physics 111 spring 2006 exam # 1

Report 7 Downloads 90 Views
1/8

PHYSICS 1308  SPRING  2008 EXAM # 1  Monday, July 14, 2008 SOLUTIONS

CONCEPTUAL QUESTIONS 1. Imagine a test charge inside a conductor in electrostatic equilibrium. Now imagine that this  this charge is moved very slowly. What is the work performed by the electric forces during this  process? Explain. The work done is zero. To understand why, first observe that the electric field inside a conductor   in electrostatic equilibrium is zero, thus the net electric force on the test charge is also zero.   Hence no work is necessary to move the charge inside the conductor.

2. What can you say about the electric field in a region of space that has the same potential  throughout? Explain. −V −V −V , E y= , E z= The electric field is given by  E x= . If V is constant throughout, we   x

can conclude that the electric field is zero. 

y

z

3. Current  I  enters a resistor  R  shown in the figure. Is the potential higher at point A or B?  Explain.  I The potential is higher at point A since the current A B moves from points of higher potential to points with lower potential. 4.   One  terminal  of a  car battery  is  said to be  connected  to “ground.”  Since  it is  not  really  connected to the ground, what is meant by this expression?  This just simply means that the “ground” terminal gives the reference potential. Thus any other   potential is measured relative to this value. Remember that absolute potential has no physical   meaning only differences are important. 

2/8 5. What is the flux through the hemispherical open surface of radius R shown in the figure. The  uniform field has magnitude E.  Justify your answer.  Observe that the same amount of lines that go through the base of the hemisphere go also thorough is surface. Thus  2 the electric flux is   E = E⋅A= R E

E

NUMERICAL QUESTIONS 6. Two charges, one of 2.50 nC and the other of ­3.50 nC are placed on the x­axis. One at the  origin and the other at x= 6.00 m, as shown in the figure below. The net field at x= ­32.75 m is  equal to ____mN/C.  y (m)

A. 42.23 i B. ­23.04  i C. 0 D. ­42.23  i E. 23.04  i

­3.50 nC

+2.50nC

q0

x (m)

­32.75 m

9 The net electric field is equal to:   9×10

6.00m

Nm 2 C

2



2.50nC 2

32.75m 

− i 

3.50nC 32.75m 6m2



i =0

7. The net force exerted by the two charges located on the opposite sides of the x­axis on the  positive charge with position x= ­10 mm is ______N . (See figure) y (m)

A. 0.48  B. 0.48  C. 1.58  D. 1.58  E. 0.82 

j − j  i −i  sin 17− j 

 1nC ­10 mm

r 

10 C 3 mm 3 mm

­10 C

x (m)

3/8 From the graphic above we can conclude that the resulting force is along the y­axis, thus : 

2 k q Qsin    F   F− = − j = 2 r

2⋅9×10

9

Nm −9 −6 0 ⋅1×10 C⋅10×10 C⋅sin 17  2 C 2

0.003m  0.01m

where we have used that  =arctan

  3 mm

10 mm

2

− j=0.48 N −j

=170

8. A capacitor is connected to a 1.5 V battery. The plates are separated by 0.1 mm. An 250 C  charge is placed in the middle of the plates of the capacitor. The magnitude of the force exerted  on the charge is _____N.  A. 2.75

B. 3.00

C. 3.25

The electric field is given by  E=

V x

1.5V

=

E. 3.75

D. 3.50      

0.1×10 m the force is :   F=qE=1.5N /C×250×10 C=3.75N −3

=1.5×104 N /C . Therefore the magnitude of  

−6

9.  A 0.20 pF capacitor is needed. The area that the plates must have if they are separated by 2.2  mm air gap is _____cm² A. 0.5

B. 1.0

C. 1.5

D. 2.0      

The capacitance for a parallel plate capacitor is equal to C= required area we obtain:   A=

Cd 0

=

0.20×10−12 F⋅2.2×10−3 m 9×10

−12

2

C / Nm

2

E. 2.5 0 A d

. Therefore, solving for the  

=5×10−6 m 2

4/8 10.  The electric flux through the closed surfaced shown in the figure is _____kNm²/C A. ­888 B.  888 C.  555 D. ­111 E.  111

­3 mC ­7 mC

2 mC

Q

−3 C2  C

encl 3 2 =−111×10 Nm /C By Gauss' Law we can write   E =  = −12 2 2 0 9×10 C / Nm

11. A large, flat, horizontal sheet of charge has a charge per unit area of 9.00 C/m². The electric  field just above the middle of the sheet is ____MN/C A.  0.5 E=

 2 0

=

B. 1

C. 1.5

9.00×10−6 C / m 2 2⋅9×10

−12

2

2

C / Nm

D. 2

E. 2.5

=0.5×106 N /C

12. A sphere of radius r = 5 m has a charge of 5 mC distributed uniformly over its surface. The  magnitude of the electric field at a distance of 10 m from the surface of the sphere is _____kN/C A. 50

B. 100

D. 200

C. 150

E. 250

We   know   that   by   Gauss'   Law   the   field   produced   by   a   charged   sphere   is   equal   to   the   one   produced by a point charge where the distance to other charges must include the radius of the   sphere, hence:  ∣E∣=k

∣Q sphere∣ r sphere r sphere− point 

=9×10 2

9

N⋅m 2 5×10−3 C  C

2

15 m

2

=200000 N /C

5/8 13.   Two charged particles Q1 = +5.0  C and Q2 = ­3.00  C are separated by 35.0 cm. The  electric potential energy of the pair is _____J A. ­0.52

B. ­0.38

The potential energy is equal to:  

C. 0

U =Q1 V = k

Q1 Q2 r

D. 1.23 9

=9×10

E. 2.50

Nm 2 5×10−6 C −3×10−6 C  C2

0.35 m

=−0.38 J

14. The potential in a region between x = 0 and x = 6.00 m is   V =10.0V −7.00 magnitude and direction of the electric field at x= 3m is ____V/m A. 11 −i

B. 11 i

C. 0

D. 7  −i

E. 7 i

−dV −d V  E= = 10.0V −7.00 x =7.00V / m dx dx m

Refer to the following circuit for questions 15 and 16. All capacitances are in mF.

15 V

¼ ¾

½

15. The equivalent capacitance of the circuit above is _____mF A. 13/6

B. 11/12

C. 19/12

D. 27/4

E. 6/13

D. 55/4 

 E. 68/4

16. The charge in the ¾ mF  is _____mC A. 10/4

    B. 25/4

 C.  45/4

V x   . The  m

6/8 Notice that the voltage across the ¾ mF is the same voltage of the battery, therefore  3 45 Q=V C= mF 15 V = mC 4 4

17. The power delivered in 0.2 ms by the total discharge of a  50 mF  capacitor connected to  25  V battery  is ______W A. 78

P=

E t

B. 67

=

1 C V2 2 t

=

C. 52  

1 50×10−6 F 25V 2 2

0.2×10 s −3

D. 49

E. 32

=78W

Refer to the circuit below for questions 18, 19  and 20  10.0 V

I1

+

­

I2

b

2.0 

5.0 

I3

­

a

+ 10.0 

15.0 V

18. The current through the 2.0 Ω  resistor is _____A A. 

5 16

  B. 

15 16

  

C. 

25   16

 

D.  

35 16

 

E. 

45 16

D.  

31 16

 

E. 

41 16

  19. The current through the 10.0 Ω  resistor is _____A A. 

1 16

  B. 

11 16

  

C. 

21   16

 

7/8 20.  V b −V a is ______V 30

A. 

8

  B. 

35 8

  

C.  0  

 

D.  

−30 8

 

E. 

−35 8

One set of equations for the circuit is: I 1=I 2I 3 5.0 I 2 2 I 1−10=0 10.0 I 3−5.0 I 2 −15=0

solving for the currents we obtain: I 1=

45

7 31 A , I 2 = A ,I 3= A 16 8 16

Notice that the current  I 2 is positive, therefore moves from b to a and  thus the point b is at   7 8

higher voltage that a. So  V b −V a = A×5 =

35 V 8

21. How many 100­W lightbulbs, connected in parallel to 120 V source, can be used with a  maximum current of 2.5 A? A. 7

B. 6

C. 5

D. 4

              E. 3 P

100W

V

120 V

The current for one light bulb working between operating parameters is  I = =

=

10 A 12



Since they are connected in parallel the total current is the sum of each individual current. Thus   10 the number of light bulbs is  n=2.5/ =3 12

22. A 4.5 V battery is connected to a bulb whose resistance is 1.6 . The charge that leaves the  battery per minute is ______ C A. 75

B. 92

C. 125

D. 154               E. 169

8/8 V 4.5 V I= = =2.81 A thus,    Q=I  t=2.81 A∗60 s=169 C R 1.6 

23. Complete the following memorable quote from Finding Nemo. ­Dude? Dude? Focus dude... Dude?  [Marlin wakes up]  Oh, he lives. Hey, dude!  Marlin: Oh... What happened?  ­ Saw the whole thing, dude. First you were all like "whoa", and we were like "whoa", and you  were like "whoa..."  Marlin: What are you talking about?  ­You, Mini­Man, takin' on the jellies. You've got serious thrill issues, dude. Awesome.  Marlin: Oh, my stomach. Ohh.  ­ Oh, man. Hey, no hurling on the shell, dude, ok? Just waxed it.  Marlin: So, Mr. Turtle?  ­Whoa, Dude. Mister Turtle is my father. The name's_____. 

Write your answers here: 6. C

7. B

8. E

9. A

10. D

11. A

12. D

13. B

14. E

15. B

16. C

17. A

18. E

19. D

20. B

21. E

22. E

23. Crush