διεπιφάνεια στο σημείο Α και μια τρίτη κάθετο στην κεκλιμένη επιφάνεια του πρίσματος η οποία διέρχεται από το σημείο Α. Η γωνία θ είναι η συμπληρωματική της θ Α οπότε θ Α = Από τον νόμο της διάθλασης στο σημείο Α ή nsinθ Α = n sinθ Α => sinθ Α = nsinθ Α n θ Α = 45 0 = 1 = Η γωνία φ είναι ίση με την γωνία φ = 15 0 του πρίσματος αφού οι πλευρές τους είναι κάθετες μεταξύ τους και είναι και οι δυο οξείες. Επίσης η γωνία πρόσπτωσης α είναι εντός-εναλλάξ με την γωνία θ Α + φ και άρα είναι ίσες μεταξύ τους δηλαδή α = θ Α + φ = = 60 0 Από τον νόμο της ανάκλασης β = α = Από τον νόμο της διάθλασης στο σημείο Β

9 n sinθ Β = n sinα => sinθ Β = n sinα n = = 1 οπότε θ Β = Στο σημείο Β οι τρεις γωνίες από την μια μεριά της καθέτου ξεκινούν και τελειώνουν σε μια ευθεία οπότε πρέπει να δίνουν άθροισμα δηλαδή: β + θ + θ Β = => θ Β = = 90 0 β θ θ Β α Β n n n θ Α φ Α θ Α φ θ

10 3α Ένας φοιτητής εκτελεί ένα πείραμα περίθλασης με μια απλή ορθογώνια σχισμή μικροσκοπικού πλάτους και μακροσκοπικού ύψους a ρίχνοντάς της από την μια μεριά φως laser μήκους κύματος λ και παρατηρώντας από την άλλη μεριά την εικόνα της περίθλασης που σχηματίζεται σε ένα πέτασμα σε απόσταση D 1 από αυτή (θεωρούμε ότι τα και λ είναι της ίδιας τάξης μεγέθους. Με τη βοήθεια ενός φωτοκυττάρου, ο φοιτητής μετράει την μέγιστη ένταση I 0 του φωτός επάνω στο πέτασμα στο σημείο Ο και μετά τοποθετεί το φωτοκύτταρο επάνω στο σημείο Κ που βρίσκεται σε απόσταση Δx από το Ο κατά μήκος της εικόνας περίθλασης και παρατηρεί ότι η ένταση εκεί Ι = 0. Ακολούθως αλλάζει την απόσταση σχισμής-πετάσματος σε D = 4D 1 και παρατηρεί ότι στο νέο μέγιστο στο σημείο Μ το φωτοκύτταρο μετράει μικρότερη ένταση Ι 0 = 9I 0 /16. Πόση ένταση θα μετρήσει τώρα το φωτοκύτταρο εάν τοποθετηθεί στο σημείο Λ το οποίο απέχει την ίδια απόσταση Δx κατά μήκος της νέας εικόνας περίθλασης από το Μ; Θεωρήστε ότι D 1 Δx εικόνα περίθλασης Ο Κ Δx Laser Σχισμή Ο Κ Δx Λ Μ D D 1 Πέτασμα (αρχική θέση Πέτασμα (τελική θέση Λύση: Επειδή D 1 Δx, η κατανομή της έντασης της ακτινοβολίας του αρχικού διαγράμματος περίθλασης δίνεται προσεγγιστικά από την σχέση: όπου Τα ελάχιστα εμφανίζονται εκεί όπου δηλαδή εκεί όπου Ι Ι 0 ( sinξ ξ ξ = π λd 1 x sinξ = sin ( π λd 1 x = 0

11 π λd 1 x = nπ με το n να είναι ακέραιος με εξαίρεση το n = 0 επειδή λόγω του νόμου του De l Hospital δίνει μέγιστο της μορφής 0/0 1. Έτσι τα ελάχιστα εμφανίζονται στις θέσεις x n = n λd 1 με n = ±1, ±, ±3 Από τη δεδομένη εικόνα περίθλασης, το Κ φαίνεται να είναι στο τρίτο ελάχιστο, δηλαδή n = 3 και Δx = x 3 = 3 λd 1 Όταν η απόσταση σχισμής-πετάσματος αλλάξει σε D, τότε το ξ αλλάζει σε ξ = π λd x και άρα η κατανομή της έντασης της ακτινοβολίας γίνεται: sin ( π x λd Ι Ι 0 ( π x λd (προσέξτε ότι άλλαξε και η μέγιστη τιμή της έντασης από Ι 0 σε Ι 0. Αντικαθιστώντας το παραπάνω Δx και λαμβάνοντας υπόψιν ότι Ι 0 = 9Ι 0 /16 και D = 4D 1, οδηγεί στο αποτέλεσμα ή Ι = 9Ι π sin ( 3 λd ( λd π 3 λd 1 λd = 9Ι D sin (3π ( D 3π D 1 D Ι = 9Ι / ( 3π = 4 Ι 0 π = 9Ι 0 16 (sin ( 3π 4 3π 4

12 3β Ένας φοιτητής εκτελεί ένα πείραμα περίθλασης με μια απλή ορθογώνια σχισμή μικροσκοπικού πλάτους και μακροσκοπικού ύψους a ρίχνοντάς της από την μια μεριά φως laser μήκους κύματος λ 1 και παρατηρώντας από την άλλη μεριά την εικόνα της περίθλασης που σχηματίζεται σε ένα πέτασμα σε απόσταση D από αυτή (θεωρούμε ότι τα και λ 1 είναι της ίδιας τάξης μεγέθους. Με τη βοήθεια ενός φωτοκυττάρου, ο φοιτητής βρίσκει για την ένταση διαδοχικά Ι = 0 στα σημεία Κ και Λ. Ακολούθως αντικαταστεί την πηγή laser με μια πιο ασθενή αλλά και με διαφορετικό μήκος κύματος λ = 1.λ 1. Ποιος θα είναι τώρα ο λόγος των εντάσεων Ι(Κ/Ι(Λ στα σημεία Κ και Λ; Θεωρήστε ότι το D είναι τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από οποιαδήποτε απόσταση μετράει ο φοιτητής επάνω στο πέτασμα. Χρήσιμα νούμερα: sin(π/0. = 0, sin(π/0.4 = 1, sin(π/0.6 = 3/, sin(π/0.8 = / εικόνα περίθλασης Ο Κ Λ Laser Σχισμή Λ Κ Ο D Πέτασμα Λύση: Επειδή το D είναι μεγάλο, η κατανομή της έντασης της ακτινοβολίας του αρχικού διαγράμματος περίθλασης δίνεται προσεγγιστικά από την σχέση όπου Τα ελάχιστα εμφανίζονται εκεί όπου δηλαδή εκεί όπου Ι Ι 0 ( sinξ ξ ξ = π λ 1 D x sinξ = sin ( π λ 1 D x = 0

13 π x = nπ λ 1 D με το n να είναι ακέραιος με εξαίρεση το n = 0 επειδή λόγω του νόμου του De l Hospital δίνει μέγιστο της μορφής 0/0 1. Έτσι τα ελάχιστα εμφανίζονται στις θέσεις x n = n λ 1D με n = ±1, ±, ±3 Από τη δεδομένη εικόνα περίθλασης, τα Κ και Λ φαίνονται να είναι στο δεύτερο και τρίτο ελάχιστο αντίστοιχα, δηλαδή στα n = και n = 3, οπότε έχουν συντεταγμένες και x Κ = λ 1D x Λ = 3 λ 1D Ομοίως όταν το μήκος κύματος αλλάξει σε λ, τότε το ξ αλλάζει σε ξ = π λ D x και η κατανομή της έντασης της ακτινοβολίας γίνεται sin ( π λ Ι Ι 0 ( D x π λ D x όπου πρέπει Ι 0 < Ι 0 αφού πρόκειται για ασθενέστερη πηγή. Μας ενδιαφέρει η ένταση στα σημεία Κ και Λ με συντεταγμένες x Κ και x Λ που είδαμε παραπάνω. Με αντικατάσταση: sin ( π λ Ι (Κ Ι 0 ( D x Κ π λ D x Κ sin ( π λ Ι (Λ Ι 0 ( D x Λ π λ D x Λ Ο ζητούμενος λόγος είναι ο sin ( π λ = Ι 0 ( D λ 1D π λ D λ 1D sin ( π λ = Ι 0 ( D 3 λ 1D π λ D 3 λ 1D π π Ι (Κ sin ( λ Ι (Λ = ( λ 1 3λ λ 1 π λ λ 1 sin ( π 3λ λ 1 Αντικαθιστώντας το λ = 1.λ 1, οδηγεί στο αποτέλεσμα sin ( π λ λ 1 = Ι 0 ( π λ λ 1 sin ( π 3λ λ 1 = Ι 0 ( π 3λ λ 1 = ( 3 sin (π λ 1 λ sin (3π λ 1 λ

14 Ι (Κ Ι (Λ = (3 sin ( π 0.6 sin ( π 0.4 = ( 3 3/ =

15 3γ Ένας φοιτητής εκτελεί ένα πείραμα περίθλασης με μια απλή ορθογώνια σχισμή μικροσκοπικού πλάτους 1 και μακροσκοπικού ύψους a 1 ρίχνοντάς της από την μια μεριά φως laser μήκους κύματος λ και παρατηρώντας από την άλλη μεριά την εικόνα της περίθλασης που σχηματίζεται σε ένα πέτασμα σε απόσταση D από αυτή (θεωρούμε ότι τα 1 και λ είναι της ίδιας τάξης μεγέθους. Με τη βοήθεια ενός φωτοκυττάρου, ο φοιτητής βρίσκει για την ένταση διαδοχικά Ι = 0 στα σημεία Κ και Λ. Ακολούθως αντικαταστεί την σχισμή με μια ίδιου ύψους a αλλά διαφορετικού πλάτους = 1 /4. Ποιος θα είναι τώρα ο λόγος των εντάσεων Ι(Κ/Ι(Λ στα σημεία Κ και Λ; Θεωρήστε ότι το D είναι τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από οποιαδήποτε απόσταση μετράει ο φοιτητής επάνω στο πέτασμα. εικόνα περίθλασης Ο Κ Λ Laser Σχισμή Λ Κ Ο D Πέτασμα Λύση: Επειδή το D είναι μεγάλο, η κατανομή της έντασης της ακτινοβολίας του αρχικού διαγράμματος περίθλασης δίνεται προσεγγιστικά από την σχέση όπου Ι Ι 0 ( sinξ ξ Τα ελάχιστα εμφανίζονται εκεί όπου δηλαδή εκεί όπου ξ = π 1 λd x sinξ = sin ( π 1 λd x = 0 π 1 x = nπ λd

16 με το n να είναι ακέραιος με εξαίρεση το n = 0 επειδή λόγω του νόμου του De l Hospital δίνει μέγιστο της μορφής 0/0 1. Έτσι τα ελάχιστα εμφανίζονται στις θέσεις x n = n λd 1 με n = ±1, ±, ±3 Από τη δεδομένη εικόνα περίθλασης, τα Κ και Λ φαίνονται να είναι στο πρώτο και δεύτερο ελάχιστο αντίστοιχα, δηλαδή στα n = 1 και n =, οπότε έχουν συντεταγμένες και x Κ = λd 1 x Λ = λd 1 Όταν το πλάτος της σχισμής αλλάξει σε, τότε το ξ αλλάζει σε ξ = π λd x και η κατανομή της έντασης της ακτινοβολίας γίνεται Ι I 0 ( sin (π λd x π λd x όπου το Ι 0 παραμένει το ίδιο αφού πρόκειται για την ίδια πηγή. Μας ενδιαφέρει η ένταση στα σημεία Κ και Λ με συντεταγμένες x 1 και x που είδαμε παραπάνω. Με αντικατάσταση, βρίσκουμε για την νέα ένταση στα δυο σημεία: Αφού = 1 /4, έχουμε Ι (Κ I 0 ( sin (π λd x Κ π λd x Κ Ι (Λ I 0 ( sin (π λd x Λ π λd x Λ sin ( π λd λd = I 0 ( 1 π λd λd 1 sin ( π λd λd = I 0 ( 1 π λd λd 1 Ι (Κ = I 0 ( sin (π 4 π = I 0 ( π = I 0 ( π 4 4 Ι (Λ = I 0 ( sin ( π 4 π 4 = I 0 ( 1 π sin ( π = I 0 ( 1 π 1 sin ( π = I 0 ( 1 π 1 = I 0 ( π

17 Ο ζητούμενος λόγος είναι ο Ι (Κ Ι (Λ = Ι (Κ Ι (Λ = ( =