Fizik 2: Elektrik dan Magnetisme: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 10 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Hukum Coulomb & medan elektrik

Hukum Coulomb
F = k·|q1q2|/r²
Medan cas titik
E = k·|q|/r²
Malar
k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
Daya pada cas
F = q·E

Perintang bersiri & selari

Perintang bersiri
Req = R1 + R2 + …
Perintang selari
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dua secara selari
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Hukum Ohm
V = I·R
Kuasa
P = V·I = I²R = V²/R

Kaedah

  1. Mulakan di hujung rangkaian yang paling jauh daripada terminal.
  2. Gabungkan perintang secara bersiri dengan menambahnya, dan perintang secara selari dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Lukis semula litar selepas setiap langkah.
  4. Ulang sehingga tinggal satu perintang antara terminal.

Fana RC & RL

Pemalar masa
τ = RC | τ = L/R
Sambutan
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kapasitor pada AT
litar buka; vC tidak boleh melompat
Induktor pada AT
litar pintas; iL tidak boleh melompat
Mantap
t ≈ 5τ

Kaedah

  1. Cari nilai awal sejurus selepas pensuisan: voltan kapasitor dan arus induktor tidak boleh melompat.
  2. Cari nilai akhir lama selepas pensuisan: kapasitor bertindak sebagai litar buka, induktor sebagai litar pintas.
  3. Cari pemalar masa: τ = RC atau τ = L/R, menggunakan rintangan yang dilihat oleh kapasitor atau induktor.
  4. Gunakan x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Medan magnet & aruhan

Wayar lurus panjang
B = μ0I/(2πr)
Pusat gegelung leper
B = μ0NI/(2R)
Solenoid panjang
B = μ0nI, n = N/L
Malar
μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Daya pada wayar
F = BIL·sin θ
Daya pada cas
F = |q|vB·sin θ
Gerakan membulat
r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Wayar selari
F/L = μ0I1I2/(2πd)
Fluks
Φ = BA·cos θ
Hukum Faraday
ε = −N·ΔΦ/Δt
Rod bergerak
ε = BLv
Penjana
E0 = NBAω, Erms = E0/√2
Aruhan
ε = L·ΔI/Δt, L = μ0N²A/l, W = ½LI²
Kearuhan saling
ε2 = M·di1/dt, M = k√(L1L2)
Pemilih halaju dan spektrometer
v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Kaedah

  1. Tukar setiap kuantiti kepada unit SI: cm kepada m, cm² kepada m², mT dan µT kepada T.
  2. Pilih rumus yang betul: B = μ₀I/(2πr) untuk wayar, μ₀NI/(2R) untuk pusat gegelung, μ₀nI di dalam solenoid; F = BIL·sin θ atau |q|vB·sin θ untuk daya.
  3. Untuk aruhan, cari perubahan fluks ΔΦ = Δ(BA·cos θ) dan gunakan ε = N·ΔΦ/Δt, atau ε = BLv untuk rod yang bergerak dan NBAω untuk gegelung berputar.
  4. Cari arah secara berasingan dengan petua tangan kanan, dan hukum Lenz untuk arus teraruh.

Impedans AU & fasor

Impedans
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frekuensi sudut
ω = 2πf
Magnitud dan sudut
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Hukum Ohm fasor
V = I·Z

Kaedah

  1. Tukar frekuensi: ω = 2πf.
  2. Cari setiap reaktans: XL = ωL dan XC = 1/(ωC).
  3. Tambah impedans seperti perintang, dengan Z = R + jX.
  4. Cari magnitud |Z| = √(R² + X²) dan sudut φ = atan(X/R), kemudian gunakan hukum Ohm dengan fasor.

2Soalan latihan

1.Hukum Coulomb & medan elektrikSederhana
++10 µC−−5 µCP50 cm

Cas +10 µC dan cas −5 µC berjarak 50 cm. Titik P terletak pada garis antara keduanya, 25 cm daripada cas pertama. Cari magnitud medan elektrik E pada P.

q1 = +10 µCq2 = −5 µCr1 = 25 cmr2 = 25 cm
E = N/C
2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar
6 cm6 cm+q1​ = +2 µC+q3​ = +3 µC+q2​ = +3 µC

Tiga cas titik positif berada di bucu sebuah segi tiga tepat: q₃ = 3 µC berada di bucu sudut tepat, q₁ = 2 µC berjarak 6 cm daripadanya sepanjang satu sisi dan q₂ = 3 µC berjarak 6 cm daripadanya sepanjang sisi yang lain. Cari magnitud daya elektrik bersih F pada q₃.

q1 = 2 µCq2 = 3 µCq3 = 3 µCr13 = 6 cmr23 = 6 cm
F = N
3.Perintang bersiri & selariSederhana
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩIR2​AR4​15 ΩB

Cari arus IR2 melalui R2.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
4.Perintang bersiri & selariSukar
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​25 ΩBR6​12 Ω

Cari rintangan setara Req yang dilihat oleh sumber V1.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 ΩR5 = 6 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
5.Fana RC & RLSederhana
+−Vs​24 Vt = 0R = 50 ΩL150 mHi(t)

Induktor tidak membawa arus sebelum suis ditutup pada t = 0. Cari tenaga W yang tersimpan dalam induktor pada t = 5 ms, dalam mJ.

Vs = 24 VR = 50 ΩL = 150 mHt = 5 ms
W = mJ
6.Fana RC & RLSukar
+−Vs​12 Vt = 0R = 10 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Sejurus sebelum suis ditutup pada t = 0, kapasitor menyimpan 15 V dengan polariti seperti yang ditunjukkan. Cari voltan kapasitor vC pada t = 120 ms.

Vs = 12 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 15 Vt = 120 ms
vC = V
7.Medan magnet & aruhanSederhana
IBF = ?

Wayar membawa arus ke kiri melalui medan magnet seragam yang menghala masuk ke dalam halaman. Klik arah daya magnet pada wayar itu.

I: ke kiriB: masuk ke dalam halaman
  1. 1ke atas halaman
  2. 2ke kanan
  3. 3ke bawah halaman
  4. 4ke kiri
8.Medan magnet & aruhanSukar
V = 500 VB = 0.8 Tr = ?

Zarah alfa bermula dari rehat, dipecutkan melalui beza keupayaan 500 V dan kemudian memasuki medan magnet seragam 0.8 T pada sudut tepat. Cari jejari r lintasannya dalam medan.

m = 6.645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3.204 × 10⁻¹⁹ CV = 500 VB = 0.8 T
r = cm
9.Impedans AU & fasorSederhana
100 V50 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 10 µFI

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 100 V (rms), 50 Hz. Cari faktor kuasa cos φ litar itu.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 10 µF
cos φ =
10.Impedans AU & fasorSukar
10 V1000 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 4.7 µF+−VC​

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 10 V (rms), 1000 Hz. Cari voltan rms VC merentasi kapasitor.

V = 10 V (rms)f = 1000 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 4.7 µF
VC = V

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: E = 2.158 × 10⁶ N/C

Hukum Coulomb: dua cas titik saling menarik atau menolak dengan F = k·|q₁·q₂|/r², dengan k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C². Medan cas titik ialah E = k·|q|/r², menjauhi cas positif dan menuju cas negatif. Daya dan medan daripada beberapa cas ditambah sebagai vektor.

Medan setiap cas

E1 = k·10 × 10⁻⁶/0.25² = 1.438 × 10⁶ N/C
E2 = k·5 × 10⁻⁶/0.25² = 719200 N/C

Arah dan hasil tambah

Medan pertama menghala menjauhi cas positif dan yang kedua menuju cas negatif: kedua-duanya menghala ke arah yang sama.

E = |1.438 × 10⁶ + 719200| = 2.158 × 10⁶ N/C

Jawapan

E = 2.158 × 10⁶ N/C
2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: F = 27.01 N

Hukum Coulomb: dua cas titik saling menarik atau menolak dengan F = k·|q₁·q₂|/r², dengan k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C². Medan cas titik ialah E = k·|q|/r², menjauhi cas positif dan menuju cas negatif. Daya dan medan daripada beberapa cas ditambah sebagai vektor.

Setiap daya pada q₃

F1 = k·2·3 × 10⁻¹²/0.06² = 14.98 N
F2 = k·3·3 × 10⁻¹²/0.06² = 22.47 N

Hasil tambah vektor

F = √(14.98² + 22.47²) = 27.01 N

Jawapan

F = 27.01 N
3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: IR2 = 1.154 A

Perintang bersiri dan selari: dalam sambungan bersiri arus yang sama mengalir melalui setiap perintang dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam sambungan selari setiap perintang mempunyai voltan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Rangkaian tangga dipermudahkan sepasang demi sepasang sehingga tinggal satu rintangan setara.

R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​15 ΩB

Gabungkan perintang dari hujung yang jauh

Mulakan dari hujung yang paling jauh daripada sumber dan bergerak balik ke arahnya. Perintang yang membawa arus yang sama adalah bersiri; perintang merentasi dua nod yang sama adalah selari.

R3 + R4 = 15 + 15 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 8·30/(8+30) = 6.316 Ω
Req = R1 + 6.316 = 6 + 6.316 = 12.32 Ω

Arus daripada sumber

Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberikan arus yang dibekalkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.

IR1 = V1/Req = 18/12.32 = 1.462 A

Arus melalui R₂

Tolak susutan merentasi R₁ untuk mendapatkan voltan pada nod A, iaitu voltan merentasi R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1.462·6 = 9.231 V
IR2 = VA/R2 = 9.231/8 = 1.154 A

Jawapan

IR2 = 1.154 A
4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: Req = 24.44 Ω

Perintang bersiri dan selari: dalam sambungan bersiri arus yang sama mengalir melalui setiap perintang dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam sambungan selari setiap perintang mempunyai voltan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Rangkaian tangga dipermudahkan sepasang demi sepasang sehingga tinggal satu rintangan setara.

R1​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​25 ΩBR6​12 Ω

Gabungkan perintang dari hujung yang jauh

Mulakan dari hujung yang paling jauh daripada sumber dan bergerak balik ke arahnya. Perintang yang membawa arus yang sama adalah bersiri; perintang merentasi dua nod yang sama adalah selari.

R5 + R6 = 6 + 12 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 10.47 Ω
R3 + 10.47 = 25.47 Ω
R2 ∥ 25.47 = 9.44 Ω
Req = R1 + 9.44 = 15 + 9.44 = 24.44 Ω

Jawapan

Req = 24.44 Ω
5.Fana RC & RL

Jawapan: W = 11.37 mJ

Fana peringkat pertama: dalam litar dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap voltan dan arus bergerak secara eksponen daripada nilai awalnya kepada nilai akhirnya: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Selepas kira-kira 5τ litar telah mantap.

Pemalar masa dan arus akhir

Lama selepas suis ditutup, induktor berkelakuan seperti litar pintas, jadi arus akhir ditentukan oleh R sahaja.

τ = L/R = 150 mH / 50 Ω = 3 ms
i(∞) = Vs/R = 24/50 = 0.48 A

Arus pada masa yang diberi

i(t) = 0.48·(1 − e−5/3) = 0.3893 A

Tenaga tersimpan

W = ½·L·i² = ½·150·0.3893² = 11.37 mJ

Jawapan

W = 11.37 mJ
6.Fana RC & RL

Jawapan: vC = 14.09 V

Fana peringkat pertama: dalam litar dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap voltan dan arus bergerak secara eksponen daripada nilai awalnya kepada nilai akhirnya: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Selepas kira-kira 5τ litar telah mantap.

Nilai awal, nilai akhir, pemalar masa

Voltan kapasitor tidak boleh melompat, jadi ia bermula pada nilai yang tersimpan dan menuju ke voltan sumber.

vC(0) = 15 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 12 + (15 − 12)·e−t/τ

Voltan pada masa yang diberi

vC(120) = 12 + (3)·e−120/330 = 14.09 V

Jawapan

vC = 14.09 V
7.Medan magnet & aruhan

Jawapan: ke bawah halaman

Daya magnet: wayar lurus yang membawa I dalam medan B mengalami F = BIL·sin θ, dan cas yang bergerak mengalami F = |q|vB·sin θ, dengan θ ialah sudut antara arus (atau halaju) dengan B. Daya itu berserenjang dengan kedua-duanya: halakan jari tangan kanan sepanjang I atau v, lengkungkan ke arah B, dan ibu jari memberi F bagi cas positif; songsangkan bagi cas negatif. Oleh sebab F berserenjang dengan v, cas yang bergerak merentasi medan seragam bergerak dalam bulatan: |q|vB = mv²/r memberi r = mv/(|q|B) dan tempoh T = 2πm/(|q|B), yang tidak bergantung pada laju. Dua wayar selari saling menarik bagi arus dalam arah yang sama: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Petua tangan kanan

Halakan jari sepanjang arus atau halaju dan lengkungkan ke arah B; ibu jari memberi daya pada cas positif.

I: ke kiri, B: masuk ke dalam halaman

Arah daya

ke bawah halaman

Jawapan

F: ke bawah halaman
8.Medan magnet & aruhan

Jawapan: r = 0.5693 cm

Daya magnet: wayar lurus yang membawa I dalam medan B mengalami F = BIL·sin θ, dan cas yang bergerak mengalami F = |q|vB·sin θ, dengan θ ialah sudut antara arus (atau halaju) dengan B. Daya itu berserenjang dengan kedua-duanya: halakan jari tangan kanan sepanjang I atau v, lengkungkan ke arah B, dan ibu jari memberi F bagi cas positif; songsangkan bagi cas negatif. Oleh sebab F berserenjang dengan v, cas yang bergerak merentasi medan seragam bergerak dalam bulatan: |q|vB = mv²/r memberi r = mv/(|q|B) dan tempoh T = 2πm/(|q|B), yang tidak bergantung pada laju. Dua wayar selari saling menarik bagi arus dalam arah yang sama: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Laju selepas pecutan

v = √(2|q|V/m) = √(2·3.204 × 10⁻¹⁹·500/(6.645 × 10⁻²⁷)) = 219583 m/s

Jejari dalam medan

r = mv/(|q|B) = 0.005693 m = 0.5693 cm

Jawapan

r = 0.5693 cm

Digabungkan: r = √(2mV/|q|)/B, maka ion yang lebih berat dengan cas yang sama bergerak pada bulatan yang lebih besar; inilah yang mengasingkan isotop.

9.Impedans AU & fasor

Jawapan: cos φ = 0.3849

Litar AU dengan fasor: perintang, induktor dan kapasitor mempunyai impedans R, jωL dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam sambungan bersiri, impedans ditambah seperti rintangan, tetapi sebagai nombor kompleks. Arus dan voltan rms mengikut hukum Ohm dengan |Z|.

Reaktans

XL = 78.54 Ω, XC = 318.3 Ω

Impedans

|Z| = √(100² + (−239.8)²) = 259.8 Ω

Faktor kuasa

cos φ = R/|Z| = 100/259.8 = 0.3849
Litar itu kapasitif, maka faktor kuasanya mendahului.

Jawapan

cos φ = 0.3849
10.Impedans AU & fasor

Jawapan: VC = 3.088 V

Litar AU dengan fasor: perintang, induktor dan kapasitor mempunyai impedans R, jωL dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam sambungan bersiri, impedans ditambah seperti rintangan, tetapi sebagai nombor kompleks. Arus dan voltan rms mengikut hukum Ohm dengan |Z|.

Reaktans

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.02 = 125.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4.7·10⁻⁶) = 33.86 Ω

Impedans

Dalam sambungan bersiri impedans ditambah sebagai nombor kompleks: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (91.8)²) = 109.7 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap unsur litar bersiri.

I = V/|Z| = 10/109.7 = 0.09118 A

Voltan merentasi kapasitor

VC = I·XC = 0.09118·33.86 = 3.088 V

Jawapan

VC = 3.088 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism