בגרות פיזיקה חשמל ומגנטיות, קיץ 2021 מועד א'

עבור כל אחד מן הכדורים קבע אם לאחר שהוציאו אותו מן השדה החשמלי הוא טעון במטען חשמלי חיובי או טעון במטען חשמלי שלילי או אם הוא ניטרלי. נמק את קביעותיך.

התלמידים הפרידו את הכדורים מן המקלות (בלי לשנות את מטענם) וקיבעו את כדור A למרכז של משטח אופקי חלק ומבודד. הם הניחו את כדור C על המשטח במרחק r מכדור A, והעניקו לכדור C מהירות התחלתית v0⃗. בעקבות זאת כדור C נע בתנועה קצובה לאורך מסלול מעגלי שבמרכזו כדור A (ראה תרשים 2).

סעיף ב. סרטט תרשים של כל הכוחות הפועלים על הכדור C בחולפו בנקודה P, ורשום ליד כל כוח את שמו (או את האותיות המסמלות אותו).

נתון: המרחק בין הכדורים r = 0.9m, המסה של כל כדור היא m = 0.01kg. גודל המהירות ההתחלתית שניתנה לכדור C הוא v0 = 2 m/s.

סעיף ג. חשב את מטען הכדור C.

חשב את השינוי שחל במספר האלקטרונים בכדור C בעקבות תהליך הטעינה המתואר בפתיח לשאלה.

התלמידים החליפו בין הכדורים A ו־C: הם קיבעו את כדור C למרכז המשטח, והעניקו לכדור A מהירות התחלתית השווה (בגודלה ובכיוונה) למהירות v0⃗ שניתנה לכדור C קודם לכן.

סעיף ה. קבע אם תנועת כדור A זהה לזו שהייתה לכדור C קודם לכן. אם כן — נמק את קביעתך. אם לא — מהו השוני בין התנועות?

התלמידים פרקו את המטען מן הכדורים וחזרו על תהליך הטעינה המתואר בפתיח לשאלה, אך הפעם החליפו את כדור המתכת האמצעי B בכדור D העשוי מחומר מבודד.

סעיף ו. עבור כל אחד מן הכדורים A, C ו־D קבע אם לאחר הוצאתו מן השדה החשמלי הוא טעון במטען חשמלי חיובי או טעון במטען חשמלי שלילי או אם הוא ניטרלי. נמק את קביעותיך.

בשאלה זו רמת אפס של הפוטנציאל החשמלי נקבעה באין־סוף ויש להזניח כוחות כבידה.

סעיף א. חשב את השדה החשמלי השקול E⃗ (גודל וכיוון) הנוצר בקודקוד C באמצעות שני המטענים.

חשב את הפוטנציאל החשמלי הכולל, V, הנוצר בקודקוד C באמצעות שני המטענים.

האם במערכת המטענים המוצגת בתרשים 1 קיימת נקודה שבה הפוטנציאל החשמלי שונה מאפס, והשדה החשמלי בה שווה לאפס? אם לא — נמק. אם כן — ציין את מיקומה של הנקודה.

במערכת אחרת נמדד הפוטנציאל החשמלי, V, לאורך ציר ה־x. בתרשים 2 מוצג גרף של V כפונקציה של x.

סעיף ד. סרטט במחברתך גרף המתאר את השדה החשמלי כפונקציה של x, עבור התחום שבין x = 0 לבין x = 8cm.

משחררים ממנוחה חלקיק שמטענו q3 = -40μC מנקודה K שעל ציר ה־x, ששיעורה xK = 6cm (ראה תרשים 2). החלקיק מתחיל לנוע על ציר ה־x בתאוצה שגודלה 2 m/s².

סעיף ה. קבע אם החלקיק q3 נע בכיוון החיובי של ציר ה־x או בכיוון השלילי. נמק את קביעתך.

חשב את מסת החלקיק q3.

התלמידה הציבה את המגע הנייד K בנקודות שונות על פני הנגד המשתנה, ובכל פעם מדדה את I, עוצמת הזרם במעגל, ואת V, המתח בין הנקודה M לבין הנקודה K. תוצאות המדידות מוצגות בטבלה שלפניך. [טבלה] I(A): 0.5 , 1.0 , 1.5 , 2.0 , 2.5 [טבלה] V(V): 4.9 , 3.9 , 3.2 , 2.0 , 0.8 אחד מזוגות המדידות שבטבלה מתאים למצב שבו המגע הנייד K היה בקצה N של הנגד המשתנה.

סעיף א. מהי עוצמת הזרם במצב זה? נמק את תשובתך.

(1) סרטט דיאגרמת פיזור (נקודות במערכת צירים) של המתח, V, כפונקציה של עוצמת הזרם, I. (2) הוסף לדיאגרמת הפיזור את הישר המתאים לה ביותר (קו מגמה).

השתמש בגרף שסרטטת ורשום את ערך הכא"מ ε של מקור המתח. בגרף שסרטטת סמן (בצורה בולטת) את הנקודה שבה השתמשת לקביעת תשובתך.

השתמש בגרף וחשב את ההתנגדות הפנימית r של מקור המתח.

קבע מהי עוצמת הזרם המתאימה למצב שבו המגע הנייד נמצא בנקודה M.

על פי נוסחת חוק אוהם, כאשר המתח גדל — גם עוצמת הזרם גדלה. אבל במדידות של התלמידה, כאשר המתח גדל — עוצמת הזרם קטנה. האם תוצאות המדידות עומדות בסתירה לחוק אוהם? נמק את תשובתך.