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

Kaedah

Mulakan di hujung rangkaian yang paling jauh daripada terminal.
Gabungkan perintang secara bersiri dengan menambahnya, dan perintang secara selari dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Lukis semula litar selepas setiap langkah.
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; v_C tidak boleh melompat
Induktor pada AT: litar pintas; i_L tidak boleh melompat
Mantap: t ≈ 5τ

Kaedah

Cari nilai awal sejurus selepas pensuisan: voltan kapasitor dan arus induktor tidak boleh melompat.
Cari nilai akhir lama selepas pensuisan: kapasitor bertindak sebagai litar buka, induktor sebagai litar pintas.
Cari pemalar masa: τ = RC atau τ = L/R, menggunakan rintangan yang dilihat oleh kapasitor atau induktor.
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, E_rms = 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

Tukar setiap kuantiti kepada unit SI: cm kepada m, cm² kepada m², mT dan µT kepada T.
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.
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.
Cari arah secara berasingan dengan petua tangan kanan, dan hukum Lenz untuk arus teraruh.

Impedans AU & fasor

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

Kaedah

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

2Soalan latihan

1.Hukum Coulomb & medan elektrikSederhana

Tiga cas titik terletak pada garis lurus: +5 µC di sebelah kiri, +4 µC di sebelah kanan sejauh 20 cm, dan +5 µC di antara kedua-duanya, 8 cm dari cas kiri. Cari magnitud daya elektrik bersih F pada cas tengah. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q_L = +5 µCq_R = +4 µCq_M = +5 µCr_L = 8 cmr_R = 12 cm

F = N

2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar

Dua bola kecil yang serupa, masing-masing berjisim 8 g, tergantung dari titik yang sama pada benang penebat sepanjang 40 cm. Kedua-duanya diberi cas yang sama dan setiap benang menetap pada 8° dari garis menegak. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari cas q pada setiap bola dalam nC. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 8 gL = 40 cmθ = 8°g = 9.81 m/s²

q = nC

3.Perintang bersiri & selariSederhana

Cari arus I_R2 melalui R₂.

V₁ = 6 VR₁ = 12 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 3 Ω

I_R2 = A

4.Perintang bersiri & selariSukar

Cari arus I_R1 yang dibekalkan oleh sumber, yang mengalir melalui R₁.

V₁ = 9 VR₁ = 6 ΩR₂ = 25 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 30 ΩR₅ = 6 ΩR₆ = 15 Ω

I_R1 = A

5.Fana RC & RLSederhana

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

V_s = 15 VR = 22 ΩL = 68 mHt = 5 ms

W = mJ

6.Fana RC & RLSukar

Sebuah pemasa mula mengecas kapasitor tidak bercas melalui perintang daripada bekalan 5 V pada t = 0. Ia mesti mencetuskan apabila voltan kapasitor mencapai 3.75 V, tepat 50 ms selepas permulaan. Dengan C = 10 µF, cari rintangan R yang diperlukan.

V_s = 5 VV_th = 3.75 VT = 50 msC = 10 µF

R = kΩ

7.Medan magnet & aruhanSederhana

Elektron bergerak dalam bulatan dalam medan magnet seragam 1 mT. Cari masa T yang diambil untuk satu pusingan.

m = 9.109 × 10⁻³¹ kg|q| = 1.602 × 10⁻¹⁹ CB = 1 mT

T = ns

8.Medan magnet & aruhanSukar

Proton bermula dari rehat, dipecutkan melalui beza keupayaan 5000 V dan kemudian memasuki medan magnet seragam 0.8 T pada sudut tepat. Cari jejari r lintasannya dalam medan.

m = 1.673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1.602 × 10⁻¹⁹ CV = 5000 VB = 0.8 T

r = cm

9.Impedans AU & fasorSederhana

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 50 V (rms), 200 Hz. Cari kuasa nyata P yang diambil daripada bekalan.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 22 µF

P = W

10.Impedans AU & fasorSukar

Perintang R₁ disambung secara siri dengan gabungan selari R₂ dan kapasitor C, merentasi bekalan 100 V (rms), 200 Hz. Cari arus rms I.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR₁ = 30 ΩR₂ = 40 ΩC = 47 µF

I = A

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: F = 22.63 N

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

Daya daripada setiap cas

Kanan positif.

F_L = +k·5·5 × 10⁻¹²/0.08² = 35.12 N

F_R = −k·4·5 × 10⁻¹²/0.12² = −12.49 N

Daya bersih

F = 35.12 + (−12.49) = 22.63 N → |F| = 22.63 N

Jawapan

F = 22.63 N

Daya bersih menghala ke kanan.

2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: q = 123.3 nC

Daya elektrik daripada keseimbangan

Bahagian mengufuk tegangan mengimbangi F, bahagian menegaknya mengimbangi m·g.

F = m·g·tan θ = 0.008·9.81·tan 8° = 0.01103 N

Jarak pemisahan

r = 2·L·sin θ = 2·0.4·sin 8° = 0.1113 m

Cas

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0.1113·√(0.01103/8.99 × 10⁹) = 1.233 × 10⁻⁷ C = 123.3 nC

Jawapan

q = 123.3 nC

3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R2 = 0.2069 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.

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 = 2 + 3 = 5 Ω

R₂ ∥ 5 = 5·5/(5+5) = 2.5 Ω

R_eq = R₁ + 2.5 = 12 + 2.5 = 14.5 Ω

Arus daripada sumber

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

I_R1 = V₁/R_eq = 6/14.5 = 0.4138 A

Arus melalui R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 6 − 0.4138·12 = 1.034 V

I_R2 = V_A/R₂ = 1.034/5 = 0.2069 A

Jawapan

I_R2 = 0.2069 A

4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R1 = 0.5541 A

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 + 15 = 21 Ω

R₄ ∥ 21 = 12.35 Ω

R₃ + 12.35 = 17.35 Ω

R₂ ∥ 17.35 = 10.24 Ω

R_eq = R₁ + 10.24 = 6 + 10.24 = 16.24 Ω

Arus daripada sumber

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

I_R1 = V₁/R_eq = 9/16.24 = 0.5541 A

Jawapan

I_R1 = 0.5541 A

5.Fana RC & RL

Jawapan: W = 10.16 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 = 68 mH / 22 Ω = 3.091 ms

i(∞) = V_s/R = 15/22 = 0.6818 A

Arus pada masa yang diberi

i(t) = 0.6818·(1 − e^−5/3.091) = 0.5466 A

Tenaga tersimpan

W = ½·L·i² = ½·68·0.5466² = 10.16 mJ

Jawapan

W = 10.16 mJ

6.Fana RC & RL

Jawapan: R = 3.607 kΩ

Pemalar masa yang diperlukan

3.75 = 5·(1 − e^−50/τ) → τ = 50/ln(5/(5 − 3.75))

τ = 50/1.386 = 36.07 ms

Rintangan

kΩ darab µF memberikan milisaat.

R = τ/C = 36.07/10 = 3.607 kΩ

Jawapan

R = 3.607 kΩ

7.Medan magnet & aruhan

Jawapan: T = 35.73 ns

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).

Tempoh gerakan bulat

Zarah yang lebih laju bergerak pada bulatan yang lebih besar, maka masa bagi setiap pusingan kekal sama.

T = 2πm/(|q|B) = 2π·9.109 × 10⁻³¹/(1.602 × 10⁻¹⁹·0.001) = 35.73 ns

Jawapan

T = 35.73 ns

Laju tidak diperlukan: inilah sebabnya siklotron boleh menggunakan satu frekuensi tetap.

8.Medan magnet & aruhan

Jawapan: r = 1.277 cm

Laju selepas pecutan

v = √(2|q|V/m) = √(2·1.602 × 10⁻¹⁹·5000/(1.673 × 10⁻²⁷)) = 978551 m/s

Jejari dalam medan

r = mv/(|q|B) = 0.01277 m = 1.277 cm

Jawapan

r = 1.277 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: P = 83.68 W

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

X_L = 25.13 Ω, X_C = 36.17 Ω

Impedans

|Z| = √(25² + (−11.04)²) = 27.33 Ω

Kuasa nyata

Induktor dan kapasitor hanya menyimpan dan mengembalikan tenaga; perintang menyerap semua kuasa nyata.

I = 50/27.33 = 1.83 A

P = I²·R = 1.83²·25 = 83.68 W

Jawapan

P = 83.68 W

10.Impedans AU & fasor

Jawapan: I = 2.575 A

Reaktans

X_C = 1/(2π·200·47·10⁻⁶) = 16.93 Ω

Gabungan selari

Darabkan atas dan bawah dengan konjugat kompleks untuk memisahkan Z_p kepada bahagian nyata dan khayal.

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 6.078 − j14.36 Ω

Jumlah impedans

Z = 30 + 6.078 − j14.36 = 36.08 − j14.36 Ω

|Z| = √(36.08² + 14.36²) = 38.83 Ω

Arus

I = V/|Z| = 100/38.83 = 2.575 A

Jawapan

I = 2.575 A

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