physics 111 spring 2006 exam # 1

Report 18 Downloads 95 Views
1/8 PHYSICS 1308  SPRING  2008 EXAM # 3  Thursday, April 10, 2008

Solutions

CONCEPTUAL QUESTIONS 1.  A long wire carries a current I as shown. What is the direction of the current in the circular  conducting loop when I is: (a) Increasing (b) Decreasing I

(a) When the   current is increasing, the field inside the ring (which points into the page ) also   increases, thus the field induced should point out of the page. By the right­hand rule the current in   the loop must be CCW.  (b) A similar reasoning shows that if the current in the wire decreases the induced current in the  loop is CW

2. Can an induced electric field exist in the absence of a conductor? Explain your answer. Yes, a particular example is an electromagnetic wave. The changing magnetic field induces an   electric field that also changes in time and space. Since the electromagnetic wave can propagate   in empty space, we have an induced electric field without a  conductor.

3. If in an electromagnetic wave the electric field is parallel to the x­axis and the magnetic field is  parallel to the ­z axis,  what is the direction of propagation of the wave ? (Justify your answer) The direction of propagation of an electromagnetic wave is given by  c =  E× B . Thus the wave      propagates parallel to:    i×−k = j   which means that the wave propagates parallel to the   positive y­axis.

2/8

4. Explain Maxwell's contribution to Ampere's Law.  Maxwell   added   the   displacement   current   to   Ampere's   Law.     This   current   just   states   that   a   changing (in time) electric field induces a magnetic field. 

5. Light passes from a material with index of refraction  n 1 into one with index of refraction  n 2 with  n 1 n 2 . Compared with the incident ray, what happens to the refracted ray? 

(a) It bends toward the normal (b) It is undeflected (c) It bends away from the normal  Explain your selection.  n 1 n 2 means by the definition of index of refraction that  v 1 v 2 , i.e. light propagates from a  

region of lower velocity to a region of higher velocity. As we saw in class, this means that the   refracted way bends away from the normal. 

NUMERICAL QUESTIONS An automobile has a vertical radio antenna 1.20 m long. The automobile travels at 65 km/h on a  horizontal road where the Earth's magnetic field is 50 T directed toward the north.  6. The  direction that the automobile should move to generate maximum motional emf in  the  antenna is : A. North  to South 

B. East to West 

C. West of North

D. North of East 

In this case, in order to have a maximum emf we need to maximize the flux, and this is done if the   direction of motion is perpendicular to the field. Therefore, we need to choose East to West. 7. The magnitude of this emf is _____mV A. 1

B. 2

 

C. 4

  

D.6

 E. 8

3/8

A. 3.2

B. 2.5   

C. 1.0   

x x

x

x

x x

x

x

x x

x x

x x

x

x

x

x x x

F

x

l

x

R

x x

x

8. A conducting rod of length l  moves on two  horizontal,  frictionless   rails   as   shown   in   the  figure.   A constant force of 1.00 N moves the  bar at 2.00 m/s through a magnetic field  B that is directed into the page. The current in in  the 8.00 resistor is _____A

x

dt

=− B l v =−50 ×10 −6 T ×1.20m ×18m / s =−1.08 ×10−3 V

x

−d  B

x

=

D. 0.5

 E. 0.1

Since the rod is moving with constant velocity, the power delivered by the change is the magnetic   flux is equal to the power put in by the motion of the rod. Note that this is just consequence of   conservation of energy. Hence : Pgenerated = P emf F⋅v = I 2 R Fv

  R

=

1.00N × 2.00m / s 8.00

= 0.5 A

9. The current in a 90.0 mH inductor changes with time as  I =1.00 t 2 −6.00 t in (SI units). The  the induced emf at  t = 4.00 s is ____mV A. 720  

=

−d  B dt

=−L

B. ­720   dI dt

=−90×10 H −3

C. 0  d dt

2

D. 180  

E. ­180 

1.00 t −6.00t =−90×10 H 2.00t −6.00 −3

now, we just need to evaluate this function at the required time: =−90×10−3 H 2.00 4.0 s−6.00=−180×10 −3 V

___________________________________________________________________________

4/8 10. A 22.0  F capacitor is connected to an AC source with   V rms=120 V ,  f = 60.0 Hz.  The  maximum current going through the capacitor is _____A.  B. 1.40

A. 0.52 I max =

V max XC

C.2.20

D. 3.45     

E. 5.52

=V max  C= 2 V rms  C= 2 120V 2  60Hz22×10 F=1.4 A −6

11. The resistance of a light bulb  that uses an average power of 75 W when connected to a 60.0­   Hz power source having a maximum voltage of 170 V is ____   A. 385 2

Pave = I rms V rms=

C. 192

B. 220 V rms R 2

 120V  75W

V / 2  =

D. 153      

E. 28

2

max

R

=192 

12. In a purely inductive AC circuit, L = 25.0 mH and the rms voltage is 150.0 V. The rms current  in the circuit is _____A  ( Assume that the  frequency is 60.0 Hz) A. 100 I rms =

V rms XL

=

V rms L

B. 85

=

C. 50

150.0V 2 60Hz 25.0×10 H −3

=15.9 A

D. 34

E. 16

5/8 The RC circuit in the figure below has a resistance R = 90.0  and a capacitance C = 8.00 nF. The  AC source has a frequency of 60 Hz and a maximum voltage of 170 V.  Refer to the circuit below for questions 13 and 14.  C

R

V

V out

13.    The phase between V out   and the voltage source is   _____rad . Use the voltage source as  reference.  B. 1.57

A. ­1.57

C. 0

D. ­90

E. 90

First notice that  V out is the same as the voltage across the resistor.  This voltage is always in   phase with the current going through it. This current is the same as the current flowing across the   capacitor which always leads the  voltage source by 90º . Thus  V out is ahead   90º from the the   voltage source. ( 1.57 rad =  90º )  14. The average power delivered by the AC source is _____W A. 0

B. 5

C. 7

D. 12

E. 20

The power delivered by the AC source is equal to the power consumed in the resistor.   The   2 average power is given by the equation   Pave = I rms R . So we need first to find   I rms .  This   current can be found using the current of the RLC circuit with the inductive reactance equal to   zero. Thus: I rms =

V rms Z

=

V rms 2

 R X

= 2 C

V rms



2

1

2

 

R 

C

6/8 We are ready: 2 V rms R

Pave =

  

R 2

1

2

120 V  90.0 

= 2

 

90 2 

C



2

1 2 60Hz 8.0×10−9 F

=11.77×10−6 W



15. A parallel­plate capacitor has square plates 10 cm on a side and 0.50 cm apart. It the voltage  across the plates is increasing at the rate of 220 V/ms, the displacement current in the capacitor is  −12 2 2 ___A.   0 =9×10 C / N⋅m A. 4.0    I d =0

d E dt

=0 A

B. 7.0    dE dt

=0 A

C. 10.0 

 D.  13.0 

E. 16.0 

1 dV 1 = 9×10−12 C 2 / N⋅m 2  0.10 m 2 220V d dt ms

1ms

    −3

10 s

1 0.0050m



I d =3.96×10 −6 A

16. A laser produces an average power of 7.0 W in a light beam of 1.0 mm in diameter. The  maximum   electric   field   of   the   laser   light   is   ______kV/m   (   c =3 ×10 8 m / s and  0 =4 ×10 −7 T⋅m / A )

A. 82   

B. 96   

C. 105    P

D.  152 

E. 263

E 2max

I= = A 2 0 c



2 P0 c A

=E max =



2⋅7W⋅4 ×10−7 Tm / A⋅3 ×108 m / s −3

2

 0.5×10 m 

=82 ×10 3 V / m

17. A microwave oven operates at 2.4 GHz. The distance between wave crests is _____m  A. 0.0625   

B. 0.125 

C. 0.625    

D.  0.725     

E. 1 

7/8 Recognizing that the distance between wave crests is equal to the the wavelength we can write: c= f 8 3× 10 m / s / 2.4 ×10 9 Hz = 0.125 m =

18. Light propagating in air strikes a transparent crystal at incidence angle of 35º. If the angle of  refraction is 22º, the speed of light inside the crystal is _____ ×108 m/s A. 

3.00

  

B. 2.95  

C. 2.47 

 D.  2.12 

E. 1.96

Assuming that light propagates in air at the same velocity that in vacuum we have by Snell's Law sin 350 = n2 sin 22 0 therefore:  c

sin 22 0

  sin 35

0

8

= v 2 =1.96×10 m/s

19. A ray of light is incident of the surface of a block of clear ice at an angle of 40º  with the  normal. Part of the light is reflected and part is refracted. The angle between the reflected and  refracted light is _____º. ( n ice =1.309 )

A.  0.0

  

B. 29.4  

40º

C. 40.0 

 D.  75.2

 E. 110.6

By Snell's law: 40º

 

sin 40 0 =1.309 sin  0 = 29.41

therefore : = 180º – 40º – 29.4º = 110.6º 

8/8 _______________________________________________________________________________ 20. A plastic light pipe has an index of refraction of 1.53. For total internal reflection the minimum  angle of incidence if the pipe is in water is ____º. ( n water =1.333 ) A.  0.0 sin C =

  

B. 30.5  

C. 54.2 

 D.  60.6

 E. 90.0

n2 n1

C =60.60

0

Write your answers here: 6. B

7.A

8.D

9.E

10.B

11.C

12. E

13.B

14.D

15.A

16.A

17.B

18.E

19.E

20.D