西尔斯现代物理答案30
(大学物理基础)第一章连续体力学

液体的分类:
(1)极性液体(polar liquid):由带极性的分子组成的液体。 这种液体分子的正负电部分不相重合而使分子具有极性。
(2) 非极性液体(non-polar liquid)又称范德瓦耳斯液体。 特征是液体的分子不带电荷或没有极性,分子之间主要依靠 微弱的分子力联系起来。
重点例题
第一章P28 例题1-3 P31 例题1-5 第二章P75 例题2-1 P86例题2-3 P97 例题2-6 第三章P121例题3-2 P124例题3-3 P128例题34 P134例题3-5 第四章P164例题4-3 P164例题4-4 P165例题45 P169 例题4-6 P170 例题4-7 P171例题4-8 P176例题4-10 P176例题4-11 P178 例题4-12 P181 例题4-13 第六章P240例题6-1 P241例题6-2 P242例题63 P251例题6-4 P251例题6-5 第八章P315例题8-4 P345例题8-6 第九章P378例题9-1 P383例题9-2 P399例题9-5 P401例题9-6 共计30个。
物质的三态
固体 液体 气体 问题:固液之间的态是什么?有没有?(液 晶) 三态特点:固体:体积、形状固定,不易压 缩;液体:不易压缩,形状不定,容易流动, 各向同性 原因:结构决定
液体的结构:
结构特点:分子排列比晶体稍微松散。大多数液体都是 以分子为基本结构单元,分子之间的键联较弱,主要是 范德瓦耳斯键。由杂乱分布的变动的微区构成。
参考书目
1,《现代农业和生物学中的物理学》
习岗,李伟昌
科学出版社
2,《物理学教程》马文蔚
高等教育出版社
3,《普通物理学》 程守洙 江之泳 高等教育出版社
大学物理下习题册答案详解

解 : a 30cm ,d 0.6m m , b=2.2m
D =a+b 2.5m ,
x 2.25m m
x D dx 5400 A
d
D
第 4级 明 纹 至 中 心 距 离 满 足 :
dx 4 x 4 D 9.00m m
D
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d
练习34 光的干涉(2)
1.在双缝装置中,用一折射率为n的薄云母片覆盖其中
光的程亮差度2 分,, 2别则. 5为 有 , :3 .5
,比较 P、Q、R 三点
(1)P点最亮、Q点次之、R点最暗;
注意。单击此处添加正文,文字是您思想的提炼,为了演示发布的良好效果,请言简意赅地阐述您的观点。您的 内容已经简明扼要,字字珠玑,但信息却千丝万缕、错综复杂,需要用更多的文字来表述;但请您尽可能提炼思
20D 想 的 精 髓 , 否 则 容 易 造 成 观 者 的 阅 读 压 力 , 适 得 其 反 。 正 如 我 们 都 希 望 改 变 世 界 , 希 望 给 别 人 带 去 光 明 , 但 更 多
x 20x= 0.11m 时候我们只需要播下一颗种子,自然有微风吹拂,雨露滋养。恰如其分地表达观点,往往事半功倍。当您的内容 a 到 达 这 个 限 度 时 , 或 许 已 经 不 纯 粹 作 用 于 演 示 , 极 大 可 能 运 用 于 阅 读 领 域 ; 无 论 是 传 播 观 点 、 知 识 分 享 还 是 汇 报
n 1 题 目 中 k=-7
所 以 : e 7 n 1
答案为:(1)
2.迈克耳逊干涉仪可用来测量单色光的波长,当干涉仪
的动镜M2移动d距离时,测得某单色光的干涉条纹移 动N条,则该单色光的波长为:( )
西尔斯大学物理双语版答案

1. S: 2kv dtdva -==2kv dxdvv dt dx dx dv -==k d x v dvxx vv -=⎰⎰)(ln00x x k v v--= )(00x x k e v v --= (answer)2. S: j t i t dt rd v )3cos 15()3sin 15(+-== jt i t dtv d a )3sin 45()3cos 45(-+-==()()j t i t j t i t v r)3cos 15()3sin 15()3sin 5()3cos 5(+-⋅+=⋅j j t t i i t t⋅⋅+⋅⋅-=)3c o s 3s i n 75()3sin 3cos 75( 0= (proved c)3. S: dtdv v m k m f a =-==dt mkv dv t t v v -=⎰⎰0)(0t mkv t v -=0)(ln t m ke v t v -=0)( (answer) D: t m k e v dtdxv -==0dt e v dx t m k tt x -⎰⎰=00)(0kmv x e kmv ekmv t x t m k t t mk 0max 00),1()(=-=-=--4. S: )()32(j y d i dx j i x r d f dw+⋅+=⋅=dy xdx dw w fi32+==⎰⎰dy xdx 323342⎰⎰--+== -6 J (answer)5. S: 23230.60.4)0.30.4(t t t t t dtddt d +-=+-==θω, t t t dtddt d 60.6)30.60.4(2+-=+-==ωα 0.40300.60.4)0(2=⨯+⨯-=ω (answer of a)0.28)0.4(30.40.60.4)0.4(2=⨯+⨯-=ω rad/s (answer of a ) 60.266)0.2(=⨯+-=α rad/s 2 (answer of b )t t 60.6)(+-=α is time varying not a constant (answer of c) 6. S: ω20031222ML L v m L mv +⋅= MLmv ML L mv 4343020==ω (answer a))c o s 1(2)31(21m a x 22θω-=LMg ML ]1631[cos 2221maxgLM v m -=-θ (answer b) 7. G: m =1.0g, M =0.50kg, L =0.60m, I rod =0.0602m kg ⋅,s rod /5.4=ωR:I sys , v 0S: I sys =I rod +(M+m)L2=0.060+(0.50+0.0010)×0.602= 0.24 2m kg ⋅(answer)the system ’s angular momentum about rotating axis is conservative in the collision.sysI L mv ω=0s m mL I v sys/108.160.00010.024.05.430⨯=⨯⨯==ω (answer )D: The bullet momentum 0v m p=(before impact), its angular momentumabout rotating axis can be expressed as L mv 0(a scalar) 8. S:γ==00.800x xt v c -∆==0811800.600 3.0010t t γ∆=∆=⨯⨯ 9. S: 202202)(mc E cp E E γγ==+=222c p m c m c m c =10. S: 0i n t =-=∆n e t n e t W Q E n e t n e t W Q = 1(3010)(4.0 1.0)2=-- J 30= (answer)11. S: from nRT PV =and K T A 300= we can get:KT K T C B 100300== (answer of a)Change of internal energy between A and B:0)(23int =-=∆A B T T k n E (answer of b)The net work of the cycle:))(100300()13(2121m N AC BC W ⋅-⋅-=⋅=J 200= (answer of c) From the first law : W E Q +∆=int we can derive:the net heat of the whole cycle is J W Q 200== (answer)12. S: 131)(320===⎰⎰∞F v Av dv Av dv v p F33FvA =(answer of a ) F F v a v g v Av dv vAv v F4341420===⎰13. G: T 1=T 2=T , m 1, p 1, v rms,1, m 2, p 2=2p 1, v avg,2 = 2v rms,1 R: m 1 / m 2 S: v avg,2 =1.602m kTv rms,1 = 1.731m kTv avg,2 = 2v rms,167.4)60.173.12(221=⨯=m m (answer) 14. S: dE int =dQ – dWd Q = dE int + dW = n C v dT+pdV VdVnR T dT nC dV T p T dT nC T dQ dS v v +=+==if i f v VV v T T V V nR T T nC V dVnR T dT nC ds S f i filnln +=+==∆⎰⎰⎰ 15. S: dA E q θεcos 0⎰=212100)0.60100(1085.8⨯-⨯⨯=- C 61054.3-⨯= 16. S: 2041)(r Qr E πε=(R < r <∞) dr rQ dr r E udV dU 2022208421πεπε=⋅== RQ r dr Q udV U R0220288πεπε===⎰⎰∞(answer) RQ r dr Q U r r Rεπεεπε02202*88==⎰∞(answer ) 18. S: in the shell of r – r + drdr r R r dV r dq 204)/1()(πρρ-==)34(31)/(4)(4303200r Rr dr R r r dq r q r-=-==⎰⎰πρπρfrom the shell theorems , within the spherical symmetry distribution )34(12)(41)(20020r Rr Rr r q r E -==ερπε (answer of b)R r r R Rdr dE 320)64(12*00=⇒=-=ερ 00200*max 9])32(3324[12)(ερερRR R R R r E E =-⨯== 19. S: j yV i x V V gradV y x E∂∂-∂∂-=-∇=-=),( )0.20.2(y x x VE x +-=∂∂-= x yV E y 0.2-=∂∂-= )/(480.2)0.20.2()0.2,0.2(m V j i j x i y x E--=-+-=20. S: Q in = - q , Q out = q (answer ) 1010241241)0(R qq V q πεπε==104)0(R qV in πε-=204)0(R q V o u t πε=)0()0()0()0(out in q V V V V ++= )11(4210R R q +=πε21. S: from the planar symmetry and superposition principle, Emust in normal direction of the plates and 1σ,2σ,3σ,4σ must be const. Fromcharge conservationA Q S =+)(21σσ ⇒ SQ A=+21σσ (1) B Q S =+)(43σσ ⇒ SQ B=+43σσ (2) Apply Gauss ’ law in the closed surface shown in Fig. 032=+σσ (3)within the metal, 0=p Ewhich leads to002222432104030201=-++⇒=-++σσσσεσεσεσεσFrom(1), (2), (3), (4) yield:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=+==S Q Q SQ Q B AB A 223241σσσσ (answer of a) (6 points) 004030201122222εεσεσεσεσS Q Q E BA p -=--+= (1 point) 004030201222222εεσεσεσεσS Q Q E BA p +=+++=(1 point) (answer of b) d S Q Q d E d E V BA p AB 012ε-==⋅= (2 points) (answer of c)27.33()(32)18w F x dx x dx J ==+=⎰⎰;at x=3m212W mV =, 6/V m s =。
材料现代分析方法习题及答案优选全文

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产生X射线需具备什么条件?答:实验证实:在高真空中, 凡高速运动的电子碰到任何障碍物时, 均能产生X射线, 对于其他带电的基本粒子也有类似现象发生。
电子式X射线管中产生X射线的条件可归纳为:1, 以某种方式得到一定量的自由电子;2, 在高真空中, 在高压电场的作用下迫使这些电子作定向高速运动;3, 在电子运动路径上设障碍物以急剧改变电子的运动速度。
分析下列荧光辐射产生的可能性, 为什么?(1)用CuKαX射线激发CuKα荧光辐射;(2)用CuKβX射线激发CuKα荧光辐射;(3)用CuKαX射线激发CuLα荧光辐射。
答: 根据经典原子模型, 原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上, 在稳定状态下, 每个壳层有一定数量的电子, 他们有一定的能量。
最内层能量最低, 向外能量依次增加。
根据能量关系, M、K层之间的能量差大于L、K成之间的能量差, K、L层之间的能量差大于M、L层能量差。
由于释放的特征谱线的能量等于壳层间的能量差, 所以Kß的能量大于Ka的能量, Ka能量大于La的能量。
(1)因此在不考虑能量损失的情况下:(2)CuKa能激发CuKa荧光辐射;(能量相同)(3)CuKß能激发CuKa荧光辐射;(Kß>Ka)(4)CuKa能激发CuLa荧光辐射;(Ka>la)F的物理意义。
西尔斯当代大学物理13版答案

西尔斯当代大学物理13版答案1、85.在“用托盘天平称物体的质量”的实验中,下列哪项操作是错误的()[单选题] * A.使用天平时,应将天平放在水平工作台面上B.天平调平后在称量过程发现横梁不平衡,此时可以通过调节平衡螺母使横梁平衡(正确答案)C.称量时左盘应放置待称量的物体,右盘放置砝码D.观察到指针指在分度盘的中线处,确定天平已平衡2、50.下列说法中错误的是()[单选题] *A.在同种介质中,光沿直线传播(正确答案)B.日食、月食的形成说明光沿直线传播C.15℃时,声音在空气中的传播速度约是340 m/sD.光在真空中的传播速度是3×108m/s,光年是距离的单位3、75.在生产和生活中,人们常以密度作为选择材料的主要因素。
下面属于主要从密度的角度考虑选材的是()[单选题] *A.用水做汽车发动机的冷却液B.用塑料做电源插座外壳C.用塑料泡沫做表演场景中的“滚石”(正确答案)D.用橡胶作为汽车轮胎的材料4、2.先启动计时器,再释放小车.[判断题] *对(正确答案)错5、家庭电路中与灯泡串联的开关可以接在火线上,也可以接在零线上[判断题] *对错(正确答案)答案解析:开关接火线6、49.小苗夜间路过一盏路灯时,在路灯光的照射下,她在地面上影子的长度变化情况是()[单选题] *A.先变长,后变短B.先变短,后变长(正确答案)C.逐渐变短D.逐渐变长7、重锤线可以检测墙上的画是否挂正,这利用重力的方向垂直于支持面[判断题] *对错(正确答案)答案解析:重力的方向是竖直向下8、7.关于粒子和宇宙,下列说法正确的是()[单选题] *A.松软的馒头用手一捏体积会大大缩小,这说明分子间存在间隙B.原子核式结构模型提出原子是由质子和中子构成C.炒菜时油烟上升能说明分子在做无规则运动D.宇宙是一个有层次的天体结构系统,它是有起源的、膨胀的和演化的(正确答案)9、4.力F的大小为100 N,它的一个分力F1的大小为60 N,则另一个分力一定大于40 N.[判断题] *对错(正确答案)10、31.在炎热的夏天,下列能有效降低室内气温的办法是()[单选题] *A.关闭门窗,不让外界的热空气进来B.在地上洒一些水(正确答案)C.打开电风扇D.打开电冰箱的门,散出冷空气11、53.下列实例中不能用光的直线传播解释的是()[单选题] *A.水中倒影(正确答案)B.手影的形成C.日食和月食D.小孔成像12、25.一种A4打印纸,包装袋上标有“80g/m2”的字样,一包有500张,小丽用刻度尺测出50张纸的厚度是50cm,则下列说法正确的是()[单选题] *A.一张这种规格的打印纸的厚度为01mmB.这种规格打印纸的密度为8g/cm3(正确答案)C.80g/m2的含义是每立方米的A4纸的质量为80gD.小丽测50张纸厚度,而不是测1张纸厚度,是为了改正测量错误13、61.关于微观粒子的发现与提出,下列说法正确的是()[单选题] *A.电子是英国物理学家卢瑟福发现的B.原子的核式结构模型是盖尔曼提出的C.中子是由查德威克发现的(正确答案)D.夸克是比中子、质子更小的微粒,是由英国物理学汤姆生提出的14、3.一个力F和它的两个分力都是物体实际受到的力.[判断题] *对错(正确答案)15、55.关于粒子和宇宙,下列说法中错误的是()[单选题] *A.分子间只存在相互作用的吸引力(正确答案)B.宇宙是一个有层次的天体结构系统C.电子的发现揭示了原子是可分的D.分子是由原子构成的,分子间有空隙16、下列选项中符合安全用电要求的是()[单选题]A.用湿手拨动空气开关B.电线的绝缘皮破损时应及时更换(正确答案)C.在未断开电源开关的情况下更换灯泡D.把用电器的三脚插头改为两脚插头接在两孔插座上使用17、15.学习科学知识的价值之一,是主动将所学知识创造性地服务于社会。
高中物理选修3-5近代物理基础练习有答案

第1节波粒二象性1.在光电效应的实验结果中,与光的波动理论不矛盾的是()A.光电效应是瞬时发生的B.所有金属都存在极限频率C.光电流随着入射光增强而变大D.入射光频率越大,光电子最大初动能越大解析:选C光具有波粒二象性,即既具有波动性又具有粒子性,光电效应证实了光的粒子性。
因为光子的能量是一份一份的,不能积累,所以光电效应具有瞬时性,这与光的波动性矛盾,A项错误;同理,因为光子的能量不能积累,所以只有当光子的频率大于金属的极限频率时,才会发生光电效应,B项错误;光强增大时,光子数量和能量都增大,所以光电流会增大,这与波动性无关,C项正确;一个光电子只能吸收一个光子,所以入射光的频率增大,光电子吸收的能量变大,所以最大初动能变大,D项错误。
2.在光电效应实验中,用同一种单色光,先后照射锌和银的表面,都能产生光电效应。
对于这两个过程,下列四个物理量中,一定不同的是________。
A.遏止电压B.饱和光电流C.光电子的最大初动能D.逸出功解析:不同金属的逸出功一定不同,用同一种光照射,由爱因斯坦光电效应方程E k=hν-W0知,光电子的最大初动能一定不同,而E k=eU c,可见遏止电压也一定不同,A、C、D 均正确;同一种光照射同一种金属,入射光越强,饱和电流越大,因此可以调节光的强度,实现锌和银产生光电效应的饱和光电流相同,B错误。
答案:ACD3.一束由两种频率不同的单色光组成的复色光从空气射入玻璃三棱镜后,出射光分成a、b两束,如图所示,则a、b两束光()A.垂直穿过同一块平板玻璃,a光所用的时间比b光长B.从同种介质射入真空发生全反射时,a光临界角比b光的小C.分别通过同一双缝干涉装置,b光形成的相邻亮条纹间距小D.若照射同一金属都能发生光电效应,b光照射时逸出的光电子最大初动能大解析:选AB由光的色散图像可知,a光的折射程度比b光的大,因此玻璃对a光的折射率大,a光的频率高,光子能量大,波长短,由v=cn可知,在同一介质中a光的传播速度小,因此垂直穿过同一块平板玻璃,a光所用的时间长,A项正确;由sin C=1n可知,从同种介质射入真空发生全反射时,a光的临界角小,B项正确;由Δx=ldλ可知,经同一双缝干涉装置,a光形成的相邻亮纹间距小,C项错误;由爱因斯坦光电效应方程E k=hν-W0可知,照射同一金属发生光电效应,a 光产生的光电子的最大初动能大,D 项错误。
2025高考物理步步高同步练习选修3第三章 热力学定律热力学第二定律含答案

2025高考物理步步高同步练习选修3第三章热力学定律4热力学第二定律[学习目标] 1.通过自然界中客观过程的方向性,了解热力学第二定律.2.了解热力学第二定律的两种不同表述,以及两种表述的物理实质.3.能运用热力学第二定律解释自然界中的能量转化、转移以及宏观自然过程的方向性问题.4.认识能量耗散,知道能源是有限的.一、热力学第二定律1.定义:在物理学中,反映宏观自然过程的方向性的定律.2.热力学第二定律的克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体.(该表述阐述的是传热的方向性)3.热力学第二定律的开尔文表述:(1)热机①热机工作的两个阶段:第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的化学能变成工作物质的内能;第二个阶段是工作物质对外做功,把自己的内能变成机械能.②热机用于做功的热量一定小于它从高温热库吸收的热量,即W<Q.(2)热力学第二定律的开尔文表述:不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响.(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)4.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价(选填“等价”或“不等价”)的.二、能源是有限的1.能源:具有高品质的容易利用的储能物质.2.能量耗散:使用的能源转化成内能分散在环境中不能自动聚集起来驱动机器做功,这样的转化过程叫作“能量耗散”.3.能源的使用过程中虽然能的总量保持守恒,但能量的品质下降了,能源减少了.1.判断下列说法的正误.(1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的.(√)(2)机械能可以完全转化为内能,而内能不可能完全转化为机械能.(×)(3)可以从单一热库吸收热量,使之完全变为功.(√)(4)只要对内燃机不断地改进,内燃机得到的内能可以全部转化为机械能.(×)(5)能量耗散会导致总能量减少,也会导致能量品质降低.(×)2.热量总是自发地从高温物体传递给低温物体,这说明传热过程具有________.冰箱工作时,能把冰箱内的热量传递到冰箱外,这________(填“违反”或“不违反”)热力学第二定律.答案方向性不违反一、对热力学第二定律的理解导学探究1.传热的方向性能否简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”?答案不能.两个温度不同的物体相互接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体,使高温物体的温度降低,低温物体的温度升高,这个过程是自发进行的,不需要任何外界的影响或者帮助,有时我们也能实现热量从低温物体传给高温物体,如电冰箱,但这不是自发地进行的,需要消耗电能.2.如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图,通过此图思考以下问题:(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗?(2)热机工作时能否将从高温热库吸收的热量全部用来做功?答案(1)不是(2)不能知识深化1.自然过程的方向性(1)热传导具有方向性两个温度不同的物体相互接触时,热量会自发地从高温物体传给低温物体,而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体,要实现低温物体向高温物体传递热量,必须借助外界的帮助,因而产生其他影响或引起其他变化.(2)气体的扩散现象具有方向性两种不同的气体可以自发地进入对方,最后成为均匀的混合气体,但这种均匀的混合气体,决不会自发地分开,成为两种不同的气体.(3)机械能和内能的转化过程具有方向性物体在地面上运动,因摩擦而逐渐停止下来,但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后,在地面上重新运动起来.(4)气体向真空膨胀具有方向性气体可自发地向真空容器内膨胀,但绝不可能出现气体自发地从容器中流出,使容器内变为真空.2.在热力学第二定律的表述中,“自发地”“不产生其他影响”“单一热库”“不可能”的含义(1)“自发地”是指热量从高温物体自发地传给低温物体的方向性.在传递过程中不会对其他物体产生影响或借助其他物体提供能量等.(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成,对周围环境不产生热力学方面的影响.如吸热、放热、做功等.(3)“单一热库”:指温度均匀并且恒定不变的系统.若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定,则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作,从而可以对外做功.据报道,有些国家已在研究利用海水上下层温度不同来发电.(4)“不可能”:实际上热机或制冷机系统循环时,除了从单一热库吸收热量对外做功,以及热量从低温热库传到高温热库以外,过程所产生的其他一切影响,不论用任何的办法都不可能加以消除.特别提醒(1)热力学第二定律的两种表述是等价的.(2)热力学第二定律的实质:热力学第二定律的每一种表述,都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性,使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.例1下列过程中可能发生的是()A.某种物质从高温热源吸收20 kJ的热量,全部转化为机械能,而没有产生其他任何影响B.打开一高压密闭容器,其内气体自发逸出后又自发跑进去,恢复原状C.利用其他手段,使低温物体的温度更低,高温物体的温度更高D.将两瓶不同液体混合,然后它们又自发地各自分开答案 C解析根据热力学第二定律,热量不可能从低温物体自发地传递给高温物体,而不引起其他的影响,但通过一些其他手段是可以实现的,故C项正确;内能转化为机械能不可能自发地进行,要使内能全部转化为机械能必定要引起其他变化,故A项错误;气体膨胀具有方向性,故B项错误;扩散现象也有方向性,故D项错误.例2根据热力学第二定律可知,下列说法中正确的是()A.不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化B.没有冷凝器,只有单一的热库,能将从单一热库吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机是可以实现的C.制冷系统将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气中,而不引起其他变化D.如果没有摩擦漏气,热机效率可以达到100%答案 A解析热力学第二定律揭示了与热现象有关的物理过程的方向性,机械能和内能的转化过程具有方向性,机械能可以全部转化为内能,而内能要全部转化为机械能必须借助外部的帮助,即会引起其他变化,A选项正确,B选项错误;传热过程也具有方向性,热量能自发地从高温物体传给低温物体,但是热量要从低温物体传到高温物体,必然要引起其他变化(外界对系统做功),C选项错误;热机效率无法达到100%,D选项错误.1.一切物理过程均遵循能量守恒定律,但遵循能量守恒定律的物理过程不一定均能实现.2.热力学第二定律的两种表述分别对应着一种“不可能”,但都有一个前提条件“自发地”或“不产生其他影响”,如果去掉这种前提条件,就都是有可能的.例如电冰箱的作用就是使热量从低温物体传到高温物体,等温膨胀就是从单一热库吸收热量,使之完全用来做功,但不是自发地或是产生了其他影响.二、热力学第一定律和热力学第二定律的比较1.两定律的比较热力学第一定律热力学第二定律区别是能量守恒定律在热力学中的表现,否定了创造能量和消灭能量的可能性,从而否定了第一类永动机是关于在有限空间和时间内,一切和热现象有关的物理过程、化学过程具有不可逆性的经验总结,从而否定了第二类永动机联系两定律分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律,二者既相互独立,又相互补充,都是热力学的理论基础2.两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机设计要求不消耗任何能量,可以不断做功(或只给予很少的能量启动后,可以永远运动下去)将内能全部转化为机械能,而不引起其他变化(或只有一个热库,实现内能向机械能的转化)不可能制违背了能量守恒定律违背了热力学第二定律成的原因例3对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解,下列说法正确的是()A.一定质量的气体膨胀对外做功100 J,同时从外界吸收120 J 热量,则它的内能增加20 J B.物体从外界吸收热量,其内能一定增加,物体对外界做功,其内能一定减少C.第二类永动机和第一类永动机一样,都违背了能量守恒定律D.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,在传热中,热量只能从高温物体传递给低温物体,而不能从低温物体传递给高温物体答案 A解析根据热力学第一定律知,ΔU=W+Q=-100 J+120 J=20 J,说明内能增加了20 J,故A正确;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,ΔU的大小由W、Q共同决定,说明物体从外界吸收热量,其内能不一定增加,物体对外界做功,其内能不一定减少,故B错误;第二类永动机没有违背能量守恒定律,不能制成是因为它违背了热力学第二定律,故C错误;通过做功的方式可以使热量从低温物体传递给高温物体,如电冰箱制冷时热量从低温物体传递给高温物体,故D错误.例4(2020·全国卷)下列关于能量转换过程的叙述,违背热力学第一定律的有________,不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有____.(填正确答案标号)A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热B.冷水倒入保温杯后,冷水和杯子的温度都变得更低C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功,而不产生其他影响D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内答案B C解析A项符合热力学第一、第二定律.冷水和杯子温度不可能都变低,只能是一个升高一个降低,或温度都不变,B项描述违背了热力学第一定律.C项描述虽然不违背热力学第一定律,但违背了热力学第二定律.D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发到温度较高的室内,不违背热力学第二定律.三、能源与能量耗散导学探究1.流动的水带动水磨做功,由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压,使磨盘和粮食的温度升高,水流的一部分机械能转变成了内能,这些内能最终流散到周围的环境中,我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用.可见,内能与机械能相比,哪种能量的品质低?答案内能.2.如图所示是两幅宣传节约能源的图片.请问:既然能量是守恒的,我们为什么还要节约能源?答案能量是守恒的,但能量耗散却导致能量品质的降低,在利用它们的时候,高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量.知识深化能量与能源的区别1.能量是守恒的,既不会增加也不会减少.2.能源是具有高品质的容易利用的储能物质.3.能量耗散,能量总量不变,但能量品质会下降即能源减少,故我们要节约能源.例5(2021·河北巨鹿中学高二期中)关于能量和能源,下列说法正确的是()A.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造B.在能源的利用过程中,由于能量在数量上并未减少,所以不需要节约能源C.自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性D.能量耗散现象说明:在能量转化的过程中,虽然能量的总量并不减少,但能量品质提升了答案 C解析根据能量守恒定律,能量是不能被创造的,选项A错误;在能源的利用过程中,虽然能量在数量上并未减少,但是能源的品质在降低,所以还需要节约能源,选项B错误;根据热力学第二定律可知,自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性,选项C正确;能量耗散现象说明:在能量转化的过程中,虽然能量的总量并不减少,但能量品质降低了,选项D错误.考点一对热力学第二定律的理解1.关于自然过程中的方向性,下列说法正确的是()A.摩擦生热的过程是可逆的B.凡是符合能量守恒的过程一般都是可逆的C.涉及热现象的宏观自然过程都具有“单向性”或“不可逆性”D.空调机既能制冷又能制热,说明传热不存在方向性答案 C2.把水和酒精混合后,用蒸发的方式又可以分开,然后液化恢复到原来的状态,这说明() A.扩散现象没有方向B.将水和酒精分开时,引起了其他变化,故扩散具有方向性C.将水和酒精分开时,并没有引起化学变化,故扩散现象没有方向性D.用本题的实验,无法说明扩散现象是否具有方向性答案 B解析由题意可知,两者混合时是自动发生的,但两者分离时,要先加热后冷却,也就是说,向分离与向混合这两个方向的发展是可以通过过程是否自动完成、是否需要外加其他手段才能完成来区分的,因此,可以证明扩散是有方向性的,B正确,A、C、D错误.3.如图所示为电冰箱的工作原理示意图.压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环.在蒸发器中制冷剂汽化,吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外.下列说法中正确的是()A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能C.电冰箱的工作原理违背了热力学第二定律D.电冰箱的工作原理违背了热力学第一定律答案 B4.(2022·南通市高二开学考试)小华为参加电视台《异想天开》节目,提出了下列4个设想方案,从理论上讲可行的是()A.制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其他影响B.将屋顶盖上太阳能板,可用太阳能来解决照明和热水问题C.制作一种制冷设备,使温度降至绝对零度以下D.汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气,想办法使它们自发分离,既清洁了空气,又变废为宝答案 B解析根据热力学第二定律知,在不产生其他影响时,内能不能全部转化为机械能,因此从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其他影响是不可能实现的,故A错误;利用太阳能最有前途的领域是通过太阳能电池将太阳能直接转化为电能再加以利用,解决照明和热水问题,故B正确;绝对零度是温度的极值,是不能达到的,故C错误;根据热力学第二定律可知,汽车尾气中各类有害气体不能自发分离,要在排气管上安装催化转化器,故D错误.5.(2021·盐城实验高中高二期中)关于两类永动机和热力学两大定律,下列说法正确的是()A.第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第一定律B.第一类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能,传热也不一定改变内能,但同时做功和传热一定会改变内能D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的,从单一热库吸收热量,完全变成功也是可能的答案 D解析第一类永动机违背了能量守恒定律,第二类永动机违背了热力学第二定律,A、B错误;由热力学第一定律可知W≠0,Q≠0,但ΔU=W+Q可以等于0,C错误;由热力学第二定律可知选项D中的现象是可能的,但会产生其他影响,D正确.考点二能源与能量耗散6.(2022·江苏省高二学业考试)关于能量和能源,下列说法中正确的是()A.能量在转化和转移过程中,其总量有可能增加B.能量在转化和转移过程中,其总量会不断减少C.能量在转化和转移过程中总量保持不变,故节约能源没有必要D.能量的转化和转移具有方向性.且现有可利用的能源有限,故必须节约能源答案 D解析能量在转化和转移过程中,总量是守恒的,但品质降低了,且现有可利用的能源有限,故必须节约能源,选项D正确.7.(2021·江苏宜兴市张渚高级中学高二期中)热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象.所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用.下列关于能量耗散的说法中正确的是()A.能量耗散说明能量不守恒B.能量耗散不符合热力学第二定律C.能量耗散使能量的总量减少D.能量耗散是从能量转化的角度,反映出自然界中的宏观过程具有方向性答案 D解析能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来,满足能量守恒定律,也符合热力学第二定律,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了.能量耗散反应了涉及热运动的宏观过程都具有方向性,所以A、B、C错误,D正确.8.如图所示,汽缸内装有一定质量的理想气体,汽缸壁是导热的,汽缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触面是光滑的,但不漏气.现将活塞与杆连接,使其缓慢地向右移动,这样气体将等温膨胀并对外做功.若已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的是()A.气体是从单一热库吸热,全部用来对外做功,所以此过程违反了热力学第二定律B.气体是从单一热库吸热,但并未全部用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律C.气体是从单一热库吸热,全部用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律D.以上三种说法都不对答案 C解析此过程虽然是气体从单一热库吸热,全部用来对外做功,但引起了其他变化,所以此过程不违反热力学第二定律,故选C.9.如图所示,用两种不同的金属丝组成一个回路,接触点1插在一杯热水中,接触点2插在一杯冷水中,此时灵敏电流计的指针会发生偏转,这就是温差发电现象,根据这一现象,下列说法中正确的是()A .这一过程违反了热力学第二定律B .这一过程违反了热力学第一定律C .热水和冷水的温度将发生变化D .这一过程违反了能量守恒定律答案 C解析 任何宏观的实际热现象都符合热力学第二定律,故A 错误;吸放热和做功均会改变内能,该过程没有违反热力学第一定律,故B 错误;在实验过程中,热水内能减少,一部分转移到低温物体,一部分转化为电能,热水一定会降温,冷水一定会升温,故C 正确;能量守恒定律是普适定律,在实验过程中,热水的内能部分转化成电能,电能也部分转化成冷水的内能,符合能量守恒定律,故D 错误.本章知识网络构建⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧ 内能⎩⎨⎧ 功与内能:在绝热情况下,功是内能变化的量度热与内能:只发生传热时,热量是内能变化的量度做功和传热在改变内能上是等价的热力学第一定律⎩⎨⎧ 内容:一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所 做的功的和表达式:ΔU =W +Q 能量守恒定律⎩⎨⎧ 能量守恒定律第一类永动机不能制成的原因:违背能量守恒定律热力学第二定律⎩⎪⎨⎪⎧ 克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体开尔文表述:不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他 影响第二类永动机不能制成的原因:违背了热力学第二定律能源是有限的热力学第一定律与气体实验定律的综合应用1.(2021·江苏东台创新高级中学高二月考)为做好新冠肺炎疫情防控,学校用如图所示的压缩式喷雾器对教室走廊等场所进行消杀工作.给储液罐打足气,打开开关就可以让药液喷洒出来.若罐内气体温度保持不变,随着药液的不断喷出,则罐内气体( )A .内能不断减小B .压强不断减小C .外界对气体做功D .气体对外放热答案 B解析 由于罐内气体温度保持不变,故内能保持不变,A 错误;随着药液的不断喷出,气体的体积增大,由理想气体状态方程可知,压强不断减小,B 正确;气体的体积增大,气体对外做功,而气体的内能不变,由热力学第一定律可知,气体吸收热量,C 、D 错误.2.(2021·江苏南京市第十三中学高二期末)如图所示,一定质量理想气体的体积V 与温度T 关系图像,它由状态A 经等温过程到状态B ,再经等容过程到状态C .则下列说法中正确的是( )A .在A 、B 、C 三个状态中B 对应的压强最大B .在A 、B 、C 三个状态中C 对应的压强最大C .AB 过程中外界对气体做功,内能增加D .BC 过程中气体吸收热量,内能不变答案 B解析 由题图图像知,状态C 的温度最高、体积最小,则由pV T=C 知,状态C 对应的压强最大,A 错误,B 正确;AB 过程中,体积减小,外界对气体做功,温度不变,故内能不变,C 错误;BC 过程中,体积不变,外界对气体不做功,温度升高,内能增加,根据热力学第一定律可知,气体吸收热量,D 错误.3.(2021·盐城市高二期末)如图所示,一定质量的理想气体从状态A 开始,经历两个状态变化过程,先后到达状态B 和C .两条虚线分别表示状态A 或C 的等温线.下列说法正确的是( )A .气体在状态A 的内能最大B .气体在状态C 的分子平均速率最大C .AB 过程中,气体对外界做功,内能增加D .BC 过程中,外界对气体做功,内能减小答案 C解析 由题图图像可知,气体在状态B 的温度最高,则气体在状态B 的内能最大,气体在状态B 的分子平均速率最大,选项A 、B 错误;AB 过程中,气体体积变大,气体对外界做功,温度升高,则内能增加,选项C 正确;BC 过程中,气体体积不变,则外界对气体不做功,气体温度降低,则内能减小,选项D 错误.4.(2021·南京市高二期末)一定质量的某种理想气体,从状态A 变化到状态B ,再变化到状态C ,其状态变化过程的p -V 图像如图所示. 已知气体处于状态A 时的温度为300 K ,则下列判断正确的是( )A .气体处于状态C 时的温度是100 KB .在A 、B 和C 三个状态中,状态B 的分子平均动能最大C .从状态B 变化到状态C 过程中气体吸热D .从状态A 变化到状态C 过程中气体内能先减小后增大答案 B解析 由题意可知T A =300 K ,由于A →B 的过程为等压变化,则由V A T A =V B T B,代入数据解得T B =900 K ,B →C 过程是等容变化,则由p B T B =p C T C,代入数据解得T C =300 K ,在A 、B 和C。
西尔斯物理第23章课后习题答案

Chapter 23 Exercises23-3 a) For surface S 1, the electric flux is ()()221CL j L k D j C i B S E -=-⋅-+-=⋅=Φ .For surface S 2, the electric flux is ()()222DL k L k D j C i B S E -=⋅-+-=⋅=Φ .For surface S 3, the electric flux is ()()223CL j L k D j C i B S E =⋅-+-=⋅=Φ .For surface S 4, the electric flux is ()()224DL k L k D j C i B S E =-⋅-+-=⋅=Φ.For surface S 5, the electric flux is ()()225BL i L k D j C i B S E -=⋅-+-=⋅=Φ.For surface S 6, the electric flux is ()()226BL i L k D j C i B S E =-⋅-+-=⋅=Φb) The total electric flux is 0654321=Φ+Φ+Φ+Φ+Φ+Φ=Φ.23-6 a) Because the S1 encloses the charge q1, the electric flux through the S1 isb) Because the S2 encloses the charge q2, the electric flux through the S2 isc) Because the S3 encloses the charge q1and q2, the electric flux through the S3 isd) Because the S4 encloses the charge q1 and q3, the electric flux through the S4 ise) Because the S5 encloses the charge q1 ,q2 and q3, the electric flux through the S5 is23-8 a) When the spherical surface ’s radius is 0.500m, the charges q1 and q2 aren ’t closed by this surface, so the electric flux is zero. b) When the spherical surface ’s radius is 1.50m, the second charge q2 is closed by this surface, so the electric flux is)/(1045.01085.81000.426126011C m N q ∙⨯=⨯⨯==Φ---ε)/(1088.01085.81080.726126022C m N q ∙⨯-=⨯⨯-==Φ---ε)/(1043.01085.81080.71000.42612660213C m N q q ∙⨯-=⨯⨯-⨯=+=Φ----ε)/(1072.01085.81040.21000.42612660314C m N q q ∙⨯=⨯⨯+⨯=+=Φ----ε)/(1016.01085.81040.21080.71000.4261266603215C m N q q q ∙⨯-=⨯⨯+⨯-⨯=++=Φ-----εc) When the spherical surface ’s radius is 2.50m, these two charges enclose by the surface, so the electric flux is23-24 a) When r <a, the Gaussian surface doesn’t enclose any electric charges, so the magnitude of electric field is zero.When a <r <b, the Gaussian surface encloses the charge q, so the magnitude of electric field is When b <r <c, because the hollow sphere is a conductor, the electric field is zero inside it. When r>c, the Gaussian surface encloses the charge q, so the magnitude of electric field ise)b)c m N q 2612602/1068.01085.81000.6⨯-=⨯⨯-==Φ--εc m N q q 261266012/10025.01085.81000.61000.4⨯-=⨯⨯-⨯=+=Φ---ε204r qπε=Φ204r q πε=Φc) The negative charge –q is on the inner surface of the hollow sphere. d) The positive charge +q is on the outer surface of the hollow sphere.23-27 a) when r <a, the surface isn ’t closed any charge, so the electric field is E = 0 b) When a <r <b, the surface doesn ’t enclose any charge, so the electric field is E = 0 c) When b <r <c, the surface does enclose the charge +2q, so the electric field isd) When c <r <d, the surface doesn ’t enclose any net charge, so the electric flux is E = 0. e) When r > d, the surface does enclose the charge +2q and +4q, so the electric flux isThe total charge on the inner surface of the small shell is zero. The total charge on the outer surface of the small shell is +2q. The total charge on the inner surface of the large shell is -2q. The total charge on the outer surface of the large shell is +6q.23-28. a) when r <a, the surface doesn ’t closed any charge, so the electric field is E = 0. b) When a <r <b, the surface doesn ’t enclose any charge, so the electric field is E = 0. c) When b <r <c, the surface does enclose the charge +2q, so the electric field isd) When c <r <d, the surface doesn ’t enclose any net charge, so the electric flux is E = 0. e) When r > d, the surface does enclose the charge +2q and -2q, so the electric flux isO a b c d2042r q E πε=202046442r q r q q E πεπε=+=2042r q E πε=042220=-=rq q E πεThe total charge on the inner surface of the small shell is zero. The total charge on the outer surface of the small shell is +2q. The total charge on the inner surface of the large shell is -2q. The total charge on the outer surface of the large shell is zero.23-29. a) when r <a, the surface doesn ’t closed any charge, so the electric field is E = 0. b) When a <r <b, the surface doesn ’t enclose any charge, so the electric field is E = 0. c) When b <r <c, the surface does enclose the charge +2q, so the electric field ise) When r > d, the surface does enclose the charge +2q and -4q, so the electric flux isThe total charge on the inner surface of the small shell is zero. The total charge on the outer surface of the small shell is +2q. The total charge on the inner surface of the large shell is -2q. The total charge on the outer surface of the large shell is -2q.23-33 a) Between the cylinders, using the Gauss ’s law,the electric field isb) At any point outside the outer cylinder, the electric field isc)O a b c2c2042r q E πε=202042442r q r q q E πεπε-=-=⎰=⋅sq s d E 0ε 02ελπl l r E =⋅⋅r E 02πελ=r E 02πελ=。
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30.1: a) V ,0.270/s)A 830(H)1025.3()/(412=⨯==-dt di M ε and is constant. b) If the second coil has the same changing current, then the induced voltage is the same and V .270.01=ε30.2: For a toroidal solenoid, .2/and ,/110B 1222r A i N i N M B πμ=ΦΦ=So, .2/210r N AN M πμ=30.3: a) H.1.96A)(6.52/Wb)0320.0()400(/122==Φ=i N M Bb) When Wb.107.11(700)/H)(1.96A)54.2(/A,54.2312B 21-⨯===Φ=N M i i30.4: a) H.106.82s)/A 0.242(/V 1065.1)/(/332--⨯=-⨯==dt di M ε b) A,20.1,2512==i NWb.103.2725/H)10(6.82A)20.1(/43212--⨯=⨯==Φ⇒N M i Bc) mV .2.45s)/A (0.360H)1082.6(/and s /A 360.0/3212=⨯===-dt Mdi dt di ε30.5: Ωs.1A)s /(V 1AC)s /(J 1A /J 1A /Nm 1A /Tm 1A /Wb 1H 1222=======30.6: For a toroidal solenoid, )./(//dt di i N L B ε=Φ= So solving for N we have:turns.238s)/A (0.0260Wb)(0.00285A)(1.40V)106.12()/(/3=⨯=Φ=-dt di i N B ε30.7: a) V.104.68s)/A (0.0180H)260.0()/(31-⨯===dt di L εb) Terminal a is at a higher potential since the coil pushes current through from b to a and if replaced by a battery it would have the + terminal at .a30.8: a) H.130.0m)120.0(2)m 1080.4()1800()500(2/252020m m =⨯==-πμπr A N μK K L b) Without the material, H.102.60H)130.0(500114m m -⨯===K L K L30.9: For a long, straight solenoid:.//and /200l A N μL l NiA μi N L B B =⇒=ΦΦ=30.10: a) Note that points a and b are reversed from that of figure 30.6. Thus, accordingto Equation 30.8, s./A 00.4H 0.260V 04.1-===--L V V dt dia b Thus, the current is decreasing.b) From above we have that .)s /A 00.4(dt di -= After integrating both sides of thisexpression with respect to ,t we obtainA.4.00s)(2.00A/s)(4.00A)0.12(s)/A 00.4(=-=⇒∆-=∆i t i30.11: a) H.0.250A/s)(0.0640/V )0160.0()/(/===dt di L εb) Wb.104.50(400)/H)(0.250A)720.0(/4-⨯===ΦN iL B30.12: a) J.540.02/A)(0.300H)0.12(2122===LI Ub) W.2.16)180(A)300.0(22=Ω==R I Pc) No. Magnetic energy and thermal energy are independent. As long as the current is constant, constant.=U30.13: πrAl N μLI U 4212202==turns.2850A)0.12()m 1000.5(J)(0.390 m)150.0(44224020=⨯==⇒-μπAI μπrU N30.14: a) J.101.73h)/s 3600h/day (24W)200(7⨯=⨯==Pt Ub) H.5406A)(80.0J)1073.1(22212722=⨯==⇒=I U L LI U30.15: Starting with Eq. (30.9), follow exactly the same steps as in the text except that the magnetic permeability μ is used in place of .0μ30.16: a) free space: J.3619)m 0290.0(2T)(0.560V 2V 30202====μμB u U b) material with J.04.8)m 0290.0()450(2T)(0.560V 2V 4503020m 2m ====⇒=μμK B u U K30.17: a) 32602002m 1.25T)(0.600J)1060.3(22Volume 2=⨯==⇒==μμμB U B Vol U u . b) T.9.11T 4.141m)(0.400J)1060.3(22236002=⇒=⨯==B Vol U B μμ30.18: a) .mT 35.4)m 0690.0(2)A 50.2()600(200===πμπμr NI Bb) From Eq. (30.10), .m /J 53.72)T 1035.4(2302302=⨯==-μμB u c) Volume .m 1052.1)m 1050.3()m 0690.0(22V 3626--⨯=⨯==ππrAd) .J 1014.1)m 1052.1()m /J 53.7(5363--⨯=⨯==uV Ue) .H 1065.3)m 0690.0(2)m 1050.3()600(26262020--⨯=⨯==πμπμr A N L J 1014.1)A 50.2()H 1065.3(21215262--⨯=⨯==LI U same as (d).30.19: a) .s /A 40.2H50.2V00.60When .==⇒=-=dt di i L iR dt di εb) When .A/s 800.0H 50.2)00.8()A 500.0(V 00.6A 00.1=Ω-=⇒=dt di i c) At A.413.0)1(8.00V00.6)1(s 200.0s)(0.250H)50.2/00.8()/(=-Ω=-=⇒=Ω--e e R εi t t L R d) As A.750.08.00V00.6=Ω=→⇒∞→R i t ε30.20: (a) mA,30A 030.01000V30max ===Ωi long after closing the switch.)bV4.0V 26V 30εV 26A)(0.0259Ω)(1000A0.0259e 1A 0.030)e(1R Battery L R )(max 1020=-=-=====⎪⎭⎫⎝⎛-=-=--V V Ri V i i μs μsR /L /t(or, could use s)20at μ==t L V dtdiL c)30.21: a) R L e R i t /),1(//=-=-τετ2121m ax m ax and ,)(1when 2/so /==-==--τ/t τ/t e e i i R εiμs L t τ/t 3.1750.0H)10(1.252)ln (R ln2and )(ln 321=Ω⨯===-- b) m ax 221m ax 221;Li U Li U ==2/when m ax m ax 21i i U U ==2929.02/11e so 211//=-==---τt τt e μs L t 30.7R /ln(0.2929)=-=30.22: a) A 13.2H0.115J)260.0(22212===⇒=L UI LI UV .256)(120A)13.2(=Ω==⇒IR εb) ⎪⎭⎫⎝⎛=====--20)/(222)/(2121212121and LI U e Li Li U Ie i t L R t L Rs.1032.321ln )2(120H 115.021ln 2214)/(2--⨯=⎪⎭⎫⎝⎛Ω-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⇒=⇒R L t e t L R30.23: a) A.250.0240V600=Ω==RI εb) A.137.0A)250.0()s 10(4.00H)0.160/(240)/(04===-⨯Ω--e eI i tL R c) ,V 9.32)240()A 137.0(=Ω===iR V V ab cb and c is at the higher potential.d).s 1062.421ln )240()H 160.0(21ln 2142/1)/(02/1--⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛Ω-=⎪⎭⎫⎝⎛-=⇒==R L t e I i t L R30.24: a) .V 60and 00At ==⇒=bc ab v v t b) .0and V 60As →→⇒∞→bc ab v v tc) .V 0.24V 0.36V 0.60and V 0.36A 150.0When =-===⇒=bc ab v iR v i30.25: a) )1(00.8)V 00.6()1()1()H 50.2/00.8(2)/(2)/(0t t L R t L R e e R eI i P Ω----Ω=-=-==εεε ).1()W 50.4()s20.3(1te P ---=⇒b) 2)H 50.2/00.8(22)/(22)1(00.8)V 00.6()1(t t L R R e eR εR i P Ω---Ω=-== .)1()W 50.4(2)s20.3(1tR e P ---=⇒c) )()1()/(2)/(2)/()/(t L R tL R t L R t L R L e eRεe L εL e R εdt di iL P -----=⎪⎭⎫ ⎝⎛-== ).()W 50.4()s 40.6()s 20.3(11ttL eeP -----=⇒d) Note that if we expand the exponential in part (b), then parts (b) and (c) add to give part (a), and the total power delivered is dissipated in the resistor and inductor.30.26: When switch 1 is closed and switch 2 is open:.)/(ln 0)/(0000L R t i I te I i t LRI i t d L R i i d L R i dt di iR dt di L -=⇒-=⇒'-=''⇒-=⇒=+⎰⎰30.27: Units of ==ΩΩ=Ω=s /)s (/H /R L units of time.30.28: a) πf LCω21==.H 1037.2)F 1018.4()106.1(414131226222--⨯=⨯⨯==⇒ππC f L b) F.1067.3)H 1037.2()1040.5(4141113252m in 22m ax --⨯=⨯⨯==ππL f C30.29: a) )F 1000.6()H 50.1(2225-⨯===πLC πωπT s.rad 105,s 0596.0==ωb) .C 1020.7)V 0.12)(F 1000.6(45--⨯=⨯==CV Qc) .J 1032.4)V 0.12)(F 1000.6(212132520--⨯=⨯==CV Ud) .0)cos(,0At =⇒+===φφωt Q Q q t⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯===--)F 1000.6)(H 50.1(s 0230.0cos)C 1020.7()cos(s,0230.054ωt Q q t C.1043.54-⨯-=Signs on plates are opposite to those at .0=te) )sin(,s 0230.0ωt ωQ dtdqi t -===A.0.0499H)10(6.00H)(1.50s 0.0230sinH)10H)(6.00(1.50C 107.20554-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯-=⇒---iPositive charge flowing away from plate which had positive charge at .0=tf) Capacitor: .J 102.46F)102(6.00C)10(5.43235242---⨯=⨯⨯==C q U C Inductor: .J 101.87A)(0.0499H)50.1(2121322-⨯===Li U L30.30: (a) Energy conservation says (max ) = (max )C L U UA0.871H1012F1018V)22.5(CV 212136max 22max =⨯⨯===--L C V i LiThe charge on the capacitor is zero because all the energy is in the inductor. (b)LC T πωπ22==at 41 period: F)10(18H)10(122)2(414163--⨯⨯==ππLC Ts 1030.74-⨯=at 43 period: s 1019.2)s 1030.7(34334--⨯=⨯=T(c) C CV q μμ405)V (22.5F)18(0===30.31: F 0.30V1029.4C1015039μ=⨯⨯==--V Q C For an L-C circuit, LC ω1=and LC ωπT π22==mH 601.0)2(2==CT L π30.32: rad/s 1917)F 1020.3()H 0850.0(16=⨯=-ωa) C 1043.4srad 1917A 1050.874max maxmax max --⨯=⨯==⇒=ωi Q ωQ i b) From Eq. 31.26 2142722s 1917A 1000.5)C 1043.4(⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-⨯=-=---LCi Q q.C 1058.37-⨯=30.33: a) )s A 80.2()F 1060.3()H 640.0(01622-⨯==⇒=+dt di LC q q LC dtq d C.1045.66-⨯=b) .V 36.2F1060.3C1050.866=⨯⨯==--C q ε30.34: a) .m ax m ax m ax m ax m ax LC i ωiQ ωQ i ==⇒=J 450.0)F 1050.2(2)C 1050.1(2.C 1050.1)F 1050.2()H 400.0()A 50.1(1025max2max 510max =⨯⨯==⇒⨯=⨯=⇒----C Q U Q b) 1410s 1018.3)F 1050.2()H 400.0(11222--⨯=⨯===πππωLC f (must double the frequency since it takes the required value twice per period).30.35: [].s s A A1s s C V ΩV C s ΩV C H F H ][222s LC LC =⇒=⋅⋅=⋅⋅=⋅⋅=⋅=⋅=30.36: Equation (30.20) is .0122=+q LC dtq d We will solve the equation using: .110)cos()cos(1).cos()sin()(cos 2222222LC ωLC ωt LC Q ωt Q ωq LC dt q d ωt Q ωdtqd ωt ωQ dt dq ωt Q q =⇒=⇒=+++-=+⇒+-=⇒+-=⇒+=ωφφφφφ30.37: a) .)(cos 2121222C ωt Q C q U C φ+==.1since ,)(sin 21)(sin 21212222222LCωCωt Q ωt Q L ωLi U L =+=+==φφ b) )(sin 21)(cos 2122222Total φφ+++=+=ωt Q L ωωt C Q U U U L C )(sin 121)(cos 212222φφ+⎪⎭⎫ ⎝⎛++=ωt Q LC L ωt C Q ))(sin )((cos 21222φφ+++=ωt ωt CQ Total 221U CQ ⇒=is a constant.30.38: a) )cos()2/(φ+'=-t ωAe q t L R)sin(22)cos(2).sin()cos(2)2/()2/(222)2/()2/(φφφφ+''++'⎪⎭⎫⎝⎛=⇒+''-+'-=⇒----t ωe L R A ωt ωe L R A dt q d t ωAe ωt ωe LR A dt dq t L R t L R t L R t L R ).cos()2/(2φ+''--t ωAe ωt L R222222222410122L RLC ωLC L R L R q LC q dt dq L R dt q d -='⇒=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-'-⎪⎭⎫ ⎝⎛=++⇒ωb) :0,,0====dtdqi Q q t At .4//122tan 2and cos 0sin cos 2and cos 22LR LC L RωL RQ ωL QR Q A A ωA LRdt dq Q A q --='-='--=⇒='--===⇒φφφφφ30.39: Subbing ,1,,,Ck R b L m q x →→→→we find: a) Eq. (13.41): .0:)27.30.(Eq 02222=++→=++LCqdt dq L R dt q d m kx dt dx m b dt x db) Eq. (13.43): .41:)28.30.(Eq 42222LR LC ωm b m k ω-='→-=' c) Eq. (13.42): ).cos(:)28.30.(Eq )cos()2/()2/(φφ+'=→+'=--t ωAe q t ωAe x t L R t m b30.40: .A V V C s F H 2Ω=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⇒Ω=⋅Ω=⋅Ω==⎥⎦⎤⎢⎣⎡C L C L30.41: LC LC L R LC LC L R LC L R LC 61126114614122222-=⇒⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⇒=-='ω. 4.45F)10(4.60H)6(0.2851F)10(4.60H)(0.2851)H 285.0(244Ω=⨯-⨯=⇒--R30.42: a) When s.rad 298F)10(2.50H)(0.45011,050=⨯===-LCωRb) We want 22220)95.0(411)41(95.0=-=-⇒=LC R LC L R LC ωω .8.83F)10(2.50(0.0975)H)4(0.450))95.0(1(452Ω=⨯=-=⇒-C LR30.43: a)b) Since the voltage is determined by the derivative of the current, the V versus t graph is indeed proportional to the derivative of the current graph.30.44: a) ]s)240cos[()A 124.0((t πdtdL dt di Lε-=-= ).)s 240((sin )V 4.23())s 240sin(()240()A 124.0()H 250.0(t πt ε+=+=⇒ππb) ,0;V 4.23m ax ==i εsince the emf and current are ︒90out of phase. c) ,0;A 124.0m ax ==εi since the emf and current are ︒90 out of phase.30.45: a) ).(ln 22)(2)(000a b Nihμr dr Nih μhdr r πNi μhdr B bab a b a B ππ==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==Φ⎰⎰⎰b) ).(ln 220a b πhN μi N L B =Φ= c) .2L 2)()/)(1(ln )/(ln 2022⎪⎭⎫ ⎝⎛-≈⇒⋅⋅⋅+-+-≈--=a a b πh N μa a b a a b a a b a b30.46: a) .122210122101110122122212l r πN N μl A N N μl IA N μIA A N A A I N I N M B B ===Φ=Φ= b) .1122210112102222dtdi l r πN N μdt di l A N μN dt d N εB ==Φ= c) .212221022121dtdi l r πN N μdt diM dt di M ε===30.47: a) .H 5.7)/A 00.4/()V 0.30()//(===⇒-=s dt di εL dtdiL ε b) .Wb 360)s 0.12)(V 0.30(==Φ⇒∆=Φ-Φ⇒Φ=f i f t εdt d ε c) W.1440/s)A 00.4)(A 0.48)(H 50.7(===dtdiLi P L.0104.0W 138240)0.60()A 0.48(22R =⇒=Ω==RL P PR i P30.48: a) ))s 0250.0/cos()A 680.0(()H 1050.3(3t dtddt di L πε-⨯==.V 299.0s0250.0)A 680.0)(H 1050.3(3max =⨯=⇒-πεb) .Wb 1095.5400)A 680.0)(H 1050.3(63m ax max--⨯=⨯==ΦN Li B c) .)s 0250.0/(sin )s 0250.0/)(A 680.0)(H 1050.3()(3t dtdiL t ππε-⨯-=-=V230.0)())s 0180.0)(s 6.125((sin )V 299.0(s)0180.0())s 6.125sin(()V 299.0()(11=⇒-=⇒-=⇒--t t t εεε30.49: a) Series: ,eq 2211dtdiL dt di L dt di L =+but i i i ==21for series components so eq 2121thus ,L L L dtdidt di dt di =+==b) Parallel: Now . where ,21eq 2211i i i dt diL dt di L dt di L +===.11 and But .So 121eq 2eq 1eq 2eq 22eq 121-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⇒+=⇒==+=L L L dt di L L dt di L L dt di dt di L L dt di dt di L L dt di dt di dt di dt di30.50: a) ⎰=⇒=⇒=⋅.2200encl 0πriμB i μπr B I μd i Bb) .20ldr πriμBdA d B ==Φc) ⎰⎰==Φ=Φba b a B B ).a b (πilμr dr πil μd ln 2200 d) ).ln(20a b πμl i N L B=Φ=e) ).ln(4)ln(2212120202a b πli μi a b πμlLi U ===30.51: a) .2200encl 0πriμB i μr πB I μd =⇒=⇒=⋅⎰l Bb) .4)2(221)2(22020002dr r l i rdr l r i rdr l u udV dU B u πμππμμπμ=⎪⎪⎭⎫⎝⎛===⇒= c) )./(ln 442020a b πli μr dr πl i μdU U ba ba===⎰⎰ d) ),/(ln 2221022a b πμl i UL Li U ==⇒=which is the same as in Problem 30.50.30.52: a) ,22210110111111rπAN μr πi N μi A N i N L B =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ= r πAN μr πi N μi A N i N L B 22220220222222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=Φ=b) .2222122021022102L L r πA N μr πA N μr πA N N μM ==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=30.53: E εμE μεB μB E εu u E B 00200022022==⇒=⇒= T.1017.2)V/m 650(600-⨯==με30.54: a) .1860A1045.60.123Ω=⨯==-V i V R f b) )/1(ln )/1(ln )1()/(f f t L R f i i RtL i i L Rt e i i --=⇒--=⇒-=- H.963.0))45.6/86.4(1(ln )s 1025.7)(1860(4=-⨯Ω-=⇒-L30.55: a) After one time constant has passed:.J 281.0)A 474.0)(H 50.2(2121A 474.0)1(00.8V 00.6)1(2211===⇒=-Ω=-=--Li U e e R i εOr, using Problem (30.25(c)):⎰⎰---==.)()50.4(7/30)40.6()20.3(dt e e W dt P U t t LJ 281.040.6)1(20.3)1()W 50.4(21=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=--e eb) ⎪⎭⎫⎝⎛-+=-=--⎰)1()W 50.4()1()W 50.4(1/0)/(tot e R L R L dt e U RL t L RJ 517.000.8H 50.2)W 50.4(1tot =Ω=⇒-e U c) dt e e U t L R R L t L R R )21()W 50.4()/(2/0)/(--⎰+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---+=--)1(2)1(2)W 50.4(21e R L e R L R L J.236.0)168.0(00.8H50.2)W 50.4(=Ω=⇒R U The energy dissipated over the inductor (part (a)), plus the energy lost over the resistor (part (c)), sums to the total energy output (part (b)).30.56: a)J.1000.5240V 60)H 160.0(21212132220-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛Ω=⎪⎭⎫ ⎝⎛==R L Li U ε b) t L R L tL R e RRi dt di iL dt dU i L R dt di eRi )/(222)/(--=-==⇒-=⇒=εεW.52.4240)60()1000.4)(160.0/240(224-=Ω-=⇒-⨯-e V dt dU L c) In the resistor:.W 52.4240)V 60(.)1000.4)(160.0/240(22)/(2224=Ω===-⨯--e e R εR i dt dU t L R R d) tL R R e RεR i t P )/(222)(-==J,1000.5)240(2)H 160.0()V 60(232220)/(22-∞-⨯=Ω===⇒⎰R L R εe R εU t L R Rwhich is the same as part (a).30.57: Multiplying Eq. (30.27) by i , yields:.02121R 22222=++=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=++=-+C L R P P P Cq dt d Li dt d R i dt dq C q dt di Li R i i C q dt di Li i That is, the rate of energy dissipation throughout the circuit must balance over all of the circuit elements.30.58: a) If 243cos 832cos )cos(83QQ T T Q t Q q T t =⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛==⇒=ππω.2221221212)2(1)(1222222222B E U Cq C Q LC Q L Li U LCQ Q Q LCq Q LC i =====⇒=-=-=⇒b) The two energies are next equal when .85852T t πωt Q q =⇒=⇒=30.59: μF V U C CV U V C C C C C 222)V 0.12/()J 0160.0(2/2 so;V 0.1222221===== C πf L LCπf 2)2(1so 21==H 31.9gives Hz 3500μL f ==30.60: a) .V 0240.0F1050.2C 1000.646m ax=⨯⨯==--C Q V b) A 1055.1F)1050.2)(H 0600.0(1000.6221346max 22max ---⨯=⨯⨯==⇒=LCQi CQ Lic) .J 1021.7)A 1055.1)(H 0600.0(21218232m ax m ax --⨯=⨯==Li U d) If Cq C Q U U U U i i C L 224343J 1080.1412122max 8max max =⎪⎪⎭⎫⎝⎛==⇒⨯==⇒=-times.all for 2121.C 105.204322max6Cq Li U Q q +=⨯==⇒-30.61: The energy density in the sunspot is ./m J 10366.62/3402⨯==μB u B The total energy stored in the sunspot is .V u U B B = The mass of the material in the sunspot is .ρV m =;21so 2B B U mv U K == V u Vv ρB =221 The volume divides out, and /s m 102/24⨯==ρu v B30.62: (a) The voltage behaves the same as the current. Since , i V R ∝the scope must beacross the Ω150resistor.(b) From the graph, as ,V 25,→∞→R V t so there is no voltage drop across the inductor, so its internal resistance must be zero.)1(/m ax r t R e V V --=when .63.0)1(,m ax 1m ax V V V t e R ≈-==τFrom the graph, when τt V V =≈==ms 5.0 ,V 16 63.0m axH 075.0)150()ms 5.0(ms 5.0/=Ω=→=L R L(c) Scope across the inductor:30.63: a) In the R-L circuit the voltage across the resistor starts at zero and increases to the battery voltage. The voltage across the solenoid (inductor) starts at the battery voltage and decreases to zero. In the graph, the voltage drops, so the oscilloscope is across the solenoid.b) At ∞→t the current in the circuit approaches its final, constant value. The voltage doesn’t go to zero because the solenoid has some resistance .L R The final voltage across the solenoid is ,L IR where I is the final current in the circuit.c) The emf of the battery is the initial voltage across the inductor, 50 V. Just after the switch is closed, the current is zero and there is no voltage drop across any of the resistance in the circuit.d) As 0,=--∞→L IR IR εtV 50=ε and from the graph V 15=L R I (the final voltage across the inductor), soA 3.5/R V )35(and V 35===I R I e) Ω=== 4.3A)(3.5/V )15(so V ,15L R R I LL L V iR V εwhere ,0=-- includes the voltage across the resistance of the solenoid. V9.27,when so ,3.14,10V,50)]1(1[ so ),1(,tot /tot /tot ==Ω=Ω==--=-=-=--l τt L t L V τt R R εe R R εV e R εi iR εV τFrom the graph, L V has this value when t = 3.0 ms (read approximately from the graph), so .mH 43)3.14()ms 0.3(Then ms.0.3/tot =Ω===L R L τ30.64: (a) Initially the inductor blocks current through it, so the simplified equivalentircuit isA 333.0150V 50=Ω==R εi 0,A 333.0resistor)50with parallel in (inductor V 7.16it.through flows current no since 0V16.7A)333.0()50(V 33.3A)333.0()100(23142341===Ω====Ω==Ω=A A A V V V V V (b) Long after S is closed, steady state is reached, so the inductor has no potentialdrop across it. Simplified circuit becomesA 230.050V5.11A 153.075V5.11A,385.0V 11.5V 38.5V 500;V 5.38)A 385.0()100(A 385.0130V50/3214321=Ω==Ω===-====Ω==Ω==i i i V V V V R εi30.65: a) Just after the switch is closed the voltage 5V across the capacitor is zero and there s also no current through the inductor, so ,.054323V V V V V ==+= and since2435and ,0and 0V V V V == are also zero. 04=V means 3V reads zero.1V then must equal 40.0 V, and this means the current read by 1A is A.0.800)(50.0/V )0.40(=ΩA.800.0 so 0but ,14321432=====++A A A A A A A A A;800.041==A A all other ammeters read zero. V 0.401=V and all other voltmeters read zero.b) After a long time the capacitor is fully charged so .04=A The current through the inductor isn’t changing, so .02=V The currents can be calculated from the equivalent circuit that replaces the inductor by a short-circuit.:V0.24)0.50(A 480.0reads A;480.0)33.83(/V)0.40(11=Ω==Ω=I V A IThe voltage across each parallel branch is V 16.0V 4.02V 0.40=-V 0.16,05432====V V V V.that Note zero.reads A.320.0reads means V 0.16.A 160.0reads means V 0.1613243423A A A A A V A V =+==C 192)V (16.0F)0.12(so V 0.16)c 5μμ====CV Q Vd) At t = 0 and .0,2=∞→V t As the current in this branch increases from zero to 0.160 A the voltage 2V reflects the rate of change of current.30.66: (a) Initially the capacitor behaves like a short circuit and the inductor like an open circuit. The simplified circuit becomesA 500.0150V75=Ω==Ri εA,500.0V 0.50parallel)(in V50.0A)50.0()100(,0V 25.0A)50.0()50(2314431======Ω===Ω==A A A V V V V Ri V 2(b) Long after S is closed, capacitor stops all current. Circuit becomesV 0.753=V and all other meters read zero.(c) nC,5630V )(75nF)75(===CV q long after S is closed.30.67: a) Just after the switch is closed there is no current through either inductor and they act like breaks in the circuit. The current is the same through the ΩΩ15.0and 0.40 resistors and is equal to A;455.0A.455.0)0.150.40(V )0.25(41===Ω+ΩA A .032==A Ab) After a long time the currents are constant, there is no voltage across either inductor,and each inductor can be treated as a short-circuit . The circuit is equivalent to:A 585.0)73.42V )0.25(=Ω=IA.0.585reads 1A The voltage across each parallel branch is =Ω-)(40.0A)(0.585V 0.25 A.107.0)0.15(V)60.1(reads A.160.0)0.10V)60.1(reads A.320.0)0.5(V)60.1(reads V.1.60432=Ω=Ω=ΩA A A30.68: (a),s 50.0since ms 40.025m H10τR L τ>>===Ω steady state has been reached, for all practical purposes.A 00.225V 50=Ω==R i εThe upper limit of the energy that the capacitor can get is the energy stored in the inductor initially.C1090.0)F 1020()H 1010()A 00.2(212363max 0max 202max ---⨯=⨯⨯==→=→=Q LCi Q Li C Q U U L C (b) Eventually all the energy in the inductor is dissipated as heat in the resistor.J100.2)A 00.2()H 1010(212122320--⨯=⨯===Li U U L R30.69: a) At ,0=t all the current passes through the resistor ,1R so the voltage ab v is the total voltage of 60.0 V.b) Point a is at a higher potential than point .b c) V 0.60=cd v since there is no current through .2Rd) Point c is at a higher potential than point .be) After a long time, the switch is opened, and the inductor initially maintains thecurrent of .A 40.225.0V 0.6022=Ω==R i R ε Therefore the potential between a and b is .V 0.96)0.40()A 40.2(R 1-=Ω-=-=i v ab f) Point b is at a higher potential than point a .g) V 156)2540()A 40.2()(21-=Ω+Ω-=+-=R R i v cd h) Point d is at a higher potential than point c .30.70: a) Switch is closed, then at some later time:.V 0.15)A/s 0.50()H 300.0(A/s 0.50===⇒=dtdiL v dt di cdThe top circuit loop: 60.0 .A 50.10.40V0.60V 111=Ω=⇒=i R i The bottom loop: A.80.10.25V45.00V 0.15V 60222=Ω=⇒=--i R i b) After a long time: ,A 40.20.25V0.602=Ω=i and immediately when the switch is opened, the inductor maintains this current, so .A 40.221==i i30.71: a) Immediately after 1S is closed, ,V 0.36and ,0,00===cb ac v v i since the inductor stops the current flow.b) After a long time, =0i A 180.015050V 0.360=Ω+Ω=+R R ε,.V 0.27V 00.9V 0.36and ,V 00.9)50()A 18.0(00=-==Ω==cb ac v R i v c) ),1()A 180.0()()1()()s50()(total1total ttL R e t i e R t i ----=⇒-=ε()()().3)V 00.9(1)V 00.9(V 0.36)()(v and1)V 00.9()()()50()50(0)s50(0111ts ts cb tac e eR t i εt e R t i t v ------+=--=-=-==Below are the graphs of current and voltage found above.30.72: a) Immediately after 2S is closed, the inductor maintains the current A 180.0=i through .R The Kirchoff’s Rules around the outside of the circuit yield:.0and V 0.36)V 50()A 72.0(,A 072.0Ω50V360)50()150()18.0()150()18.0(V 0.360000=====⇒=--+=--+cb ac L v v i i R i iR εε b) After a long time, ,V 0.36=ac v and .0=cb v Thus,A 720.050V 0.3600=Ω==R εi A 720.0and ,02==s R i ic) and ,)A 180.0()()(,A 720.0)s 5.12()(total 01t R tL R R e t i e R εt i i ---=⇒== ()tt s e e A t i )s 5.12()s 5.12(1124)A 180.0()180.0()A 720.0()(-----=-=Below are the graphs of currents found above.30.73: a) Just after the switch is closed there is no current in the inductors. There is no current in the resistors so there is no voltage drop across either resistor. A reads zero and V reads 20.0 V.b) After a long time the currents are no longer changing, there is no voltage across the inductors, and the inductors can be replaced by short-circuits. The circuit becomes equivalent toA 267.0)0.75()V 0.20(=Ω=a IThe voltage between points a and b is zero, so the voltmeter reads zero.c) Use the results of problem 30.49 to combine the inductor network into itsequivalent:Ω=0.75R is the equivalent resistance.V0.9V V 0.20so 0V 0.20V0.11)0.75)(A 147.0(A 147.0so ,ms 115.0,0.75,0.20ms 144.0)(75.0mH)8.10(/with ),1)((says Eq.(30.14)=-==--=Ω====Ω===Ω==-=-R L L R R τt V V V iR V i t R V εR L τe R εi30.74: (a) Steady state: A 600.0125V0.75=Ω==Ri ε(b) Equivalent circuit:F6.14F 351F 2511μμμ=+=s s C CEnergy conservation:202212Li C q =)F 106.14()H 1020()A 600.0(630--⨯⨯==LC i qC 41024.3-⨯=s1049.8)F 106.14()H 1020(22)2(4141463---⨯=⨯⨯====πππt LCLC T t30.75: a) Using Kirchhoff’s Rules: and ,01111R εi R i ε=⇒=-).1(0)(222222t L R e R i R i dt di L--=⇒=--εε b) After a long time, .and still,2211R εi R εi == c) After the switch is opened, ,))((21212tL R R e R εi i +-== and the current drops off. d) A 40-W light bulb implies .360W40V)(12022Ω===P V R If the switch is opened, and the current is to fall from 0.600A to 0.150 A in 0.0800 s,then:)s 0800.0)(H 0.22)360(())((2221)A 600.0(A 150.0)A 600.0(R t R R e e i +Ω-+-=⇒=.V 7.12)2.21)(A 600.0(0.21360)00.4ln(0800.0H 0.222222=Ω==⇒Ω=⇒+Ω=⇒R i εR R s e) Before the switch is opened, A 0354.0360V 7.1210=Ω==R i ε30.76: Series:.eq 2121212211dtdi L dt di M dt di M dt di L dt di L ≡+++ But .and 21122121M M M dt di dt didt di i i i ≡=+=⇒+=.and with ,and have We :Parallel .2or ,)2(So 21122112122eq 2121121eq eq 21M M M dtdi dt di dt di dt diL dt di M dt di L dtdi L dt di M dt di L M L L L dtdiL dt di M L L eq ≡==+=+=+++==++ To simplify the algebra let . and ,,21dtdiC dt di B dt di A ===So .,,eq 2eq 1C B A C L MA B L C L MB A L =+=+=+ Now solve for .of terms in and C B A.)2()()()2(0)()()(0)()()(.using 0)()(2111212112121C L L M L M B C L M B L L M B L M B M L C M L B L M B C M L B C A B L M A M L ---=⇒-=--⇒=-+---⇒=-+--⇒-==-+-⇒But ,)2()2()2()(21121211C L L M L M L L M L L M C L M C B C A --+---=----=-= or .2212C L L M L M A ---=Substitute A in B back into original equation. So C L C L L M L M M L L M C L M L eq 2112121)2()(2)(=---+--- .2eq 21212C L C L L M L L M =---⇒Finally, ML L M L L L 221221eq -+-=30.77: a) Using Kirchhoff’s Rules on the top and bottom branches of the circuit:).1()00).1(0)/1(0)/1(22022)1(22222222)(111112221t C R t t C R t t C t L R e εC Ce R R εt d i q e R εi C i R dt di C q R i εe R εi dt di L R i ε-'----=-='=⇒=⇒=--⇒=---=⇒=--⎰ b) .A 1060.95000V 0.48,0)1()0(3022011-⨯=Ω===-=e R εi e R εi c) As .0,A 92.10.25V 0.48)1()(:22111===Ω==-=∞∞→∞-∞-e R εi R εe R εi t A good definition of a “long time” is many time constants later. d) .)1()1()1(21)()1(2)(12121211t C R t L R t C R t R e R R e e R e R i i ----=-⇒=-⇒=εε Expanding the exponentials like :find we ,!32132 ++++=x x x e x⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=+⎪⎭⎫ ⎝⎛- 2222122112121C R t RC t R R t L R t L R ,)(2122211R R t O C R R L R t =⋅⋅⋅++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⇒ if we have assumed that .1<<t Therefore: .s 106.1)F 100.2()5000(H 0.8)F 100.2)(5000)(H 0.8()1()1(113525222222---⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯Ω+⨯Ω=⇒⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈⇒t C R L C LR C R L R te) At .A 104.9)1(25V 48)1(:s 1057.13)25()(1131----⨯=-Ω=-=⨯=t t L R e e R i t ε f) We want to know when the current is half its final value. We note that the current 2i is very small to begin with, and just gets smaller, so we ignore it and find: ).1)(A 92.1()1(A 960.0)()(112111t L R t L R e e R i i ---=-===ε s 22.0)5.0ln(25H 0.8)5.0ln(500.01)(1=Ω==⇒=⇒-R L t e t L R30.78: a) Using Kirchoff’s Rules on the left and right branches:Left: .)(0)(121121εdtdi L i i R dt di L R i i ε=++⇒=-+- Right: .)(0)(221221εCq i i R C q R i i ε=++⇒=-+- b) Initially, with the switch just closed, .0and ,0221===q Rεi i c) The substitution of the solutions into the circuit equations to show that they satisfy the equations is a somewhat tedious exercise in bookkeeping that is left to the reader. We will show that the initial conditions are satisfied: .0)])0[cos(1()0()]cos()sin()2[(1()(0)0sin()sin(,0At 1112=-=⇒+-=====---Rεi ωt ωt ωRC e R εt i ωR εωt e ωR εq t βt βt d) When does 2i first equal zero? rad/s 625)2(112=-=RC LC ω .s 10256.1rad/s625785.00.7851.00)arctan( 1.00.F)1000.2)(400)(rad/s 625(22)tan(01)tan()2()]cos()sin()2([0)(36112-----⨯==⇒+=+=⇒+=⨯Ω+=+=⇒=+-⇒+-==t ωt ωRC ωt ωt ωRC ωt ωt ωRC e Rt i bt ε。