Primeri vprašanj in formul za električno energijo in moč
Energija in električna energija
1. Cena električne energije na kWh je 400 Rp. V hiši 100-vatni televizor deluje povprečno 4 ure na dan, dve žarnici z močjo 20 W pa se uporabljata 10 ur na dan. Stroški porabe električne energije na mesec (30 dni) znašajo….
A. 4.800 rupij
B. 9.600 rupij
C. 19.200 rupij
D. 21.120 rupij
Razprava
Znano je, da:
Cena električne energije je 400 rupij/kWh.
Moč televizorja = 1 x 100 W = 100 W in čas uporabe televizorja = 4 ure x 30 = 120 ur
Moč žarnice = 2 x 20 W = 40 W in čas uporabe žarnice = 10 ur x 30 = 300 ur
Vprašano: Stroški porabe električne energije na mesec
Odgovor:
Električna energija = električna moč x čas porabe
Električna energija televizorja = 100 W x 120 ur = 12.000 W ur
Energija žarnice = 40 W x 300 ur = 12.000 W ur
Skupna energija = 12.000 vatnih ur + 12.000 vatnih ur = 24.000 vatnih ur = 24 kilovatnih ur = 24 kilovatnih ur = 24 kWh
Stroški porabe električne energije na mesec = (24 kWh)(400 Rp./kWh) = (24)(400 Rp.) = 9.600 Rp.
Pravilen odgovor je B.
2. Dve žarnici, vsaka z oznako 24 W / 12 V, sta vezani vzporedno, nato pa zaporedno z uporom 2 Ohm. To vezje je nato priključeno na vir napetosti, tako da obe žarnici svetita le s 25 % svoje največje svetlosti. Če ena žarnica nenadoma pregori, se bo druga prižgala z močjo ...
A. 12 vata
B. 7,5 W
C. 6 W
D. 3 W
Razprava
Formula za moč:
P = VI
I = PV
ali
P = VI —–> I = V / R
P = V (V / R)
P = V2 /R
R = V2 / P
ali
P = VI —–> V = IR
P = (IR) I
P = jaz2 R
I2 = P / R
Opis: P = električna moč, V = električna napetost, I = električni tok, R = upornost sijalke
Izračunajte upornost vezja:
Dve svetilki sta označeni z 24 W / 12 V, kar pomeni, da bo vsaka svetilka svetila z največjo močjo 24 W, ko je priključena na napetost 12 V.
Upornost vsake svetilke se izračuna po formuli za moč:
R = V2 / P = 122 / 24 = 144 / 24 = 6 ohmov
Obe žarnici sta vezani vzporedno, zato je ekvivalentni upor:
1 / R12 = 1/R1 +1/R2 = 1/6 + 1/6 = 2/6
R12 = 6/2 = 3 ohma
Dve žarnici sta zaporedno vezani z uporom 2 ohma, zato je ekvivalentni upor:
R = 3 ohme + 2 ohma = 5 ohmov
Torej je upornost vezja = R = 5 Ohmov.
Izračunajte električni tok, ki teče v tokokrogu:
Če obe luči svetita s stopnjo svetlosti 25 %, potem obe luči svetita z močjo 25/100 x 24 W = 1/4 x 24 = 24/4 = 6 W.
Električni tok, ki teče skozi svetilko, se izračuna po formuli za moč:
I2 = P / R = 6 W / 6 Ohm = 1 Amper
Električni tok, ki teče skozi vsako svetilko, je 1 amper. Žarnici sta vezani vzporedno, zato je po Kirchhoffovem prvem zakonu skupni električni tok, ki teče skozi obe svetilki, 2 ampera. Žarnici sta vezani zaporedno z uporom 2 ohma, zato je električni tok, ki teče skozi upor 2 ohma, prav tako 2 ampera.
Torej električni tok, ki teče v tokokrogu = I = 2 ampera.
Izračunajte napetost vira elektromotorne sile:
Električna napetost je:
V = IR = (2 ampera)(5 ohmov) = 10 voltov
To je napetost vira EMF, katere vrednost se ne spremeni niti preden ena od svetilk pregori niti po tem, ko ena od svetilk pregori.
Izračunajte upornost tokokroga po tem, ko ena od luči pregori:
Če ena od luči pregori, je druga, ki še vedno sveti, zaporedno vezana z uporom 2 ohma. Tako se upornost vezja spremeni v:
R = 6 ohme + 2 ohma = 8 ohmov
Izračunajte električni tok, ki teče v tokokrogu po tem, ko ena od luči pregori:
Električni tok, ki teče v tokokrogu, je:
I = V / R = 10 voltov / 8 ohmov = 1,25 ampera
Žarnica in upor sta vezana zaporedno, tako da je električni tok, ki teče v tokokrogu, = električni tok, ki teče v žarnici = električni tok, ki teče v uporu.
Izračunajte moč svetilke:
Ko ena od luči pregori, se druge luči prižgejo z močjo:
P = VI = (10 voltov) (1,25 amperov) = 12,5 vatov
Gibanje elektronov
3. Znano je, da je masa elektrona 9,1 x 10-31 kg in naboj elektrona 1,6 x 10-19 C. Potencialna razlika, potrebna za pospešitev elektrona s hitrostjo 1 x 105 m/s postane 3 x 105 m/s je ...
A. 28,4375 mV
B. 56,875 mV
C. 113,75 mV
D. 227,5 mV
Razprava
Znano je, da:
Masa elektrona (m) = 9,1 x 10-31 kg
Naboj elektrona (q) = 1,6 x 10-19 C
Začetna hitrost (vo) = 1 x 105 m/s —> vo2 = 1 x 1010 m2/s2
Končna hitrost (vt) = 3 x 105 m/s —> vt2 = 9 x 1010 m2/s2
Vprašano: Potencialna razlika (V), potrebna za pospešitev elektrona
Odgovor:
Sprememba električne potencialne energije = q V = (1,6 x 10-19 C) V
Sprememba kinetične energije = 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 m2/s2
Energija je večna, zato se električna potencialna energija spremeni v kinetično energijo:
Izguba v Premier ligi = Nastop EK
(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 milivoltov
Pravilen odgovor je D.
4. Vprašanja za državno znanstveno olimpijado 2011 za nižje srednje šole na ravni Regency/City št. 56
V laboratoriju se snop elektronov izstreli proti severu. Od zgoraj se opazi, da se snop upogne v levo. Nato se snop elektronov izstreli proti jugu. Od zgoraj se opazi, da se snop upogne v levo. To pomeni, da obstaja…
A. električno polje, ki kaže proti zahodu
B. električno polje, ki kaže proti vzhodu
C. magnetno polje, ki je usmerjeno navzgor
D. magnetno polje, ki je usmerjeno navzdol
Razprava
Elektroni so električno nabiti in jih lahko premikajo električne ali magnetne sile, ko so v električnem ali magnetnem polju. Razlika je v tem, da lahko električne sile premikajo elektrone tako, ko mirujejo kot ko se gibljejo, medtem ko lahko magnetne sile premikajo elektrone le, ko se gibljejo.
Druga razlika je v tem, da je električna sila v isti smeri kot električno polje, medtem ko je magnetna sila pravokotna na magnetno polje. Torej, če elektron premika električna sila, je smer njegovega gibanja enaka smeri električnega polja. Nasprotno, če elektron premika magnetna sila, je smer njegovega gibanja enaka smeri magnetne sile, ki je pravokotna na smer magnetnega polja.
Na podlagi zgornjega vprašanja je razvidno, da se elektron, ko je izstreljen proti severu, odbije v levo (proti zahodu), in ko je izstreljen proti jugu, se odbije v levo (proti vzhodu). Če elektron odbije električna sila, se smer električne sile, ki je enaka smeri električnega polja, vedno spreminja. Smer električnega polja bi morala biti konstantna. Zato elektron ni odklonjen zaradi električne sile.
Sklepamo lahko, da magnetna sila odbija elektrone. Za določitev smeri magnetne sile (smeri odbijanja elektronov), smeri magnetnega polja in smeri izstrelitve elektronov uporabimo pravilo desne roke.
Uporabite pravilo desne roke, kot je razloženo spodaj. Iztegnite desno roko, iztegnite palec in sklenite ostale štiri prste. Palec postavite tako, da kaže proti severu (smer gibanja elektronov), štirje prsti pa proti zahodu (smer magnetne sile = smer odklona elektronov), nato bo hrbtna stran desne roke usmerjena navzdol (smer magnetnega polja). Nasprotno, palec namestite tako, da kaže proti jugu (smer gibanja elektronov), štirje prsti pa proti vzhodu (smer magnetne sile = smer odklona elektronov), nato bo hrbtna stran desne roke usmerjena navzdol (smer magnetnega polja). Sklepamo lahko, da se elektron nahaja v magnetnem polju, ki je usmerjeno navzdol.
Pravilen odgovor je D.
Vir vprašanja:
Vprašanja OSN za fiziko v nižji srednji šoli
