KONKURS FIZYCZNY CZĘŚĆ 3. Opracowanie Agnieszka Janusz-Szczytyńska

Transkrypt

1 KONKURS FIZYCZNY CZĘŚĆ 3 Opracowanie Agnieszka Janusz-Szczytyńska

2 ZAGADNIENIA DO KONKURSU ETAP II Kolorem czerwonym zaznaczone są zagadnienia wykraczające poza program nauczania, na zielono zagadnienia, które są w podręczniku, ale jeszcze nie zostały zrealizowane na lekcji. 1. wiadomości z etapu I 2. rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy i gazów, termometry i skale temperatury 3. przemiany energetyczne z uwzględnieniem zmian energii wewnętrznej. I zasada termodynamiki 4. sprawność maszyn i urządzeń 5. bilans cieplny, znajomość wzoru Q = c. m. ΔT, ciepło właściwe 6. układanie bilansu cieplnego do opisanych w zadaniu przemian energetycznych 7. wskazywanie sposobów przekazywania ciepła (przewodnictwo, konwekcja i promieniowanie) w podanych przykładach 8. odróżnianie przewodników ciepła i izolatorów 9. zmiany stanów skupienia, ciepło przemiany, wykresy zależności T(t), Q(t), T(Q) 10.obliczanie energii mechanicznej wystarczającej do dokonania się przemiany cieplnej (np. stopienia danej masy ciała) 11.maszyny proste (dźwignie, bloczki i równia pochyła)

3 12.sposoby elektryzowania ciał, ładunek elektryczny i jego jednostka 13.prawo Coulomba, zasada zachowania ładunku, rozwiązywanie ilościowych i jakościowych problemów z elektrostatyki 14.obwody elektryczne, napięcie elektryczne, natężenie prądu, I i II prawo Kirchhoffa w wersji uproszczonej 15.prawo Ohma dla odcinka obwodu, materiałowe prawo Ohma 16.praca i moc prądu elektrycznego, związek mocy z oporem, z napięciem lub natężeniem prądu 17.przemiany energii elektrycznej w inne rodzaje energii np. w energię cieplną, w energię mechaniczną 18.szeregowe, równoległe i mieszane łączenie oporów, znajomość wzorów na opór zastępczy 19.zależność oporu elektrycznego przewodnika od temperatury 20.rozwiązywanie zadań obliczeniowych i problemowych z prądu elektrycznego, obliczanie natężeń prądu, napięć, oporu zastępczego, pracy i mocy prądu elektrycznego 21.magnesy, pole magnetyczne Ziemi 22.pole magnetyczne wokół przewodników z prądem, doświadczenie Oersteda

4 23.pole magnetyczne przewodnika kołowego i zwojnicy 24.indukcja magnetyczna B wraz z jednostką 25.umiejętność stosowania wzorów na indukcję magnetyczną (przewodnik prostoliniowy, przewodnik kołowy, zwojnica) 26.siła elektrodynamiczna, jej cechy i zastosowania, wzór na siłę elektrodynamiczną 27.określanie kierunku i zwrotu siły elektrodynamicznej, dokonywanie obliczeń jednej wielkości przy znanych pozostałych ze wzoru F = B I l 28.prąd indukcyjny i sposoby jego wzbudzania, reguła Lenza 29.zasada działania transformatora, zastosowania, przekładnia 30.obliczanie napięć i natężeń prądu na uzwojeniach transformatora z wykorzystaniem wzorów na moc idealnego transformatora i przekładnię, zamiana energii elektrycznej w cieplną

5 UZUPEŁNIENIE ZAGADNIEŃ WYKRACZAJĄCYCH POZA PROGRAM NAUCZANIA

6 PRAWO COULOMBA Oddziaływanie między ładunkami punktowymi obrazuje prawo Coulomba: Wartość siły wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych jest wprost proporcjonalna do iloczyny tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami. Gdzie: k- współczynnik proporcjonalności charakteryzujący ośrodek, w którym znajduje się ładunek [ jednostkę wyprowadzimy na następnym slajdzie] - ładunki punktowe [C] r- odległość między środkami ładunków [m]

7 Wyprowadźmy jednostkę stałej k. W tym celu zapisujemy wzór na prawo Coulomba: Aby wyprowadzić jednostkę stałej k należy wyprowadzić wzór na stałą k, ze wzoru na siłę Coulomba. Zastanów się co należy zrobić, aby otrzymać równanie: k=.. Spróbuj samodzielnie wyprowadzić wzór na stałą k. Sprawdź poprawność na następnym slajdzie.

8 Obustronnie mnożymy równanie przez odwrotność ułamka, który nam przeszkadza z prawej strony, aby została sama literka k. Możesz zastosować inną metodę przekształcenia wzoru. Ważne, aby wzór na k miał taki sam sens, np. To te same wzory!

9 Mając wyprowadzony wzór na stałą k możemy zapisać jej jednostkę: Jeżeli oddziaływanie zachodzi w próżni, między dwoma ładunkami o wartości 1 C umieszczonymi w odległości 1 m od siebie to stała k ma wartość:

10 Wiedza wykraczająca poza zagadnienia konkursu Współczynnik k można obliczyć korzystając także ze wzoru: Gdzie: - względna przenikalność elektryczna ośrodka Dla próżni przenikalność elektryczna wynosi: - przenikalność elektryczna danego ośrodka- wartość bez wymiarowa.

11 PRAWO COULOMBA W ZADANIACH Zad.1 Dwa ładunki, o wartościach 1µC każdy, znajdują się w odległości 10 cm od siebie. Jaka jest wartość siły oddziaływania między nimi? Jaka będzie wartość siły, jeżeli odległość zwiększymy dwa razy?

12 Zgodnie z prawem Coulomba: jeżeli odległość między ładunkami rośnie, siła maleje z kwadratem odległości. W zadaniu odległość wzrosła dwa razy czyli siła zmalała 4 razy.

13 Zad.2 Na izolujących niciach zawieszono lekkie, naelektryzowane kulki. Jedna o ładunku +2Q, druga o ładunku -6Q. Jak zmieni się siła oddziaływania elektrostatycznego po zetknięciu kulek i odsunięciu ich na tę samą odległość? Zadanie rozpoczynamy w pierwszej fazie wykorzystując zasadę zachowania ładunku. Następnie zapisujemy wzory na siłę Coulomba na każdym poziomie (można też wymyśleć sobie swój sposób).

14 Obliczamy stosunek sił: można od razu zapisać: W obliczeniu pominęliśmy znak -. Jest on związany ze zwrotem siły. Jeżeli siła była na - potem zamieniła się na + oznacza to, że siła zmieniła znak na przeciwny. Do określenia wartości sił nie używamy znaków. Ostatecznie nasza siła zmalała 3 razy i zmieniła znak na przeciwny (12>4). Kulki się przyciągały, a potem będą się odpychać.

15 Zad.3 Jak zmieni się siła wzajemnego oddziaływania elektrostatycznego między dwoma ładunkami o tej samej wartości Q, umieszczonymi w odległości r od siebie, jeżeli ładunek jednego ciała zwiększymy dwa razy, a odległość zmniejszymy 4 razy? Zapisujemy wzór na wyjściową siłę Coulomba (przed zmianą): Zapisujemy wzór siły po zmianach parametrów. Zbieramy wszystkie liczby przed litery. Siła zwiększyła swoją wartość 8 razy.

16 II PRAWO KIRCHHOFFA II prawo Kirchhoffa stanowiące uogólnienie prawa Ohma dla obwodu zamkniętego: suma algebraiczna sił elektromotorycznych ogniw i napięć na oporach w oczku jest równa zero. Nas będzie głównie interesowała zależność wynikająca z tego prawa: oczko Zauważcie, że to jest inna forma prawa Ohma w łączeniu równoległym:

17 Co to jest siła elektromotoryczna? Prawo Ohma dla obwodu zamkniętego przyjmuje postać: r- opór wewnętrzny ogniwa (źródła napięcia). Krótko mówiąc siła elektrodynamiczna jest spadkiem napięcia na ogniwie. Jeżeli jest podana w zadaniu należy ją uwzględnić podobnie opór wewnętrzny ogniwa. Siłę elektromotoryczną często nazywamy SEM ogniwa.

18 ZADANIA II PRAWO KIRCHHOFFA Zad.1 Siła elektromotoryczna ogniwa jest równa: a) różnicy potencjałów na biegunach ogniwa, gdy obwód jest zamknięty, b) różnicy potencjałów na biegunach ogniwa, gdy obwód jest otwarty, c) różnicy spadków napięcia na oporze wewnętrznym i zewnętrznym, d) spadkowi napięcia na sumie oporów zewnętrznych. Różnica potencjałów, tj. U- napięcie Zgodnie z prawem Ohma dla obwodu zamkniętego: poprawna jest odpowiedź b warunek jest spełniony, gdy obwód jest otwarty

19 Zad.2 Jeżeli opór zewnętrzny obwodu o sile elektromotorycznej ε jest dwa razy większy od oporu wewnętrznego ogniwa, to napięcie na zaciskach ogniwa wynosi: Korzystamy z prawa Ohma dla obwodu zamkniętego: poprawna jest odpowiedź d

20 Informacje do zadania 3, 4 i 5 Trzy oporniki połączono ze źródłem prądu o sile elektromotorycznej i oporze wewnętrznym r = 2 Ω zgodnie ze schematem. Wartość oporu R=1Ω. Zad.3 Natężenie prądu jakie wskaże amperomierz A, wynosi: a)1,2 A b) 1,5 A c) ) 0 A d) 2 A Zad. 4Wskazania woltomierza V 1 i V 2 wynoszą odpowiednio: a) 12 V 12 V b) 2,4 V 12 V c) 2,4 V 9,6 V d) 12 V 2,4 V ε= Zad. 5Spadek napięcia na oporze wewnętrznym r wynosi : a)12 V b) 2,4 V c) 9,6 V d) 0V

21 Rozwiązanie: Opór zewnętrzny wynosi: Rc=R+2R+5R=8R Podstawiając R=1Ω otrzymujemy Rc=8Ω ε= Zad.3 odpowiedź a

22 Zad.4 prawidłowa jest odpowiedź c ε= Zad.5 prawidłowa jest odpowiedź b

23 MATERIAŁOWE PRAWO OHMA Prawo Ohma jest prawem materiałowym (nie uniwersalnym), co oznacza, że sprawdza się tylko dla niektórych materiałów - substancji. Poza tym prawo to jest słuszne tylko dla określonych zakresów napięć i przy ustalonych warunkach zewnętrznych (np. stała powinna być temperatura). Prawo Ohma jest spełniane głównie przez metale i materiały ceramiczne. Jest jednak dużo substancji, które prawa Ohma nie spełniają, czyli natężenie przepływającego przez nie prądu zmienia się w sposób nieproporcjonalny do napięcia. Poza tym stosowalność prawa Ohma może istotnie zależeć od zakresu napięć - np. w typowych sytuacjach przy małych napięciach natężenie jest proporcjonalne do napięcia, ale po przejściu w zakres dużych napięć, proporcjonalność się załamuje.

24 Materiały spełniające i nie spełniające prawa Ohma Do materiałów spełniających prawo Ohma należą przewodniki: metale (np. miedź, złoto, srebro, żelazo ), grafit, niektóre materiały ceramiczne, większość elektrolitów. Nie spełniają prawa Ohma: Półprzewodniki, gazy (choć w pewnych zakresach napięć mogą być one zgodne z tym prawem).

25 ZALEŻNOŚĆ OPORU OD TEMPERATURY