Respuestas a preguntas reales sobre tareas de física

Ejemplo 1 Como se muestra en la Figura 10-1, coloque la barra magnética sobre una mesa horizontal y fije una línea recta sobre su centro. El cable es perpendicular al campo magnético. Ahora aplique una corriente perpendicular al papel. Las siguientes afirmaciones son correctas: [] A. La presión del imán sobre el escritorio disminuye b. La presión del imán sobre el escritorio aumenta c. La solución incorrecta tiene problemas a la hora de seleccionar el objeto de investigación para el análisis de fuerzas y no utiliza la tercera ley de Newton para analizar dónde actúa la fuerza de reacción del cable sobre el imán. La respuesta correcta es que el cable energizado se coloca encima de la barra magnética y se coloca en el campo magnético, como se muestra en la Figura 10-2. Según la regla de la mano izquierda, un cable que transporta corriente experimenta una fuerza de amperaje descendente. Además, según la tercera ley de Newton, las fuerzas son mutuas. El imán tiene un efecto descendente sobre el cable con corriente, y el cable con corriente tiene una fuerza de reacción sobre el imán. Esta fuerza de reacción actúa sobre el imán en dirección hacia arriba, como se muestra en la Figura 10-3. El análisis de fuerza del imán muestra que como el imán siempre está estacionario, cuando no hay un cable energizado, N = mg, y cuando hay un cable energizado, N f′ = mg, N = mg-f′, y la presión del imán sobre la mesa se reduce, así que elija a. Ejemplo 2 Como se muestra en la Figura 10-4, un imán de barra plana colocado horizontalmente tiene un marco de alambre sobre el extremo izquierdo del imán y el plano del marco de alambre. es perpendicular al imán. Cuando la estructura de alambre se traslada horizontalmente desde el extremo izquierdo al extremo derecho, el cambio del flujo magnético que lo atraviesa es: [] A. Primero disminuye y luego aumenta b. Siempre disminuye c. Siempre aumenta y luego. disminuir el error Análisis de solución: El magnetismo de la barra magnética es extremadamente fuerte, por lo que el magnetismo de la estructura de alambre cambia de fuerte a débil y luego de fuerte a fuerte a medida que se mueve de un extremo del polo magnético al otro. De acuerdo con la fórmula de cálculo del flujo magnético, φ = b s, el área de la estructura de alambre permanece sin cambios y φ cambia en proporción a B, por lo que se selecciona A. Cuando estaba haciendo las preguntas, no entendía realmente el concepto de flujo magnético y no formé correctamente en mi mente un modelo de la distribución espacial de las líneas del campo magnético de una barra magnética. Por lo tanto, la fórmula φ = b s utilizada para calcular a ciegas el flujo magnético muestra que el flujo magnético φ que pasa por la estructura de alambre directamente sobre el polo magnético es mayor que el flujo magnético que pasa por la estructura de alambre directamente sobre el centro. Responda correctamente la especificación y dibuje una vista en sección transversal de la distribución espacial de las líneas de inducción magnética de una barra magnética, como se muestra en la Figura 10-5. Usando φ = b s, juzgue cualitativamente que el flujo magnético que pasa a través de la bobina cerrada primero aumenta y luego disminuye, y seleccione D. En resumen, la fórmula de cálculo de φ = b S es condicional cuando se usa, y b es un campo magnético uniforme, lo que requiere que b sea perpendicular a S. Por lo tanto, el flujo magnético no es necesariamente grande en lugares con alta intensidad de inducción magnética. Sin embargo, el campo magnético sobre el polo magnético en esta pregunta no es un campo magnético uniforme, y el campo magnético es el mismo que El ángulo entre el plano de estructura alámbrica directamente arriba se desconoce y es difícil de calcular cuantitativamente. El propósito de escribir este tema es recordar a los estudiantes que presten suficiente atención a la visualización de campos magnéticos. Ejemplo 3 Como se muestra en la Figura 10-6, cuando se aplica un voltaje de CA a ambos extremos del solenoide y se inyectan electrones a lo largo del eje del solenoide, los electrones harán [] A. Movimiento lineal acelerado b. Movimiento circular uniforme d. Análisis simplificado de solución incorrecta del movimiento armónico Solución incorrecta 1: cuando se aplica un voltaje de CA a ambos extremos del solenoide, hay un campo magnético en el solenoide y los electrones experimentarán una fuerza magnética en el campo magnético. , así que elige un. Solución incorrecta 2: aplique voltaje de CA a ambos extremos del solenoide y habrá un campo magnético dentro del solenoide. La dirección del campo magnético cambia periódicamente, y la fuerza sobre los electrones en el campo magnético que cambia periódicamente también cambia periódicamente, por lo que se mueven hacia adelante y hacia atrás. Entonces elija d. Hay dos razones fundamentales para los errores en las soluciones 1 y 2: Primero, después de aplicar voltaje de CA a ambos extremos del solenoide, la situación específica de los cambios periódicos en la magnitud y dirección del campo magnético dentro del solenoide. no está claro; en segundo lugar, las condiciones aplicables para la fuerza de Lorentz f=Bqv no están claras y la fórmula es confusa. Si la fuerza de Lorentz es f=Bqv, la carga en movimiento se inyecta verticalmente en el campo magnético. Cuando la dirección del movimiento forma un ángulo con b, la fuerza de Lorentz es f = Bqv sinθ. Cuando θ = 0° o θ = 180°, la carga en movimiento no se ve afectada por la fuerza de Lorentz. Después de aplicar un voltaje de CA a ambos extremos del solenoide, la magnitud y dirección del campo magnético dentro del solenoide cambia periódicamente, pero siempre es paralela al solenoide. La dirección del movimiento de los electrones inyectados a lo largo del eje del solenoide es paralela. a la línea de inducción magnética. Los electrones que vuelan a lo largo de un eje siempre se mueven en línea recta en ausencia de la fuerza de Lorentz. El ejemplo 4 tiene una bobina conductora rectangular libre y se aplica corriente I'.

Muévalo al lado derecho de un alambre largo y recto que transporta corriente constante I. Sus lados ab y cd están en el mismo plano que el alambre largo y recto AB y son paralelos entre sí, como se muestra en la figura 10-7. Intente determinar la fuerza y ​​el movimiento de la bobina después de soltarla del reposo. (Excluyendo la gravedad) Análisis de solución incorrecta Solución incorrecta: juzgada por la interacción de los polos magnéticos. Debido a que el campo magnético generado por una corriente recta larga es perpendicular al papel y hacia adentro a lo largo de la dirección de la línea de inducción magnética donde se encuentra la bobina rectangular, es equivalente a que el polo N de la barra magnética esté hacia adentro en la bobina rectangular. Dado que la bobina energizada es equivalente a una corriente anular, se considera que su polo magnético es el polo S hacia afuera según la regla de la espiral derecha, y será atraída por el polo N equivalente, por lo que la bobina rectangular energizada acelerará hacia afuera perpendicularmente a la superficie del papel. La fuente del error radica en equiparar el campo magnético de una corriente lineal con el campo magnético de una barra magnética. Sabemos que las líneas de inducción magnética de un campo magnético de corriente lineal son un grupo de círculos concéntricos con cada punto de la línea recta como centro. No tiene polo N ni polo S, por lo que se le puede llamar campo no polar, que no es equivalente al campo polarizado de una barra magnética. La respuesta correcta está determinada por la regla de la mano izquierda. Primero, dibuje la distribución del campo magnético de la corriente lineal donde se encuentra la bobina rectangular y use la regla de la espiral derecha para determinar la dirección del campo magnético perpendicular al papel, como se muestra en la Figura 10-8. La dirección de la fuerza en amperios en los cuatro lados de la bobina está determinada por la regla de la mano izquierda. Entre ellos, F1 y F3 están en equilibrio, y F4 > F2 se debe a que el campo magnético en el lado ab es más fuerte que el lado cd. Se puede ver que la dirección de la fuerza en amperios resultante sobre la bobina rectangular abcd es hacia la izquierda, y acelerará hacia la izquierda, acercándose al conductor AB. Existen condiciones para utilizar la idea de equivalencia para abordar problemas. La equivalencia de los campos magnéticos debe ser tal que la distribución de los campos magnéticos sea similar. Por ejemplo, los campos magnéticos de una barra magnética y un solenoide recto energizado son casi iguales y pueden ser equivalentes. Así que tenemos que dibujar honestamente los dos campos magnéticos y compararlos para ver si cumplen las condiciones de equivalencia. En esta cuestión, el campo magnético de una corriente lineal no puede ser equivalente a un campo magnético uniforme. Ejemplo 5 Como se muestra en la figura 10-9, un conductor en anillo suspendido por un alambre aislado está ubicado en un campo magnético uniforme perpendicular a su plano hacia la derecha. Si el conductor circular transporta corriente I en la dirección que se muestra en la figura, intente determinar el movimiento del conductor circular. Análisis de solución incorrecta Solución incorrecta: se sabe que las líneas de inducción magnética de un campo magnético uniforme son perpendiculares a la superficie toroidal del conductor, lo que equivale al polo N de la barra magnética que mira hacia el lado izquierdo de la superficie toroidal del conductor de anillo y el polo N del conductor de anillo energizado, es decir, el campo magnético de la corriente de anillo está a la izquierda (de acuerdo con la regla de la mano derecha) y será repelido por el polo N equivalente y el conductor de anillo. comienza a acelerar hacia la derecha. El campo magnético uniforme se confunde con el campo magnético de una barra magnética. La respuesta correcta está determinada por la regla de la mano izquierda. Un conductor en anillo se puede dividir en varios segmentos iguales y la fuerza en amperios sobre cada segmento del conductor energizado se dirige hacia el centro del círculo. Por simetría, estas fuerzas de Ampere son pares de fuerzas en equilibrio. Por lo tanto, el conductor anular permanecerá en su estado estático original. Resumen Tanto el campo magnético de la corriente lineal como el campo magnético uniforme deben considerarse campos no polares. En este campo magnético, el método del polo magnético equivalente no se puede utilizar para analizar la fuerza sobre la bobina energizada porque no se ajusta a la situación real. Debemos usar la regla de la mano izquierda para analizar la dirección de la fuerza resultante de Ampere y luego determinar el cambio en su estado de movimiento. Ejemplo 6 Una varilla conductora cargada ab con masa m se coloca sobre un riel guía con un ángulo de inclinación θ, como se muestra en la Figura 10-10. Se sabe que el coeficiente de fricción cinética entre el conductor y el carril guía es μ. En los diversos campos magnéticos agregados en la Figura 10-11, el conductor está en un estado estacionario, entonces las posibles situaciones donde la fuerza de fricción entre el conductor y el riel guía es cero son las siguientes:

Pregunta incorrecta análisis Pregunta incorrecta: Según f en la pregunta =μN, μ≠0, si f=0, entonces N=0. Para este propósito, es necesario utilizar la gravedad g del conductor para equilibrar la fuerza en amperios FB. De acuerdo con la regla de la izquierda, se puede juzgar que el elemento B en la Figura 10-11 es posible, así que elija B. El análisis anterior se vio interferido por el "coeficiente de fricción dinámica es μ" en el título, y la fórmula de cálculo de la fricción por deslizamiento f = μN se usó incorrectamente para discutir el problema de la fricción estática. Conduciendo a decisiones equivocadas y decisiones perdidas. La solución correcta es hacer que la fricción estática sea cero. Si N=0, debe haber f=0. En la opción 10-11B de la Figura 65438, la dirección de la fuerza en amperios es verticalmente hacia arriba, opuesta a la dirección de la gravedad, lo que puede hacer que N=0 y b sean correctos si N≠0, la fuerza resultante de otras fuerzas sobre el conductor; excepto que la fuerza de fricción estática F es cero, entonces f = 0. En la opción de la Figura 10-11A, la fuerza de gravedad resultante G, la fuerza de soporte N y la fuerza en amperios F sobre el conductor pueden ser cero, y la fuerza de fricción estática sobre el conductor puede ser cero.

En la opción C.D de la Figura 10-11, analizando desde la dirección de la gravedad G, la fuerza de soporte N y la fuerza en amperios F, la fuerza resultante no puede ser cero, por lo que la fuerza de fricción estática sobre el conductor tampoco puede ser cero. Entonces la opción correcta debería ser a.b. Para resumir, esta pregunta es una pregunta muy conceptual y una pregunta integral que involucra conocimientos de mecánica y electricidad. Hay dos tipos de fricción: fricción estática y fricción deslizante. La premisa para juzgar su diferencia es si existe movimiento relativo entre dos objetos en contacto entre sí. La precisión de los conceptos en mecánica afecta el rendimiento académico en electricidad. Ejemplo 7: Como se muestra en la Figura 10-12, una partícula cargada negativamente entra en un campo magnético circular uniforme perpendicular a la dirección del campo magnético. Cuando sale del campo magnético, su velocidad se desvía de la dirección original en 60°. Se sabe que la masa de la partícula cargada es m=3×10-20kg, la carga eléctrica q=10-13C y la velocidad v0. Análisis de pregunta incorrecta Pregunta incorrecta: las partículas cargadas realizan un movimiento circular uniforme en un campo magnético El diagrama de trayectoria de movimiento de las partículas cargadas no está dibujado de acuerdo con el significado de la pregunta. El radio del campo magnético circular se considera erróneamente como el radio de la partícula. movimiento, lo que indica que no se comprende la importancia de la física de las cantidades físicas en la fórmula. Resuelva correctamente el punto de intersección O' de la línea vertical de velocidad que entra y sale del campo magnético. El punto O' es el centro del movimiento circular de la partícula y dibuje la trayectoria de movimiento AB en consecuencia, como se muestra en la Figura 10-13. . El radio de este círculo se registra como r. Resumen del movimiento circular uniforme de partículas cargadas en un campo magnético Dado que la fuerza de Lorentz es siempre perpendicular a la dirección de la velocidad, si se conocen dos direcciones de velocidad de la partícula cargada, podemos. calcule las dos velocidades por El punto de intersección de estas dos líneas verticales es el centro del movimiento circular de la partícula cargada. Ejemplo 8 Como se muestra en la Figura 10-14, las partículas cargadas se mueven en un campo magnético uniforme en el ambiente de vacío como se muestra en la figura. La órbita está formada por dos arcos de medio punto conectados con radios diferentes, con una fina lámina de metal en el medio. Las partículas pierden energía cinética a su paso. Intente determinar cuál de las trayectorias del semicírculo superior e inferior tarda más. Análisis de solución incorrecta Solución incorrecta: el período de giro es proporcional al radio de giro. Debido a que el radio superior de la pista es grande, lleva mucho tiempo. Es erróneo pensar que la velocidad de las partículas cargadas que se mueven con un movimiento circular en un campo magnético es constante y está determinada por la fórmula periódica

Según la dirección de la fuerza de Lorentz (apuntando al centro de el círculo), la dirección del campo magnético y la pérdida de energía cinética, determinan que la partícula esté cargada positivamente y se mueva en dirección abcde. Luego calcule el tiempo necesario para pasar por los arcos superior e inferior: la subvelocidad v y el radio de giro r de una partícula cargada que se mueve uniformemente en un campo magnético son independientes. Por lo tanto, el tiempo necesario para que pasen las partículas del arco superior e inferior es igual. La pérdida de energía cinética hace que la velocidad de la partícula disminuya, lo que resulta en una disminución proporcional del radio de giro sin cambiar el período. Resumir el proceso del ciclotrón es exactamente lo opuesto a lo que describe esta pregunta. En un ciclotrón, las partículas se aceleran continuamente, pero el período de movimiento circular de las partículas en el campo magnético permanece sin cambios. Ejemplo 9 Un ion negativo con masa m y carga q se inyecta en una cámara de vacío con un campo magnético uniforme a una velocidad v0 a través de un pequeño orificio O perpendicular a la pantalla S, como se muestra en la Figura 10-15. La dirección de la intensidad de inducción magnética B es perpendicular a la dirección de la velocidad inicial de los iones y perpendicular a la superficie del papel. Si los iones tardan un tiempo T en alcanzar esta posición P después de entrar en el campo magnético, demuestre el ángulo θ entre la línea recta OP y la dirección de incidencia del ion y analice la solución incorrecta para T. Según la segunda ley de Newton y la fórmula de la aceleración centrípeta, cuando aplicamos la segunda ley de Newton para resolver problemas, F debe ser una fuerza constante o una fuerza promedio, y la fuerza de Lorentz en este problema es una fuerza que cambia de dirección. No se puede sustituir directamente en la fórmula a resolver. La respuesta es correcta

Como se muestra en la Figura 10-16, cuando el ion alcanza la posición P, el ángulo central es

Al resumir, siempre preste atención al rango de condiciones aplicables de la fórmula. Si no prestamos atención, cometeremos errores. Si desea utilizar la segunda ley de la fuerza promedio de Newton para resolver, primero requiera la aceleración promedio. El ejemplo 10 se muestra en la Figura 10-17. En el eje x, hay un campo magnético uniforme perpendicular al plano xy, y la intensidad de la inducción magnética es b desde el origen de coordenadas. Pop a lo largo de la dirección positiva del eje y. Después de la expulsión, cuando alcanza el eje X por tercera vez, su distancia al punto O es l. Encuentre la velocidad v cuando la partícula es expulsada y la distancia total S que recorre (excluyendo la gravedad). Análisis de solución incorrecta Solución incorrecta: la partícula alcanza el eje X por tercera vez después de ser expulsada, como se muestra en la Figura 10-18.

Cada desplazamiento de una partícula en un campo eléctrico en un campo magnético es l. Cuando llega al eje X por tercera vez, la distancia total recorrida por la partícula es la longitud de un semicírculo y la. suma de seis desplazamientos.

La solución incorrecta se debió a un error en el examen. Interpretaron la frase "después de la expulsión, alcanzando el eje X por tercera vez" como "el número de veces que la partícula cruzó el eje X en el campo magnético", pero no contaron el número de veces que la partícula entró en el campo magnético. campo del campo eléctrico. En otras palabras, si el proceso físico no está claro, algo saldrá mal. Respuesta correcta: El movimiento de las partículas en un campo magnético es un movimiento circular uniforme y el movimiento de las partículas en un campo eléctrico es un movimiento lineal uniforme. Dibuje un bosquejo del proceso de movimiento de partículas 10-19. Según esta imagen, la partícula ingresa primero al campo eléctrico a través del . Esta es la segunda vez que ingresa al campo magnético, luego la partícula se mueve en un círculo en el campo magnético y, después de medio ciclo, pasa por el eje X por tercera vez.

Bqv = mv2/r En el campo eléctrico: Cada desplazamiento de la partícula en el campo eléctrico es la longitud de un círculo más la suma de los dos desplazamientos cuando l llega por tercera vez al eje X . En resumen, analizar correctamente las imágenes físicas y los procesos físicos involucrados en el problema es el requisito previo para resolver problemas físicos. Esto suele ser más importante que los problemas de cálculo manual, porque refleja su comprensión correcta del problema. Hay algunos tipos de preguntas en los exámenes de ingreso a la universidad que requieren que los candidatos comprendan claramente las imágenes físicas involucradas en las preguntas y tengan una comprensión correcta de los procesos físicos. Ven a verme cuando tengas tiempo. Todavía tengo 300 preguntas de opción múltiple, lo cual está bien.