Eksempelspørsmål og formler for elektrisk energi og effekt
Energi og elektrisk kraft
1. Strømprisen per kWh er 400 Rp. I et hus fungerer en 100 watts TV i gjennomsnitt 4 timer om dagen, og to lamper på 20 watt hver brukes i 10 timer om dagen. Strømforbruket per måned (30 dager) er….
A. Rp. 4.800,-
B. Rp. 9 600,-
C. Rp. 19 200,-
D. Rp. 21 120,-
Diskusjon
Det er kjent at:
Strømtariffen er 400 rupiah/kWh.
TV-effekt = 1 x 100 watt = 100 watt og TV-brukstid = 4 timer x 30 = 120 timer
Lampeeffekt = 2 x 20 watt = 40 watt og lampebrukstid = 10 timer x 30 = 300 timer
Spurte: Kostnad for strømforbruk per måned
Jawab:
Elektrisk energi = elektrisk effekt x brukstid
TV-ens elektriske energi = 100 watt x 120 timer = 12 000 watt-timer
Lampeenergi = 40 watt x 300 timer = 12 000 watt-timer
Total energi = 12 000 wattimer + 12 000 wattimer = 24 000 wattimer = 24 kilowattimer = 24 kilowattimer = 24 kWh
Månedlig strømforbruk = (24 kWh) (Rp. 400/kWh) = (24) (Rp. 400) = Rp. 9 600,-
Det riktige svaret er B.
2. To lamper, hver merket 24 watt / 12 volt, kobles parallelt og deretter i serie med en 2 ohm motstand. Denne kretsen kobles deretter til en spenningskilde slik at begge lampene lyser med bare 25 % av sin maksimale lysstyrke. Hvis den ene lampen plutselig går i stykker, vil den andre lampen lyse med strøm…
A. 12 watt
B. 7,5 watt
C. 6 watt
D. 3 watt
Diskusjon
Kraftformel:
P = VI
Jeg = PV
atau
P = VI —–> I = V / R
P = V (V / R)
P = V2 /r
R = V2 / P
atau
P = VI —–> V = IR
P = (IR) I
P = I2 R
I2 = P / R
Beskrivelse: P = elektrisk effekt, V = elektrisk spenning, I = elektrisk strøm, R = lampemotstand
Beregn kretsmotstanden:
To lamper er hver merket 24 watt / 12 volt, som betyr at hver lampe vil lyse med en maksimal effekt på 24 watt når den er koblet til en spenning på 12 volt.
Motstanden til hver lampe beregnes ved hjelp av effektformelen:
R = V2 / P = 122 / 24 = 144 / 24 = 6 ohm
De to lampene er koblet parallelt, slik at den ekvivalente motstanden er:
1 / R12 = 1/R1 + 1/R2 = 1/6 + 1/6 = 2/6
R12 = 6/2 = 3 ohm
De to lampene er seriekoblet med en 2 ohm motstand, slik at den ekvivalente motstanden er:
R = 3 ohm + 2 ohm = 5 ohm
Så kretsmotstanden = R = 5 ohm.
Beregn den elektriske strømmen som flyter i kretsen:
Hvis begge lysene er på med en lysstyrke på 25 %, er begge lysene på med en effekt på 25/100 x 24 watt = 1/4 x 24 = 24/4 = 6 watt.
Den elektriske strømmen som flyter gjennom lampen beregnes ved hjelp av effektformelen:
I2 = P / R = 6 watt / 6 ohm = 1 ampere
Den elektriske strømmen som flyter gjennom hver lampe er 1 ampere. De to lampene er koblet parallelt, så ifølge Kirchhoffs første lov er den totale elektriske strømmen som flyter gjennom begge lampene 2 ampere. De to lampene er koblet i serie med en 2 ohm motstand, så den elektriske strømmen som flyter gjennom 2 ohm motstanden er også 2 ampere.
Så den elektriske strømmen som flyter i kretsen = I = 2 ampere.
Beregn spenningen til emk-kilden:
Den elektriske spenningen er:
V = IR = (2 ampere) (5 ohm) = 10 volt
Dette er spenningen til EMF-kilden hvis verdi ikke endres verken før en av lampene går i stykker eller etter at en av lampene går i stykker.
Beregn kretsmotstanden etter at en av lysene går i stykker:
Hvis en av lysene går i stykker, kobles den andre lyset som fortsatt lyser i serie med en 2 ohm motstand. Dermed endres kretsmotstanden til:
R = 6 ohm + 2 ohm = 8 ohm
Beregn den elektriske strømmen som flyter i kretsen etter at en av lysene går i stykker:
Den elektriske strømmen som flyter i kretsen er:
I = V / R = 10 volt / 8 ohm = 1,25 ampere
Lampen og motstanden er seriekoblet slik at den elektriske strømmen som flyter i kretsen = den elektriske strømmen som flyter i lampen = den elektriske strømmen som flyter i motstanden.
Beregn lampeeffekten:
Etter at et av lysene slukkes, lyser de andre lysene med en styrke på:
P = VI = (10 Volt)(1,25 Ampere) = 12,5 Watt
Elektronbevegelse
3. Massen til et elektron er kjent for å være 9,1 x 10-31 kg og elektronladning 1,6 x 10-19 C. Potensialforskjellen som kreves for å akselerere et elektron fra en hastighet på 1 x 105 m/s blir 3 x 105 m/s er…
A. 28,4375 mV
B. 56,875 mV
C. 113,75 mV
D. 227,5 mV
Diskusjon
Det er kjent at:
Elektronmasse (m) = 9,1 x 10-31 kg
Elektronladning (q) = 1,6 x 10-19 C
Starthastighet (vo) = 1 x 105 m/s —> volto2 = 1 x 1010 m2/s2
Slutthastighet (vt) = 3 x 105 m/s —> voltt2 = 9 x 1010 m2/s2
Spurte: Potensialforskjellen (V) som kreves for å akselerere et elektron
Jawab:
Endring i elektrisk potensiell energi = q V = (1,6 x 10-19 C) V
Endring i kinetisk energi = EKt – EKo = 1/2 m (vt2 - vo2) = 1/2 (9,1 x 10-31 kg)(9 x 1010 m2/s2 - 1 x 1010 m2/s2) = (4,55 x 10-31 kg)(8 x 1010 m2/s2) = 36,4 x 10-21 kg m²2/s2
Energi er evig, slik at elektrisk potensiell energi omdannes til kinetisk energi:
EPL tapt = EK dukket opp
(1,6 x 10-19) V = 36,4 x 10-21
V = 36,4 x 10-21 / 1,6 x 10-19
V = 22,75 x 10-2 Volt
V = 227,5 x 10-3 Volt
V = 227,5 millivolt
Det riktige svaret er D.
4. Spørsmål til den nasjonale naturfag-OL 2011 for ungdomsskoler på Regency-/bynivå nr. 56
I et laboratorium sendes en elektronstråle mot nord. Ovenfra observeres det at strålen bøyer seg mot venstre. Deretter sendes en elektronstråle mot sør. Ovenfra observeres det at strålen bøyer seg mot venstre. Dette betyr at det er…
A. elektrisk felt som er rettet mot vest
B. elektrisk felt som peker mot øst
C. magnetfelt som peker oppover
D. magnetfelt som er rettet nedover
Diskusjon
Elektroner er elektrisk ladet og kan beveges av elektriske eller magnetiske krefter når de er i et elektrisk eller magnetisk felt. Forskjellen er at elektriske krefter kan bevege elektroner både når de er i ro og når de beveger seg, mens magnetiske krefter bare kan bevege elektroner når de beveger seg.
En annen forskjell er at den elektriske kraften er i samme retning som det elektriske feltet, mens den magnetiske kraften er vinkelrett på magnetfeltet. Så hvis et elektron beveges av en elektrisk kraft, er bevegelsesretningen den samme som retningen til det elektriske feltet. Omvendt, hvis et elektron beveges av en magnetisk kraft, er bevegelsesretningen den samme som retningen til den magnetiske kraften, som er vinkelrett på retningen til magnetfeltet.
Basert på spørsmålet ovenfor ser det ut til at når et elektron sendes nordover, avbøyes det til venstre (mot vest), og når det sendes sørover, avbøyes det til venstre (mot øst). Hvis et elektron avbøyes av en elektrisk kraft, endres retningen på den elektriske kraften, som er den samme som retningen på det elektriske feltet, alltid. Retningen på det elektriske feltet bør være konstant. Derfor avbøyes ikke elektronet av den elektriske kraften.
Det kan konkluderes med at den magnetiske kraften avbøyer elektronene. For å bestemme retningen på den magnetiske kraften (retningen elektronene avbøyes), retningen på magnetfeltet og retningen elektronene avfyres, bruk høyrehåndsregelen.
Bruk høyrehåndsregelen som forklart nedenfor. Strekk ut høyre hånd, rett ut tommelen og lukk de fire andre fingrene. Plasser tommelen slik at den peker nordover (retningen på elektronenes bevegelse) og de fire fingrene peker vestover (retningen på magnetisk kraft = retningen på elektronenes avbøyning), da vil baksiden av høyre hånd peke nedover (retningen på magnetfeltet). Omvendt, plasser tommelen slik at den peker sørover (retningen på elektronenes bevegelse) og de fire fingrene peker østover (retningen på magnetisk kraft = retningen på elektronenes avbøyning), da vil baksiden av høyre hånd peke nedover (retningen på magnetfeltet). Det kan konkluderes med at elektronet er i et magnetfelt som er rettet nedover.
Det riktige svaret er D.
Kilde for spørsmålet:
Spørsmål til OSN på ungdomsskolens fysikkskole
