prad elektr.


Prąd elektryczny
– poziom rozszerzony
     
 
Zadanie
1. 
(9 pkt)

   
Źródło: CKE 2005 (PR), zad. 29.
        
          


             
   
     
              

  1.1
(3 pkt)
Zadanie
          
              
 
Zadanie
  1.2
(2 pkt)
          






1

     
 
  1.3
(2 pkt)
Zadanie
         
            






Zadanie
  1.4
(2 pkt)
           
            
    








           
         








2
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Zadanie
Silnik elektryczny (10 pkt)
Zadanie 2. 26.
(10 pkt)
Źródło: CKE 01.2006 (PR), zad. 26.
Silnik elektryczny na prąd staáy zasilany jest z baterii o SEM İ = 12 V. Podczas pracy silnika
przez jego uzwojenia páynie prąd o natĊĪeniu I = 2 A, natomiast gdy wirnik tego silnika jest
caákowicie zahamowany, przez jego uzwojenie páynie wiĊkszy prąd o natĊĪeniu I0 = 3 A.
Opór wewnĊtrzny baterii pomijamy.
Zadanie
(2 pkt)
26.
1 (22.1
pkt)
W tym obwodzie wystĊpują siáy elektromotoryczne baterii i indukcji. OkreĞl i uzasadnij, czy
te SEM skierowane są zgodnie, czy przeciwnie (nie uwzglĊdniamy SEM samoindukcji).
6
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Arkusz II
26.2
(1 2.2
pkt)(1 pkt)
Zadanie
Zapisz prawo Ohma dla tego obwodu.
26.3
(1 2.3
pkt)(1 pkt)
Zadanie
Podaj, jakie są wartoĞci obu SEM, gdy wirnik jest nieruchomy.
Zadanie
26.4
(1 2.4
pkt)(1 pkt)
Oblicz wartoĞü oporu omowego uzwojenia silnika.
26.5 (1 pkt)
Podczas pracy silnika czĊĞü energii jest tracona z powodu wydzielania siĊ ciepáa
w uzwojeniu, ze wzglĊdu na niezerowy opór omowy. Oblicz moc traconą w ten sposób
podczas pracy silnika.
3
26.5 (1 2.5
pkt)
Zadanie
(1 pkt)
Podczas pracy silnika czĊĞü energii jest tracona z powodu wydzielania siĊ ciepáa
w uzwojeniu, ze wzglĊdu na niezerowy opór omowy. Oblicz moc traconą w ten sposób
podczas pracy silnika.
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Arkusz II
7
26.6 (2 2.6
pkt)
Zadanie
(2 pkt)
Oblicz moc uĪyteczną silnika (jest to moc prądu w obwodzie pomniejszona o moc traconą
z powodu strat cieplnych), gdy przez jego uzwojenie páynie prąd o natĊĪeniu I = 2A.
Zadanie
(2 pkt)
26.7 (2 2.7
pkt)
Oblicz sprawnoĞü silnika w warunkach opisanych w zadaniu 26.6.
Zadanie 27. Rakieta (9 pkt)
27.1 (3 pkt)
WyprowadĨ wzór na pierwszą prĊdkoĞü kosmiczną i za jego pomocą oblicz jej wartoĞü dla
Ziemi.
4
4
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Arkusz II
Zadanie
Ogrzewacz wody (10 pkt)
Zadanie 3. 23.
(10 pkt)
Źródło: CKE 05.2006 (PR), zad. 23.
Turystyczny ogrzewacz wody zasilany jest z akumulatora samochodowego. Element grzejny
wykonano na bocznej powierzchni szklanego naczynia mającego ksztaát walca. Element
grzejny tworzy kilka zwojów przewodzącego materiaáu w postaci paska o szerokoĞci 4 mm
i gruboĞci 0,1 mm. Caákowita dáugoĞü elementu grzejnego wynosi 0,628 m. Opór elektryczny
elementu grzejnego jest równy 0,60 ȍ. Siáa elektromotoryczna akumulatora wynosi 12,6 V,
a jego opór wewnĊtrzny jest równy 0,03 ȍ.
23.1
(3 3.1
pkt)(3 pkt)
Zadanie
Oblicz moc elementu grzejnego wykorzystywanego w ogrzewaczu w sytuacji opisanej
w treĞci zadania.
23.2
(2 3.2
pkt)(2 pkt)
Zadanie
WykaĪ, Īe opór wáaĞciwy elementu grzejnego ma wartoĞü okoáo 3,8·10-7 ȍ·m.
5
5
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Arkusz II
23.3 (3 3.3
pkt)
Zadanie
(3 pkt)
Oszacuj, ile razy wydáuĪy siĊ czas potrzebny do zagotowania wody, jeĪeli napiĊcie na
zaciskach elementu grzejnego zmaleje o 20%. ZaáóĪ, Īe opór elektryczny elementu grzejnego
jest staáy, a straty ciepáa w obu sytuacjach są pomijalne.
Zadanie
(2 pkt)
23.4 (2 3.4
pkt)
Ogrzewacz moĪe byü zasilany ze Ĩródáa prądu przemiennego poprzez ukáad prostowniczy.
Do zacisków A i B ukáadu doprowadzono z transformatora napiĊcie przemienne. Narysuj na
schemacie, w miejscach zaznaczonych prostokątami, brakujące elementy póáprzewodnikowe
tak, aby przez grzaákĊ páynąá prąd wyprostowany dwupoáówkowo*). Oznacz na schemacie za
pomocą strzaáki kierunek przepáywu prądu przez grzaákĊ.
*) wyprostowany dwupoáówkowo – prąd páynie przez grzaákĊ w obu póáokresach
Nr zadania
Wypeánia Maks. liczba pkt
egzaminator!
Uzyskana liczba pkt
6
23.1
3
23.2
2
23.3
3
23.4
2
Zadanie
4. 2.
(12Prąd
pkt) zmienny (12 pkt)
Źródło: CKE 2007 (PR), zad. 2.
Zadanie
Do Ĩródáa prądu przemiennego poprzez ukáad prostowniczy doáączono ĪarówkĊ, w której
zastosowano wáókno wolframowe. Opór Īarówki podczas jej Ğwiecenia wynosiá 100 :.
Na wykresie poniĪej przedstawiono zaleĪnoĞü natĊĪenia prądu elektrycznego páynącego przez
ĪarówkĊ od czasu.
I, A
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03 t, s
2.1 (2 pkt)
Zadanie
4.1 (2 pkt)
Podaj, jaką wartoĞü oporu (wiĊkszą, czy mniejszą niĪ 100 :) miaáo wáókno Īarówki przed
doáączeniem jej do Ĩródáa prądu. OdpowiedĨ uzasadnij.
Zadanie
4.2 (2 pkt)
2.2 (2 pkt)
OkreĞl, analizując wykres, czĊstotliwoĞü zmian napiĊcia Ĩródáa prądu przemiennego
zasilającego ukáad prostowniczy.
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Poziom rozszerzony
5
Zadanie
4.3 (2 pkt)
2.3 (2 pkt)
Oblicz wartoĞü áadunku elektrycznego, jaki przepáynąá przez ĪarówkĊ w czasie 0,02 s.
2.4 (4 pkt)
Naszkicuj wykres ilustrujący zaleĪnoĞü napiĊcia na Īarówce od czasu. Na wykresie zaznacz
odpowiednie wartoĞci. Wykres sporządĨ dla przedziaáu czasu [0 s – 0,03 s]. Dokonaj
niezbĊdnych obliczeĔ. IndukcyjnoĞü obwodu pomiĔ.
obliczenia
7
Zadanie
4.4 (4 pkt)
2.4
(4 pkt)
Naszkicuj wykres ilustrujący zaleĪnoĞü napiĊcia na Īarówce od czasu. Na wykresie zaznacz
odpowiednie wartoĞci. Wykres sporządĨ dla przedziaáu czasu [0 s – 0,03 s]. Dokonaj
niezbĊdnych obliczeĔ. IndukcyjnoĞü obwodu pomiĔ.
obliczenia
wykres
6
6
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Poziom rozszerzony
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Egzamin maturalny
z fizyki i astronomii
Poziom rozszerzony
Poziom rozszerzony
6
2.5 (2 pkt)
Na rysunkach poniĪej przedstawiono schematy dwóch ukáadów zasilających, w których
2.5 (2 pkt)diody prostownicze.
zastosowano
Zadanie
4.5 (2 pkt)
2.5
pkt)
Nr zadania
1.6 dwóch
2.1 ukáadów
2.2
2.3
2.4
Na(2rysunkach
poniĪej Aprzedstawiono
schematy
w których
WskaĪ,
który
ukáadów
czy B zastosowano
sytuacji
opisanej
wzasilających,
zadaniu.
Oznacz
na
Wypeánia
Na
rysunkachzdiody
poniĪej
przedstawiono
schematyw
zasilających,
w których
Maks. liczba pkt
2 dwóch
2 ukáadów
2
2
4
zastosowano
prostownicze.
egzaminator!
+ , – oraz ~ prawidáową biegunowoĞü czterech
wybranym
przez
Ciebie
ukáadzie
znakamipkt
zastosowano
diody
prostownicze.
Uzyskana
WskaĪ, który
z ukáadów
A czy Bliczba
zastosowano w sytuacji opisanej w zadaniu. Oznacz na
zacisków
ukáaduz zasilającego.
WskaĪ,
który
ukáadów
czy B znakami
zastosowano
sytuacji
opisanej w biegunowoĞü
zadaniu. Oznacz
na
wybranym
przez
Ciebie A
ukáadzie
+ , –w oraz
~ prawidáową
czterech
wybranym
przez Ciebie
ukáadzie znakami + , – oraz ~ prawidáową biegunowoĞü czterech
zacisków ukáadu
zasilającego.
zacisków ukáadu zasilającego.
Ukáad A
8
Ukáad B
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Poziom rozszerzony
8
Zadanie
5. 4.
(12ĩarówka
pkt)
Zadanie
(12 pkt)
Źródło: CKE 2008 (PR), zad. 4.
o
Opór elektryczny wáókna pewnej Īarówki w temperaturze 0 C wynosi 88,1 ȍ. ĩarówkĊ
doáączono do Ĩródáa prądu przemiennego o napiĊciu skutecznym 230 V. Podczas Ğwiecenia
przez ĪarówkĊ páynąá prąd o natĊĪeniu skutecznym 261 mA, a opór wáókna Īarówki wskutek
wzrostu temperatury wzrósá dziesiĊciokrotnie.
Opór elektryczny wáókna zmienia siĊ wraz ze wzrostem temperatury zgodnie z zaleĪnoĞcią
R
R0 1 D ˜ 'T gdzie:
– opór w temperaturze 0oC,
– temperaturowy
wspóáczynnik
wzrostu
dla wáókna tej Īarówki jest równy 5·10–3 K–1,
ǻT – przyrost temperatury wáókna Īarówki.
R0
Į
oporu,
Zadanie
5.14.1
(2 pkt)
Zadanie
(2 pkt)
Oblicz moc pobieraną przez Ğwiecącą ĪarówkĊ.
Zadanie
5.24.2
(2 pkt)
Zadanie
(2 pkt)
Oblicz natĊĪenie skuteczne prądu w Īarówce podczas wáączania zasilania, gdy temperatura
wáókna wynosi 0oC.
Zadanie
(2 pkt)
Zadanie
5.34.3
(2 pkt)
Oblicz przyrost temperatury wáókna Īarówki po wáączeniu Īarówki i rozgrzaniu siĊ wáókna.
9
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Poziom rozszerzony
9
Zadanie
(2 pkt)
Zadanie 5.44.4
(2 pkt)
Do wáókna Ğwiecącej Īarówki zbliĪono biegun N silnego magnesu.
Zapisz, jak zachowa siĊ wáókno Īarówki po zbliĪeniu magnesu, gdy Īarówka jest zasilana
napiĊciem przemiennym, a jak, gdy jest zasilana napiĊciem staáym.
Zadanie 5.54.5
(2 pkt)
Zadanie
(2 pkt)
Oblicz dáugoĞü drutu wolframowego, z którego wykonano wáókno Īarówki, jeĞli wiadomo, Īe
pole powierzchni przekroju poprzecznego drutu wynosi 8·10 –11 m2, a opór wáaĞciwy wolframu
w temperaturze 0oC jest równy 5˜10 –8 :˜m.
Zadanie
(2 pkt)
Zadanie 5.64.6
(2 pkt)
WyjaĞnij, dlaczego temperaturowy wspóáczynnik wzrostu oporu Į dla metali ma wartoĞü
dodatnią, a dla póáprzewodników ma wartoĞü ujemną.
Nr zadania
Wypeánia Maks. liczba pkt
egzaminator!
Uzyskana liczba pkt
4.1.
2
10
4.2.
2
4.3.
2
4.4.
2
4.5.
2
4.6.
2
Zadanie 6. 4.
(12Fotorezystor
pkt)
Zadanie
(12 pkt)
Źródło: CKE 2009 (PR), zad. 4.
Fotorezystor
jest
póáprzewodnikowym Elektroda
elementem
Ğwiatáoczuáym.
Jego
opór
elektryczny zmienia siĊ pod wpáywem
padającego Ğwiatáa. Fotorezystory wykonuje
siĊ najczĊĞciej w postaci cienkiej warstwy
póáprzewodnika (np. z siarczku kadmu CdS)
naniesionej na izolujące podáoĪe.
Œwiat³o
Elektroda
CdS
Pod³o¿e
Zadanie 6.14.1
(2 pkt)
Zadanie
(2 pkt)
Rysunki poniĪej przedstawiają ukáad pasm energetycznych dla póáprzewodnika, przewodnika
i izolatora, zgodnie z teorią pasmową przewodnictwa ciaá staáych.
a) Zapisz pod rysunkami wáaĞciwe nazwy materiaáów (izolator, póáprzewodnik, przewodnik)
Oznaczenia: pp - pasmo przewodnictwa, pw - pasmo walencyjne, pe - przerwa energetyczna
.............................................
..............................................
..............................................
b) PodkreĞl nazwy tych pierwiastków, które są póáprzewodnikami.
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Poziom
rozszerzony
Īelazo
german
rtĊü
miedĨ
krzem
9
Zadanie
6.24.2
(1 pkt)
Zadanie
(1 pkt)
Przez domieszkowanie wykonuje siĊ póáprzewodniki, w których noĞnikami wiĊkszoĞciowymi
są elektrony lub dziury.
Zapisz, jak nazywają siĊ noĞniki wiĊkszoĞciowe w póáprzewodniku typu n.
Informacja
zadania
Informacja
do do
zadań
6.3 i 6.44.3 i 4.4
PoniĪszy wykres przedstawia zaleĪnoĞü natĊĪenia prądu páynącego przez fotorezystor
od napiĊcia przyáoĪonego do jego zacisków przy piĊciu róĪnych wartoĞciach natĊĪenia
oĞwietlenia. NatĊĪenie oĞwietlenia E (iloĞü Ğwiatáa padającą na jednostkĊ powierzchni)
podano w luksach, lx.
I, mA
10
0l
x
9
=
60
8
E
7
E
6
0
=3
x
0l
5
4
E=1
3
2
E = 40
1
lx
00 lx
E = 10 lx
0
0
1
2
3
4
5
11
6
7
8
9
10
U, V
E=
1
E = 10 lx
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
U, V
Zadanie
(3 pkt)
Zadanie 6.34.3
(3 pkt)
Przeanalizuj wykres i ustal, jak opór elektryczny fotorezystora zaleĪy od natĊĪenia
oĞwietlenia (roĞnie, maleje, nie ulega zmianie). WyjaĞnij tĊ zaleĪnoĞü, odwoáując siĊ do
mikroskopowych wáasnoĞci póáprzewodników.
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
Poziom rozszerzony
10
Nr zadania
3.6
Wykorzystując fotorezystor,
charakterystykĊ
Wypeánia którego
Maks. liczba pkt
3
przedstawiono na egzaminator!
poprzedniej stronie, zbudowano
Uzyskana liczba pkt
obwód elektryczny (rys).
4.1
2
4.2
1
4.3
3
Zadanie 6.44.4
(3 pkt)
Zadanie
(3 pkt)
Wyznacz natĊĪenie oĞwietlenia fotorezystora w przedstawionej sytuacji. Dokonaj niezbĊdnych
obliczeĔ. Przyjmij, Īe mierniki są idealne, a opór wewnĊtrzny baterii jest równy zeru.
Zadanie 4.5 (3 pkt)
Opornik o oporze 2 k: i fotorezystor, którego opór zmienia siĊ w granicach
od 500 :do 2 k: w zaleĪnoĞci od natĊĪenia oĞwietlenia, moĪemy poáączyü ze sobą
szeregowo lub równolegle.
Oblicz i wpisz do tabeli odpowiednie wartoĞci oporów zastĊpczych dla ukáadu opornik –
fotorezystor, w zaleĪnoĞci od sposobu ich poáączenia i natĊĪenia oĞwietlenia fotorezystora.
Rodzaj poáączenia
sáabe oĞwietlenie (E = 10 lx) silne oĞwietlenie (E = 600 lx)
12
Zadanie
(3 pkt)
Zadanie 6.54.5
(3 pkt)
Opornik o oporze 2 k: i fotorezystor, którego opór zmienia siĊ w granicach
od 500 :do 2 k: w zaleĪnoĞci od natĊĪenia oĞwietlenia, moĪemy poáączyü ze sobą
szeregowo lub równolegle.
Oblicz i wpisz do tabeli odpowiednie wartoĞci oporów zastĊpczych dla ukáadu opornik –
fotorezystor, w zaleĪnoĞci od sposobu ich poáączenia i natĊĪenia oĞwietlenia fotorezystora.
Rodzaj poáączenia
poáączenie szeregowe, opór w k:
sáabe oĞwietlenie (E = 10 lx) silne oĞwietlenie (E = 600 lx)
poáączenie równolegáe, opór w k:
13
4
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
poziom rozszerzony
Zadanie
7. (10
pkt)
Źródło: CKE 2010 (PR), zad. 2.
Zadanie
2. Czajnik
elektryczny (10 pkt)
Do czajnika elektrycznego, w którym grzaáka ma moc 2000 W, wlano 0,6 kg wody
o temperaturze 13 °C. Czajnik wáączono do prądu elektrycznego i woda ogrzewaáa siĊ aĪ
do zagotowania przez 2 minuty i 30 sekund.
Zadanie
(2 pkt)
Zadanie
7.12.1
(2 pkt)
Oblicz pracĊ prądu elektrycznego podczas ogrzewania wody w czajniku do momentu jej
zagotowania.
Zadanie
7.22.2
(2 pkt)
Zadanie
(2 pkt)
Oblicz sprawnoĞü ogrzewania wody w czajniku. W obliczeniach przyjmij, Īe ciepáo wáaĞciwe
J
wody jest równe 4200
i nie zmienia siĊ podczas ogrzewania wody.
kg ˜ K
Informacja
do do
zadań
7.3, 7.4
i 7.5
Informacja
zadaĔ
2.3,
2.4 i 2.5
W poniĪszej tabeli przedstawiono wyniki pomiarów wykonanych podczas doĞwiadczenia
z czajnikiem elektrycznym. Temperatura początkowa wody w czajniku przed podáączeniem
go do prądu byáa za kaĪdym razem zawsze taka sama i wynosiáa 13 °C.
Masa wody, kg
SprawnoĞü ogrzewania wody, %
0,25
57
0,50
69
0,75
76
1,00
79
1,25
81
1,50
82
Zadanie
7.32.3
(1 pkt)
Zadanie
(1 pkt)
Przeanalizuj dane w tabeli i zapisz wniosek dotyczący związku wzglĊdnej straty energii
z masą zagotowywanej wody.
14
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
poziom rozszerzony
5
Zadanie
7.42.4
(3 pkt)
Zadanie
(3 pkt)
Narysuj wykres zaleĪnoĞci sprawnoĞci ogrzewania wody w czajniku od jej masy.
Zadanie
(2 pkt)
Zadanie
7.52.5
(2 pkt)
WykaĪ, korzystając z danych w tabeli (lub zawartych na wykresie), Īe bezwzglĊdne straty
dostarczonej do czajnika energii rosną wraz z masą ogrzewanej wody.
Nr zadania
Wypeánia Maks. liczba pkt
egzaminator
Uzyskana liczba pkt
15
2.1
2
2.2
2
2.3
1
2.4
3
2.5
2
6
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
poziom rozszerzony
Zadanie
8. 3.
(10Transformator
pkt)
Źródło: CKE 2010 (PR), zad. 3.
Zadanie
(10 pkt)
Transformator zasilono prądem przemiennym o napiĊciu skutecznym U1 = 230 V, otrzymując
na uzwojeniu wtórnym napiĊcie skuteczne U2 = 115 V. Do uzwojenia wtórnego doáączono
ukáad skáadający siĊ z dwóch idealnych diod* D1 i D2 oraz trzech oporników R1, R2 i R3.
* Idealna dioda posiada zerowy opór w kierunku przewodzenia i nieskoĔczenie duĪy opór
w kierunku zaporowym.
R1
D1
~U
R2
U2
1
R3
D2
Zadanie
8.13.1
(1 pkt)
Zadanie
(1 pkt)
Oblicz maksymalne napiĊcie na uzwojeniu pierwotnym.
Zadanie
8.23.2
(1 pkt)
Zadanie
(1 pkt)
Zapisz nazwĊ zjawiska, dziĊki któremu energia elektryczna jest przekazywana z uzwojenia
pierwotnego do wtórnego.
Zadanie
8.33.3
(1 pkt)
Zadanie
(1 pkt)
Uzupeánij poniĪsze zdanie, wybierając i wpisując wáaĞciwą nazwĊ materiaáu.
(ferromagnetyk, paramagnetyk, diamagnetyk).
Materiaá z którego wykonano rdzeĔ transformatora to ................................................................
Zadanie
8.43.4
(2 pkt)
Zadanie
(2 pkt)
Zapisz, na którym uzwojeniu transformatora (pierwotnym czy wtórnym) nawiniĊto wiĊcej
zwojów i oblicz, ile razy wiĊcej.
16
Egzamin maturalny z fizyki i astronomii
poziom rozszerzony
7
Zadanie
(2 pkt)
Zadanie
8.53.5
(2 pkt)
Przeanalizuj schemat elektryczny zamieszczony na poprzedniej stronie i uzupeánij zdania,
wybierając i wpisując wáaĞciwe dokoĔczenia. (szeregowo, równolegle)
JeĪeli diody w danej chwili spolaryzowane są w kierunku zaporowym, to oporniki poáączone
są ........................................................
JeĪeli diody w danej chwili spolaryzowane są w kierunku przewodzenia, to oporniki
poáączone są ........................................................
Informacje
zadaĔ
Informacje
do do
zadań
8.6 i 3.6
8.7 i 3.7
Wykorzystując transformator, zbudowano obwód elektryczny skáadający siĊ z kondensatora
o pojemnoĞci 75 µF oraz idealnej diody (rysunek poniĪej). NapiĊcie skuteczne na zaciskach
A i B wynosiáo 115 V, a napiĊcie miedzy punktami M i N po pewnym czasie osiągnĊáo
wartoĞü równą 163 V.
A
M
~U
1
C
U2
N
B
Zadanie
8.63.6
(1 pkt)
Zadanie
(1 pkt)
Oblicz áadunek elektryczny zgromadzony na kondensatorze w chwili, gdy napiĊcie na jego
okáadkach wynosi 163 V.
Zadanie
8.73.7
(2 pkt)
Zadanie
(2 pkt)
WykaĪ, Īe napiĊcie miedzy punktami M i N po pewnym czasie osiągnĊáo wartoĞü równą 163 V.
WyjaĞnij, dlaczego po naáadowaniu kondensator nie bĊdzie siĊ rozáadowywaá.
Nr zadania
Wypeánia Maks. liczba pkt
egzaminator
Uzyskana liczba pkt
3.1
1
17
3.2
1
3.3
1
3.4
2
3.5
2
3.6
1
3.7
2