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=。
chap19(西尔斯当代大学物理)
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index
• Part A Mechanism • Part B Electricity • Part C Magnetism
0 FB 0
B
maximum sideway force when
2
( FB ) max B qv
q
Fm 0
22
V
2. Hall effect:
B
Hall potential differenl l
BI n= VH el
可以证明上式不仅对矩形线圈成立对于均匀磁场中的任意形状的平面线圈也成立对于带电粒子在平面内沿闭合回路运动以及带电粒子自旋所具有的磁矩在磁场中受到的力矩都适用
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Meng Da Min HeFei University of Technology 2013 fall
B
20
Fast-Reading: example 19.12
21
Review:
1. Magnetic Fields:
FB qv B
FB Magnitude: B qv sin
direction: right-hand rule
F
B
q
v
zero-force axis (the direction of B )
Chap23 Electromagnetic waves
Chap 19 Magnetic Field and Magnetic Forces
大学物理课后习题答案(全册)
《大学物理学》课后习题参考答案习题11-1. 已知质点位矢随时间变化函数形式为)ωtsin ωt(cos j i R r其中为常量.求:(1)质点轨道;(2)速度和速率。
解:1)由)ωtsin ωt(cos j i R r知t cos R x ωtsin R yω消去t 可得轨道方程222Ryx2)jr vt Rcos sin ωωt ωR ωdtd iRωt ωR ωt ωR ωv2122])cos ()sin [(1-2. 已知质点位矢随时间变化的函数形式为j ir )t 23(t 42,式中r 的单位为m ,t 的单位为s .求:(1)质点的轨道;(2)从0t到1t 秒的位移;(3)0t 和1t 秒两时刻的速度。
解:1)由j ir)t 23(t 42可知2t 4x t23y消去t 得轨道方程为:2)3y(x2)jir v 2t 8dtd jij i v r 24)dt2t 8(dt101Δ3)jv 2(0)jiv 28(1)1-3. 已知质点位矢随时间变化的函数形式为j ir t t 22,式中r 的单位为m ,t 的单位为s .求:(1)任一时刻的速度和加速度;(2)任一时刻的切向加速度和法向加速度。
解:1)ji r v2t 2dtd iv a2dtd 2)212212)1t(2]4)t 2[(v1tt 2dtdv a 2t22221nta aat 1-4. 一升降机以加速度a 上升,在上升过程中有一螺钉从天花板上松落,升降机的天花板与底板相距为d ,求螺钉从天花板落到底板上所需的时间。
解:以地面为参照系,坐标如图,升降机与螺丝的运动方程分别为20121att v y (1)图 1-420221gttv h y (2)21y y (3)解之2d tg a 1-5. 一质量为m 的小球在高度h 处以初速度0v 水平抛出,求:(1)小球的运动方程;(2)小球在落地之前的轨迹方程;(3)落地前瞬时小球的td dr ,td dv ,tv d d .解:(1)t v x 0式(1)2gt21hy 式(2)jir )gt 21-h (t v (t)20(2)联立式(1)、式(2)得22v 2gx hy (3)ji r gt -v td d 0而落地所用时间gh 2t所以j i r 2gh -v t d d 0jv g td d 2202y2x)gt (vvvv 211222222[()](2)g ghg t dv dtvgt vgh 1-6. 路灯距地面的高度为1h ,一身高为2h 的人在路灯下以匀速1v 沿直线行走。
chap19(西尔斯当代大学物理)
Fig.19-6
no explicit(明确的) expression unit in SI
T (Tesla) =N / A m 10 Gauss
4
FB always perpendicular to
v
and B
14
FB qv B is also a formula for finding F B
Welcome you here for
University Physics
Meng Da Min HeFei University of Technology 2013 fall
绪论
对标准问题的标准答案的记诵 重燃求知欲 思维训练
三件东西至为重要:图书馆、好的老师、互联网
独立而有尊严的生活 自我意识与公共精神---有稳定的价值观,有独 立思考能力,有积极的行为方式,做一个直立行 走的人,大写的人
B
20
Fast-Reading: example 19.12
21
Review:
1. Magnetic Fields:
FB qv B
FB Magnitude: B qv sin
direction: right-hand rule
F
B
q
v
zero-force axis (the direction of B )
0 FB 0
B
maximum sideway force when
2
( FB ) max B qv
q
Fm 0
22
V
2. Hall effect:
西尔斯当代大学物理双语
1.2 Idealized Models A model is a simplified version of a physical
How complicated?
1.2 Idealized Models
We neglect the size and shape of the ball
by representing it as a point object, or
particle.
We neglect air resistance by making the
Chapter 1 Physical Quantities
and Vectors
1.1 The nature of physics
• Physics is an experimental science. • Physicists observe the phenomena of nature and try to find patterns and principles that relate these phenomena. These patterns are called physical theories or physical laws, or principles.
system that would be too complicated to analyze in full detail.
point masses rigid bodies idealized insulators …… ……
2025高考物理步步高同步练习选修3第四章 原子结构和波粒二象性第2课时 康普顿效应 光的波粒含答案
2025高考物理步步高同步练习选修3第四章 原子结构和波粒二象性第2课时 康普顿效应 光的波粒二象性[学习目标] 1.了解康普顿效应及其意义.2.了解光的波粒二象性.一、康普顿效应和光子的动量1.康普顿效应:在研究石墨对X 射线的散射时,发现在散射的X 射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应. 2.康普顿效应的意义:康普顿效应表明光子不仅具有能量而且具有动量.3.光子的动量(1)表达式:p =h λ. (2)说明:在康普顿效应中,当入射的光子与晶体中的电子碰撞时,要把一部分动量转移给电子,光子的动量可能变小.因此,有些光子散射后波长变大.二、光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性,光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性,光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性.判断下列说法的正误.(1)光子的动量与波长成反比.( √ )(2)光子发生散射后,其波长变大.( √ )(3)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子.( √ )(4)光在传播过程中,有的光是波,有的光是粒子.( × )一、康普顿效应和光子的动量1.康普顿效应的解释假定光子与电子发生弹性碰撞,按照爱因斯坦的光子说,一个光子不仅具有能量ε=hν,而且具有动量.如图所示,这个光子与静止的电子发生弹性碰撞,光子把部分动量转移给了电子,动量由h λ减小为h λ′,因此p 减小,波长增大.2.康普顿效应的意义康普顿效应进一步揭示了光的粒子性,也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性.例1美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,用X光对静止的电子进行照射,照射后电子获得速度的同时,X光光子的运动方向也会发生相应的改变.下列说法正确的是()A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时,把部分动量转移给电子,因此光子散射后频率变大B.康普顿效应揭示了光的粒子性,表明光子除了具有能量之外还具有动量C.X光散射后与散射前相比,速度变小D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向,但频率保持不变答案 B解析在康普顿效应中,当入射光子与晶体中的电子碰撞时,把部分动量转移给电子,则光子动量减小,但速度仍为光速c,根据p=hν,知光子频率减小,康普顿效应说明光子不但具c有能量而且具有动量,揭示了光的粒子性,故A、C、D错误,B正确.例2(2021·石家庄二中高二期中)“COVID-19”引起的肺炎病人在进行CT诊断时,肺部影像呈白色(“白肺”),其物理原理是利用X射线穿透人体肺部进行扫描并呈现灰度不同的图像.X射线的穿透量受物质吸收程度的影响,吸收程度与物质的密度等因素有关,密度越小,吸收X射线的本领越弱,透过人体的量就越多,呈现的图片就越暗,如空气等.密度越大,吸收X射线的本领越强,透过人体的量就越少,呈现的图片为白色,如骨骼等.X射线被物质的吸收主要产生两种效应:光电效应和康普顿效应.依据以上信息,下列说法正确的是()A.光电效应现象是爱因斯坦最先发现的B.X射线光子被原子中的电子全部吸收从原子中飞出变为具有一定动能的光电子的现象,属于光电效应,说明X射线具有粒子性C.光电效应中,X射线频率越高,从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越小D.X射线光子只被电子部分吸收,电子能量增大,光子被散射出去,散射光子波长变短,这说明光子既具有能量又具有动量,这属于康普顿效应,说明了X射线具有粒子性答案 B解析由康普顿效应特点知,散射光子波长变长,D错误;光电效应现象是赫兹最先发现的,A错误;由光电效应的概念知,B正确;根据光电效应方程E k=hν-W0可知,光电效应中,X射线频率越高,从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大,C错误.例3(2021·江苏苏州高二期中)科学研究证明,光子既有能量也有动量,当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子.假设光子与电子碰撞前的波长为λ,碰撞后的波长为λ′,则碰撞过程中()A.能量守恒,动量守恒,且λ=λ′B.能量不守恒,动量不守恒,且λ=λ′C.能量守恒,动量守恒,且λ<λ′D.能量守恒,动量守恒,且λ>λ′答案 C解析能量守恒定律和动量守恒定律是自然界的普遍规律,既适用于宏观世界也适用于微观世界.光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律,光子与电子碰撞前光子的动量p=h,当光子λ,又由p>p′,可知与电子碰撞时,光子的一些动量转移给了电子,光子的动量p′=hλ′λ<λ′,选项C正确.二、光的波粒二象性1.光的波动性实验基础:光的干涉和衍射.2.光的粒子性(1)实验基础:光电效应、康普顿效应.(2)表现:①当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质;②少量或个别光子容易显示出光的粒子性.(3)说明:①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的;②光子不同于宏观观念的粒子.例4(2021·河南辉县第一高级中学高二阶段练习)关于光的粒子性、波动性和波粒二象性,下列说法正确的是()A.光子说的确立完全否定了波动说B.光的波粒二象性是指光既与宏观概念中的波相同又与微观概念中的粒子相同C.光的波动说和粒子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有其不能解释的实验现象D.光电效应说明光具有粒子性,康普顿效应说明光具有波动性答案 C解析光子说的确立,没有完全否定波动说,使人们对光的本质认识更完善,光既有波动性,又有粒子性,光具有波粒二象性,故A错误;光的波粒二象性,与宏观概念中的波相同,与微观概念中的粒子不相同,故B错误;波动说和粒子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有其不能解释的实验现象,故C正确;光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性,故D 错误.例5(2021·江苏淮安市车桥中学开学考试)下列有关光的波粒二象性的说法中,正确的是()A.有的光是波,有的光是粒子B.光子与电子是同样的一种粒子C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著D.大量光子的行为往往表现出粒子性答案 C解析一切光都具有波粒二象性,光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性,光的有些现象(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性,A错误;电子是实物粒子,有静止质量,光子不是实物粒子,没有静止质量,电子是以实物形式存在的物质,光子是以场形式存在的物质,B错误;光的波长越长,衍射性越好,即波动性越显著,光的波长越短,粒子性就越显著,C正确;大量光子运动的规律往往表现出波动性,D错误.考点一康普顿效应光子的动量1.康普顿散射的主要特征是()A.散射光的波长与入射光的波长完全不同B.散射光的波长有些与入射光的相同,但有些变短了,散射角的大小与散射波长无关C.散射光的波长有些与入射光的相同,但也有变长的,也有变短的D.散射光的波长有些与入射光的相同,有些散射光的波长比入射光的波长长些,且散射光波长的改变量与散射角的大小有关答案 D解析康普顿测量发现散射后的X射线中,既有波长不变的X射线,又有波长变长的X射线,而且散射光波长的改变量与散射角的大小有关,波长变长的X射线动量和能量的大小均变小了,这是散射过程中动量和能量守恒的体现,选D.2.(2021·南通市高二月考)在“焊接”视网膜的眼科手术中,所用激光的波长为λ,每个激光脉冲中的光子数目为n ,已知普朗克常量为h ,光速为c ,则( )A .用激光“焊接”视网膜是因为激光具有高度的相干性B .激光的频率为λcC .激光光子的动量为λhD .每个激光脉冲的能量为nh c λ答案 D解析 用激光“焊接”视网膜利用了激光频率高、能量高的特点,故A 错误;根据c =νλ可知激光的频率为ν=c λ,故B 错误;激光光子的动量为p =h λ,故C 错误;根据ε=hν和c =νλ可知,单个光子的能量为h c λ,则每个激光脉冲的能量为nh c λ,故D 正确. 3.频率为ν的光子,波长为λ=h p,能量为E ,则光的速度为( ) A.Eλh B .pE C.Eλp D.h 2Ep答案 A解析 根据光速c =λν和光子的能量E =hν可得光的速度为c =E h λ=E p,故A 正确. 考点二 光的波粒二象性4.(2021·江苏高二月考)在下列各组现象中,都表现出光具有粒子性的是( )A .光的折射现象、衍射现象B .光的反射现象、干涉现象C .光的衍射现象、光电效应现象D .光电效应现象、康普顿效应现象答案 D5.(2022·上海师大附中学业考试)如图所示,当弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,同时与锌板相连的验电器铝箔有张角,则该实验( )A .只能证明光具有波动性B .只能证明光具有粒子性C .只能证明光能够发生衍射D .证明光具有波粒二象性答案 D解析 弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,这是光的衍射,证明了光具有波动性;验电器铝箔有张角,说明锌板发生了光电效应,则证明了光具有粒子性,所以该实验证明了光具有波粒二象性,选D.6.(2021·洛阳月考)我国已研发成功“世界上首台分辨率最高的紫外超分辨光刻装备”,对芯片制造领域技术突破作出重大贡献,光刻所用光的波长越短,分辨率越高.下面关于光的波粒二象性的说法中,正确的说法是( )A .光不可能同时既具有波动性,又具有粒子性B .频率越小的光其粒子性越显著,频率越大的光其波动性越显著C .光在传播时往往表现出粒子性,光在跟物质相互作用时往往表现出波动性D .大量光子产生的效果往往显示出波动性,个别光子产生的效果往往显示出粒子性 答案 D解析 光的波粒二象性是指光既具有波动性,又具有粒子性,二者是统一的,故A 错误;在光的波粒二象性中,频率越大的光其粒子性越显著,频率越小的光其波动性越显著,故B 错误;光在传播时往往表现出波动性,光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性,故C 错误;光既具有粒子性,又具有波动性,大量的光子波动性比较明显,个别光子粒子性比较明显,故D 正确.7.频率为ν的光子,具有的能量为hν,动量为hνc,将这个光子打在处于静止状态的电子上,光子将偏离原运动方向,这种现象称为光子的散射,下列关于光子散射的说法正确的是( )A .光子改变原来的运动方向,传播速度变小B .光子在与电子碰撞中获得能量,因而频率增大C .由于受到电子碰撞,散射后的光子波长小于入射光子的波长D .由于受到电子碰撞,散射后的光子频率小于入射光子的频率答案 D解析 碰撞后光子改变原来的运动方向,但传播速度不变,A 错误;光子在与电子碰撞中损失能量,因而频率减小,即ν>ν′,再由c =λ1ν=λ2ν′,得到λ1<λ2,B 、C 错误,D 正确.8.图中四幅图涉及光的粒子性和波动性,其中说法正确的是()A.图甲的光电效应实验说明光具有波粒二象性B.图乙说明,在光电效应中,同一单色入射光越强,饱和电流越大C.图丙的“泊松亮斑”说明光具有波动性,是光通过小圆孔时发生衍射形成的D.图丁的康普顿效应表明光子具有动量,揭示了光的波动性的一面答案 B解析题图甲的光电效应实验说明光具有粒子性,选项A错误;题图乙中,黄光的强度越大,饱和电流越大,即说明在光电效应中,同一单色入射光越强,饱和电流越大,选项B正确;题图丙的泊松亮斑说明光具有波动性,是光通过小圆板时发生衍射形成的,选项C错误;题图丁的康普顿效应表明光子具有动量,揭示了光的粒子性的一面,选项D错误.9.美国物理学家阿瑟阿什金因利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖,原来光在接触物体后,会对其产生力的作用,这个来自光的微小作用可以让微小的物体(如细胞)发生无损移动,这就是光镊技术.在光镊系统中,光路的精细控制非常重要.对此下列说法正确的是()A.光镊技术利用光的粒子性B.光镊技术利用光的波动性C.红色激光光子能量大于绿色激光光子能量D.红色激光光子动量大于绿色激光光子动量答案 A解析光在接触物体后,会对其产生力的作用,则光镊技术利用光的粒子性,A正确,B错误;红光的频率小于绿光的频率,根据E=hν可知,红色激光光子能量小于绿色激光光子能量,C 错误;红色激光光子的频率小于绿色激光光子的频率,则红色激光光子的波长大于绿色激光光子的波长,根据p =h λ可知红色激光光子动量小于绿色激光光子动量,D 错误. 10.一台激光器发射激光的功率为P ,光束垂直入射到真空中的某一平面,被平面完全反射后频率保持不变.已知光的波长为λ,光在真空中的速度为c ,下列说法正确的是( )A .激光的波长越短,其光子的动量越小B .被平面反射后激光光子的动量变大C .增大激光器发出的激光功率,光束对平面的压力增大D .单位时间内入射到平面的光子数目为P hλ答案 C解析 根据p =h λ可知,激光的波长越短,其光子的动量越大,选项A 错误;根据p =hνc知,被平面反射后激光光子的动量大小不变,选项B 错误;功率增大,光子数增大,光束对平面的压力增大,选项C 正确;单位时间(t =1 s)内入射到平面的光子数目为n =Pt hc λ=Pλhc,选项D 错误.11.(2022·江苏模拟预测)光电效应实验中,用波长为λ0的单色光A 照射某金属板时,刚好有光电子从金属表面逸出.已知普朗克常量为h ,光速为c ,电子质量为m .若用波长为λ02的单色光B 照射该金属板,求:(1)光电子的最大初动能E k ;(2)A 、B 两种光子的动量之比.答案 (1)h c λ0 (2)12解析 (1)依题意,用波长为λ0的单色光A 照射某金属板时,根据光电效应方程,有h c λ0-W 0=0同理,用波长为λ02的单色光B 照射该金属板, 有E k =h c λ02-W 0联立可得E k =h c λ0 (2)根据p =h λ,得A 、B 两种光子的动量之比 p A p B =λ02λ0=12.12.(2021·江苏苏州高二期中)有人设想在遥远的宇宙探测时,给探测器安上反射率极高(可认为100%)的薄膜,并让它正对太阳,用光压为动力推动探测器加速.已知某探测器在轨道上运行,阳光恰好垂直照射在薄膜上,薄膜面积为S ,每秒每平方米面积获得的太阳光能为E ,若探测器总质量为M ,光速为c ,普朗克常量为h ,则探测器获得加速度大小的表达式是( ) A.2ES cM B.2ES c 2Mh C.ES cM D.ES cMh答案 A解析 光子垂直照射后全部反射,每秒在薄膜上产生的总能量为ES ,结合单个光子的能量ε=hν,则N 个光子的总能量为Nhν=Nh c λ=ES ,解得λ=Nhc ES ,结合单个光子的动量p =h λ则光子的总动量变化量大小为Δp =2N h λ=2N h Nhc ES =2ES c以光子为研究对象,由动量定理得F Δt =Δp 式中Δt =1 s ,解得F =2ES c ,根据牛顿第三定律,光子对探测器的作用力大小为F ′=F =2ES c根据牛顿第二定律得F ′=Ma解得a =2ES cM ,A 正确,B 、C 、D 错误.3 原子的核式结构模型[学习目标] 1.知道阴极射线的组成,体会电子发现过程中所蕴含的科学方法,知道电荷是量子化的.2.了解α粒子散射实验现象以及卢瑟福原子核式结构模型的主要内容.3.知道原子和原子核大小的数量级,知道原子核的电荷数.一、电子的发现1.阴极射线:当玻璃管内的气体足够稀薄时,阴极发出的一种射线.它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光. 2.汤姆孙的探究 根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定,它的本质是带负电(填“正电”或“负电”)的粒子流,并求出了这种粒子的比荷.组成阴极射线的粒子被称为电子.3.密立根实验:电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的.目前公认的电子电荷的值为e =1.6×10-19 C(保留两位有效数字).4.电荷的量子化:任何带电体的电荷只能是e 的整数倍.5.电子的质量m e =9.1×10-31 kg(保留两位有效数字),质子质量与电子质量的比值为m p m e=1 836. 二、原子的核式结构模型 1.汤姆孙原子模型:汤姆孙于1898年提出了原子模型,他认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内,电子镶嵌其中,有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”,如图.2.α粒子散射实验:(1)α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、显微镜等几部分组成,实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中.(2)实验现象①绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进;②少数α粒子发生了大角度偏转;极少数偏转的角度甚至大于90°,它们几乎被“撞了回来”.(3)实验意义:卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型.3.核式结构模型:原子中带正电部分的体积很小,但几乎占有全部质量,电子在正电体的外面运动.三、原子核的电荷与尺度1.原子核的电荷数:各种元素的原子核的电荷数,即原子内的电子数,非常接近它们的原子序数,这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的.2.原子核的组成:原子核是由质子和中子组成的,原子核的电荷数就是核中的质子数.3.原子核的大小:用核半径描述核的大小.一般的原子核,实验确定的核半径的数量级为10-15 m,而整个原子半径的数量级是10-10 m,两者相差十万倍之多.判断下列说法的正误.(1)汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中的偏转证明了阴极射线带正电.(×)(2)电子是原子的组成部分,电子电荷量可以取任意数值.(×)(3)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小,电子在正电体外面运动.(√)(4)原子核的电荷数等于核中的中子数.(×)一、电子的发现导学探究如图所示为汤姆孙的气体放电管.(1)在金属板D1、D2之间加上如图所示的电场时,发现阴极射线向下偏转,说明它带什么性质的电荷?(2)在金属板D1、D2之间单独加哪个方向的磁场,可以让阴极射线向上偏转?答案(1)阴极射线向下偏转,与电场线方向相反,说明阴极射线带负电.(2)由左手定则可得,在金属板D1、D2之间单独加垂直纸面向外的磁场,可以让阴极射线向上偏转.知识深化1.对阴极射线的认识(1)对阴极射线本质的认识——两种观点①电磁波说,代表人物——赫兹,他认为这种射线是一种电磁辐射.②粒子说,代表人物——汤姆孙,他认为这种射线是一种带电粒子流.(2)阴极射线带电性质的判断方法①方法一:在阴极射线所经区域加上电场,通过打在荧光屏上的亮点位置的变化和电场的情况确定阴极射线的带电性质.②方法二:在阴极射线所经区域加一磁场,根据荧光屏上亮点位置的变化和左手定则确定阴极射线的带电性质.根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况,判断出阴极射线是粒子流,并且带负电.2.带电粒子比荷的测定(1)让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场,如图所示,使其做匀速直线运动,根据二力平衡,即F 洛=F 电(Bq v =qE ),得到粒子的运动速度v =E B .(2)撤去电场,如图所示,保留磁场,让粒子在匀强磁场中运动,由洛伦兹力提供向心力,即Bq v =m v 2r,根据轨迹偏转情况,由几何知识求出其半径r .(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式:q m =E B 2r. 3.电子发现的意义(1)电子发现以前人们认为物质由分子组成,分子由原子组成,原子是不可再分的最小微粒.(2)现在人们发现了各种物质里都有电子,而且电子是原子的组成部分.(3)电子带负电,而原子是电中性的,说明原子是可再分的.例1 英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现( )A .阴极射线在电场中偏向正极板一侧B .阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同C .不同材料所产生的阴极射线的比荷不同D .汤姆孙直接测到了阴极射线粒子的电荷量答案 A解析 阴极射线在电场中偏向正极板一侧,因此阴极射线应该带负电荷,A 正确;阴极射线在磁场中受力情况跟负电荷受力情况相同,B 错误;不同材料所产生的阴极射线的比荷相同,C 错误;汤姆孙并没有直接测到阴极射线粒子的电荷量,D 错误.例2 在再现汤姆孙测阴极射线比荷的实验中,采用了如图所示的阴极射线管,从C 出来的阴极射线经过A 、B 间的电场加速后,水平射入长度为L 的D 、G 平行板间,接着在荧光屏F 中心出现光斑.若在D 、G 间加上方向向上、场强为E 的匀强电场,阴极射线将向下偏转;如果再利用通电线圈在D 、G 电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B 的匀强磁场(图中未画出),光斑恰好回到荧光屏中心,接着再去掉电场,阴极射线向上偏转,偏转角为θ,试解决(1)说明阴极射线的电性;(2)说明图中磁场沿什么方向;(3)根据L 、E 、B 和θ,求出阴极射线的比荷.答案 (1)负电 (2)垂直纸面向外 (3)E sin θB 2L 解析 (1)由于阴极射线在电场中向下偏转,因此阴极射线所受静电力方向向下,又由于匀强电场方向向上,则静电力的方向与电场方向相反,所以阴极射线带负电. (2)由于所加磁场使阴极射线受到向上的洛伦兹力,而与静电力平衡,由左手定则得磁场的方向垂直纸面向外.(3)设此射线带电荷量为q ,质量为m ,当射线在D 、G 间做匀速直线运动时,有qE =Bq v .当射线在D 、G 间的磁场中偏转时,如图所示,有Bq v =m v 2r ,同时又有L =r ·sin θ,解得q m =E sin θB 2L.带电粒子的比荷常见的三种测量方法1.利用磁偏转测比荷:由q v B =m v 2R 得q m =v BR,只需知道磁感应强度B 、带电粒子的初速度v 和偏转半径R 即可.2.利用电偏转测比荷:偏转量y =12at 2=12·qU md ⎝⎛⎭⎫L v 2,故q m =2yd v 2UL 2,所以在偏转电场U 、d 、L 已知时,只需测量v 和y 即可.3.利用加速电场测比荷:由动能定理qU =12m v 2得q m =v 22U,在加速电场U 已知时,只需测出v 即可.二、原子的核式结构模型导学探究如图所示为1909年英国物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的实验装置,阅读课本,回答以下问题:(1)什么是α粒子?(2)实验装置中各部件的作用是什么?实验过程是怎样的?(3)实验现象如何?(4)少数α粒子发生大角度散射的原因是什么?答案(1)α粒子(42He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子,实质是失去两个电子的氦原子核.质量是电子质量的7 300倍.(2)①α粒子源:把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中,放射出高能的α粒子.②带荧光屏的放大镜:观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光.实验过程:α粒子经过一条细通道,形成一束射线,打在很薄的金箔上,由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用,一些α粒子会改变原来的运动方向.带有显微镜的荧光屏可以沿题图中虚线转动,以统计向不同方向散射的α粒子的数目.(3)α粒子散射实验的实验现象:绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了大角度偏转,极少数偏转的角度甚至大于90°.(4)α粒子带正电,α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射.知识深化1.实验现象的分析(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变.(2)少数α粒子发生了大角度偏转,甚至反弹回来,表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量比它本身大得多的物质的作用.汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射.(3)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化,说明原子中绝大部分是空的,原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内.2.卢瑟福的原子核式结构模型在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间里绕着核旋转.命题角度1α粒子散射实验及其解释例3如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图,图中的显微镜可在圆周轨道上转动,通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况.下列说法中正确的是()。
北京市西城区2025届高三物理下学期诊断性测试试题含解析
故选C。
7.1970年4月24日,我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”放射胜利,经过航天人半个世纪的不懈努力,我国的航天事业取得了辉煌的成果,实现了载人航天飞行,开展了月球探测工程,即将建成北斗卫星导航系统。关于绕地球做匀速圆周运动的人造地球卫星,下列说法正确的是( )
北京市西城区2025届高三物理下学期诊断性测试试题(含解析)
本部分共14小题,每小题3分,共42分。在每小题列出的四个选项中,选出最符合题目要求的一项。
1.下列说法正确的是( )
A.液体中悬浮微粒的无规则运动称为布朗运动
B.液体分子的无规则运动称为布朗运动
C.物体温度降低,其内能肯定增大
D.物体温度不变,其内能肯定不变
故选A。
12.如图所示,轻质弹簧上端固定,下端悬挂一个磁铁,在磁铁下端放一个固定的闭合导体线圈,将磁铁托起到肯定高度后由静止放开,使磁极上下振动时穿过线圈。有关磁铁由最高点运动到最低点的过程下列说法正确的是( )
A. 磁铁克服弹簧弹力做的功等于磁铁重力做的功
B. 磁铁克服弹簧弹力做的功大于磁铁重力做的功
故选C。
10.如图所示,一带正电的点电荷固定于O点,图中虚线为以O为圆心的一组等间距的同心圆。一带电粒子以肯定初速度射入点电荷的电场,实线为粒子仅在静电力作用下的运动轨迹,a、b、c为运动轨迹上的三点。则该粒子( )
A. 带负电
B. 在c点受静电力最大
C. 在a点的电势能小于在b点的电势能
D. 由a点到b点的动能改变量大于由b点到c点的动能改变量
本部分共6题,共58分。
15.通过试验测量金属丝的电阻率。
(1)用螺旋测微器测量金属丝 直径,某次测量示数如图所示,可得金属丝直径的测量值d=________mm;
西尔斯第24章课后习题答案
Chapter 24 exercises:24-3 a) When the speed of q 2 is 22.0m/s, the kinetic energy of q 2 is21121mv K =; the potential energy of system is 102114r q q U πε=.According to the conservation of energy , when the two spheres are 0.400m apart, the energy is22221mvK =, 202124r q q U πε=. 2211U K U K +=+. We get the speed of q 2 iss m v /5.122=.b) When the q 2 closes to the q 1, the speed of q 2 will slowly until its zero. So the system energy is113U K U +=;10212130214214r q q mv r q q πεπε+=. The distance between the two charges ism r 323.03=.24-7 a) When q 3 is placed at x = +10.0cm, the potential energy of system isJr q q r q q r q q U U U U 7129912991299303120321021*******.310.01085.814.341000.21000.410.01085.814.341000.2)1000.3(20.01085.814.34)1000.3(1000.4444----------⨯-=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-+⨯⨯⨯⨯⨯-⨯⨯=++=++=πεπεπεb) When the potential energy of the system is zero, the q 3 is placed 0444303120321021321=++=++=r q q r q q r q q U U U U πεπεπε3312321210r q q r q q r q q ++=; 2.023=+r rm r 0743.03=.24-9 If zero net work is required to place the three charges at the corners of the triangle, the third charge must be0444000='+'+rq q rq q rqq πεπεπε, 2q q -='.24-25 a) The electron will move with an acceleration to the center of the ring. After through the center, the electron will leave it until the speed is zero. Then it will return to the center and through it to move other side. So the electron will do oscillation.b) According to the conservation of energy, we get K U =,2002144mvReq req =-πεπε.2311291922129191011.92115.01085.814.341024106.130.015.01085.814.341024106.1v⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯--+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯--------s m v /1067.17⨯=.24-26 We can suppose the zero potential energy at point p. The distance of point p is R. So we get the initial energy of proton is 2121ln2mv Rr q K U +=+πελ. The final energy of proton isR r q U '=ln202πελ. According to the conservation of energy, we know 22121mv U U =-.221ln2mv r r q ='πελ. The final distance between the line and the proton is cm r 8.15='.24-57 a) Take V = 0, r = b, when r < a, the potential isab dr rr d E r d E r d E V babrarbaln2200πελπελ==⋅+⋅=⋅=⎰⎰⎰⎰.When a < r < b, the potential is rb dr rV brln2200πελπελ==⎰.When r > b, the potential is v = 0.b) Between the inner cylinder and outer cylinder, the electric field is rE 02πελ=. So thepotential difference is ⎰==baab ab dr rV ln2200πελπελ.c) Use Eq. (24-23), we get ()()r a b V r b b rdrdV r E ab 1/ln 220⋅=⎪⎭⎫⎝⎛-⨯⨯-=-=πελ.24-73 a) Use the small element on the rod xdq dV 04πε=, at point P , we getxa x aQ xa x xdxxdq dV V ax xax x+=+====⎰⎰⎰++ln4ln4440000πεπελπελπε.b) At point R, we get⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=+===⎰⎰⎰2002201ln 444y a y a a Q yx dxrdqdV V aπεπελπε.c) In part a, when the x is much larger than a, we can think the charged rod like a point charge, so the potential is xQ V 04πε=. In part b, the potential is yQ V 04πε=.24-78 a) From the equation ()2223),,(z y x A z y x V +-=, we can get at any point the electricfield is ()k z j y i x A k z V j y V i x V E 262+--=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂-=. b) At point()()m z y x 250.0,0,0,,=, the potential is )(0625.01V A V ⨯=. At point()()0,0,0,,=z y x , the potential is 02=V . The work done by the electric force isW q V V =-)(21. 651050.10625.01000.6--⨯⨯⨯=⨯A ; 640=Ac) At the point ()()m z y x 250.0,0,0,,=, the electric field is k k E320250.02640-=⨯⨯-=.d) In every plane parallel to the xz-plane, the equation is changed()2223640,,z x yz y x V +=+.So the equipotential contours are circles.e) The radius of the equipotential contour corresponding to V =1280V and y = 2.00m ism r 74.3)00.236401280(212=⨯+=.。
物理顶尖课课练选修2答案
物理顶尖课课练选修2答案1、35.下列物态变化现象中,属于放热的是()[单选题] *A.天气热的时候,从冰柜中拿出的冰,一会儿就变成了水B.北方的冬天,可以看到户外的人不断呼出“白气”(正确答案) C.夏天在教室地面上洒的水,过一会儿就会变干D.衣柜里防虫用的樟脑片,过一段时间会变小2、67.关于粒子和宇宙,下列认识中正确的是()[单选题] * A.光年是时间单位,宇宙是一个有层次的天体结构B.电子的尺度比原子的尺度大;原子核带负电,电子带正电C.水和酒精混合后总体积变小,说明分子间有引力D.汤姆生发现了电子,卢瑟福建立了原子核式结构模型(正确答案) 3、2.物体的加速度a=0,则物体一定处于静止状态.[判断题] *对错(正确答案)4、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5、水平桌面上的文具盒在水平方向的拉力作用下,沿拉力的方向移动一段距离,则下列判断正确的是()[单选题]A.文具盒所受拉力做了功(正确答案)B.文具盒所受支持力做了功C.文具盒所受重力做了功D.没有力对文具盒做功6、30.小霖发现夏天爸爸开车时,需要打开汽车的空调给车内降温。
当空调开了一会后发现,在前挡风玻璃板靠近空调口的地方会形成小水珠,影响开车视线,关于水珠的形成下列说法正确的是()[单选题] *A.水珠会形成在前挡风玻璃板的车内侧B.水珠会形成在前挡风玻璃板的车外侧(正确答案)C.水珠是由于车外的水蒸气遇冷凝华而成的D.水珠是由于车内的水蒸气遇冷液化而成的7、C.影动疑是玉人来D.厕所大脏,奇臭难闻(正确答案)答案解析:A、酒香不怕巷子深,说明酒精分子能产生扩散现象,说明酒精分子可以做无规则的热运动.故A正确.B、花香扑鼻是一种扩散现象,说明分子在做无规则的热运动.故B正确.C、隔墙花影动,疑是玉人来,是由于光直线传播产生的现象,与分子热运动无关.D、厕所太脏,其臭难闻同,说明分子在做无规则运动.故D正确.有关电动势的说法中正确的是()*A.电源的电动势等于内、外电路电势降之和(正确答案)8、跳水运动员起跳时,跳板向下弯,人对跳板的作用力与跳板对人的作用力大小相等[判断题] *对(正确答案)错答案解析:它们是一对相互作用力9、2.在800 m比赛中,李明以2分01秒46的成绩获得冠军,其中的2分01秒46指的是时间间隔,800 m指位移.[判断题] *对错(正确答案)10、1.将石块竖直上抛至最高点时v=0,是平衡状态.[判断题] *对错(正确答案)11、举重运动员把杠铃举在空中停三秒,此时运动员对杠铃的举力做功[判断题] *对错(正确答案)答案解析:有力无距离,不做功12、82.甲、乙两球的质量相等,体积关系为V甲=6V乙,构成两球物质的密度关系为ρ乙=3ρ甲。
2025高考物理步步高同步练习选修1第二章 机械振动简谐运动的回复力和能量含答案
2025高考物理步步高同步练习选修1第二章机械振动3简谐运动的回复力和能量[学习目标] 1.理解回复力的概念,知道回复力在机械振动中的特征(重点)。
2.会用动力学方法分析简谐运动中位移、回复力、速度、加速度的变化规律(重点)。
3.会用能量守恒的观点分析水平弹簧振子在振动过程中动能、势能、总能量的变化规律(重难点)。
一、简谐运动的回复力如图所示为水平方向的弹簧振子模型。
(1)当小球离开O点后,是什么力使其回到平衡位置的?(2)使小球回到平衡位置的力与小球离开平衡位置的位移的大小及方向有何关系?答案(1)弹簧的弹力使小球回到平衡位置。
(2)弹簧弹力与位移大小成正比,方向与位移方向相反。
1.回复力(1)定义:使振动物体回到平衡位置的力。
(2)方向:总是指向平衡位置。
(3)表达式:F=-kx。
式中“-”号表示F与x方向相反。
2.简谐运动理论上可以证明,如果物体所受的力具有F=-kx的形式,物体就做简谐运动。
也就是说:如果物体在运动方向上所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比,并且总是指向平衡位置,物体的运动就是简谐运动。
在劲度系数为k,原长为L0的固定于一点的弹簧下端挂一质量为m的小球,释放后小球做上下振动,弹簧始终没有超出弹性限度,小球的振动是简谐运动吗?如果是,什么力充当回复力?答案规定向下为正方向,在平衡位置b点,有mg=kx0,小球在c点受到的弹力大小为F′=k(x+x0),小球在c点的回复力F=mg-F′=mg-k(x+x0)=mg-kx-kx0=-kx,回复力满足F=-kx,是简谐运动。
弹簧弹力和重力的合力充当回复力。
1.回复力的性质回复力是根据力的效果命名的,可能由合力、某个力或某个力的分力提供。
它一定等于振动物体在振动方向上所受的合力。
例如:如图甲所示,水平方向的弹簧振子,弹簧弹力充当回复力;如图乙所示,竖直方向的弹簧振子,弹簧弹力和重力的合力充当回复力;如图丙所示,在光滑地面上质量为m的木块随质量为M的滑块一起振动,木块的回复力由静摩擦力提供。
苏科苏教八年级下册第二学期月考物理试卷(含答案)百度文库
苏科苏教八年级下册第二学期月考物理试卷(含答案)百度文库一、选择题1.关于粒子和宇宙,下列说法正确的是( )A .电子、原子核、原子是按照由小到大的尺度排序的B .柳絮漫天飞舞,说明分子在做永不停息的无规则运动C .固体、液体很难被压缩,说明分子间存在吸引力D .宇宙是一个有层次的天体结构系统,其中恒星是绝对不动的2.如图所示,A 、B 、C 、D 四个轻质泡沫小球用绝缘细线悬挂在天花板上,它们之间相互作用时的场景如图,已知A 球与用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷相同,那么D 球带( )A .正电荷B .负电荷C .不带电D .以上三种都有可能3.下列做法中,属于增大摩擦的是 ()A .锁生锈不好开时,可将少量铅笔芯粉末灌入锁孔,锁就容易打开了B .在拉链上涂抹一点石蜡,拉链拉起来就顺滑多了C .搬运笨重货箱时,在地上铺几根圆木就容易搬动D .冬天马路上结冰时,在冰面上铺些稻草,行走就更安全4.如图所示,两匹马各用1000 N 的力沿完全相反的方向拉一弹簧测力计,则此时弹簧测力计的读数为( )A .2 000 NB .1 000 NC .0 ND .500 N5.体积和质量都相等的铝球、铁球和铅球密度分别是32.7g cm ρ=铝、37.9g cm ρ=铁、311.3g ρ=铅,下列说法正确的是()A .若铝球是空心的,则铁球和铅球一定是空心的B .若铁球是实心的,则铝球和铅球一定是空心的C .若铅球是空心的,则铁球和铝球一定是空心的D .三个球都可能是实心的6.有关宇宙的起源,多数宇宙学家所持的观点是宇宙( )A .没有起源是天然形成的B .形成于气候的反复变化C .肯定是恒星湮灭造成的D.诞生于150亿年前的一次大爆炸7.下列是小明使用天平、量筒和弹簧测力计时的操作,其中正确的是A.B.C.D.8.体育中考中,扔出去的实心球在空中继续向前运动,下列说法正确的是()A.实心球继续向前运动是由于实心球具有惯性B.实心球继续向前运动是受到惯性的作用C.实心球继续向前运动是受到向前的推力D.以上说法都不对9.了解社会,从了解自己开始,对于一名初中生小明来讲,下面的说法中正确的是()A.质量约为500kg B.体重约为50N C.体积约为5×10-2m3D.密度约为5×103kg/m310.我国的“嫦娥工程”按“绕月、落月和驻月”三步进行,已知月球上无大气、无磁场、弱重力,在学校举行的“我想象中的月球车”科技活动中,爱动脑筋的小强提出了以下有关设想,你认为合理的是()A.必须配备降落伞,以确保安全落月B.“嫦娥工程”在“驻月”时质量变小C.“嫦娥工程”在“绕月”时,受平衡力D.可在月球车上安装重垂线,以便观察倾斜程度11.若外力全部撤销时,下列哪种情况能使物体保持匀速直线运动()A.发球时将乒乓球沿竖直方向抛到最高点B.荡秋千人达到最高点C.斜抛出去的篮球达到最高点D.跳绳时人达到最高点12.下列知识结构正确的是()A.物理量决定因素质量密度体积B.C.D.二、填空题13.现有密度为1ρ的液体甲和密度为2ρ的液体乙,质量均为0m ,已知12ρρ<,则液体___的体积较多。
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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。