25
AP Physics C: Emag 19992012 Compiled by: Tobore Tasker

AP#Physics#C:#Emag# ·  · 2013-04-19V=UdΦ/dt!! 992b!Determine! magnitude!and! direct!of!current! ... dV dr! 2009! EMAG1b ... Microsoft Word - compilation_morning.docx

  • Upload
    lethien

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

 

AP  Physics  C:  Emag  1999-­‐2012  

Compiled  by:  Tobore  Tasker  

 

   

 

Title   Question   Concepts   Formulas   Pics  99  1a   Determine  Q  of  

sphere  if  a  =  .20  m  and  it  is  at  a  potential  of  2  KV.  

Electric  potential  and  field  

qE=V  E=kq/r^2  

 99  1b   Determine  |E|    

as  a  function  of  r  in  regions:  

i. r<a  ii. a<r<

b  iii. b<r<

c  iv. r>c  

Gauss’  law   Gauss’s  law  

 99  1c   Determine  

potential  difference  between  sphere  and  shell.  

Electric  potential,  field  

qE=V    

99  1d   Determine  capacitance.  

Capacitance   C=ε0A/d    

99  2a   Determine  induced  emf  if  magnetic  field  increases  constantly  by  .40  T/s.  

Faraday’s  Law  

V=-­‐dΦ/dt  

 99  2b   Determine  

magnitude  and  direct  of  current  

Ohm’s  Law,  Lenz’s  Law  

V=IR,V=-­‐  dΦ/dt  

 

99  2c   Determine  energy  dissipated  by  lightbulb  in  15  s  

Ohm’s  Law,  Power  

P=dE/dt    

99  2d   Will  the  bulb  be  brighter  or  dimmer?  

Magnetic  flux,  Faraday’s  Law.  

Φ=BA  

 99  3a   Determine  

electric  potential  along  x  axis  as  function  of  x  

Gauss’s  Law,  Electric  Potential  

V=∫E  dr  

 99  3b   Show  electric  

potential  x  –component  is

 And  find  y-­‐  and  z-­‐  components.  

Gauss’s  Law  Symmetry  Pythagorean  theorem  

V=∫E  dr    

99  3c   Determine  maximum  E  location  and  value.  

Calculus  (dE/dx  =  0)  

   

99  3d   Sketch  E_x  vs  x.   Electric  field      99  3e   Qualitatively  

describe  an  electron’s  motion  released  R/2  away.  

Electric  force  

F=qE  F=ma  

 

 

 

 

Year   Problem   Picture   Concepts   Equations   Calculus/Notes?  

2000   1a     Kirchhoff’s     No  Calculus  

      Junction      

      Ohm’s  Law      

      Inductance      

           

           

  1b          

           

           

           

           

           

  1c  

 

     

         

         

         

         

         

2000   2     Superposition  Principle     No  Calculus  

      Vectors      

      E-­‐Fields      

           

           

           

           

2000   3     Gauss’  Law   𝐵 ∙ 𝑑𝑙 = 𝜇0𝐼𝑒𝑛𝑐  Yes  

      Capacitors   𝐸 ∙ 𝑑𝐴 =𝑄𝜖!    

      Ampere’s  Law      

           

           

           

           

           

2001   1     Electric  Fields     No  Calculus  

      Electric  Field  Lines      

      Electric  Potential      

           

           

           

           

2001   2     Ohm’s  Law     No  Calculus  

      RC-­‐Circuits      

           

           

           

           

           

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2001   3     Force  Method   𝜙 = 𝐵 ∙ 𝑑𝐴   Yes  

      Magnetic  Flux      

      Right  Hand  Rule      

02  1a  

Determine  total  charge  on  the  rod.  

Gauss’s  law,  Electric  field  

Integration  of  electric  field  

 02  1b  

Determine  magnitude  and  direction  of  E  at  center  of  arc  

Electric  field,  Vector  decomposition,  symmetry  

   

02  1c  

Determine  electric  potential  at  O.  

Electric  potential  and  field  

   

02  1d  

A  proton  is  held  in  place  at  O.  How  much  force  is  required  to  keep  it  there?  

Force  method  

F=ma=qE    

02  1e  

When  released,  describe  its  motion  a  long  tiem  after  release.  

Asymptomatics  

   

02  2a  

Determine  value  of  charging  voltage  based  on  current.  

Ohm’s  Law   V=IR  

 02  2b  

Determine  value  of  capacitance.  

Capac.   C=q/V    

02  2c  

Why  is  charging  voltage    greater  than  predicted?  

Capacitance,  Voltage  

   

02  2d  

Decrease  the  charging  time  by  adding  a  resistor.  

Circuits    

 02  2e  

Decrease  the  charging  time  by  adding  a  capacitor.  

Circuits      

02  3a  

Determine  magnetic  flux  through  coil  as  function  of  time.  

Magnetic  flux  

Φ=BA  

 02  3b  

Graph  it  as  a  function  of  time.  

Mag.  flux   Φ=BA    

02  3c  

Determine  induced  emf.  

Faraday’s  Law  

V=-­‐  dΦ/dt  

 

02  3d  

Determine  induced  current.  

Ohm’s  Law   V=IR    

02  3e  

Determine  power  emitted  from  0  s  to  4  s.  

Power   P=dE/dt    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2003  

 

1  

A)  Determine  the  electric  field  and  electric  potential  of  r  for  r  >  R  

CALCULUS  NEEDED:  To  find  the  electric  field  and  subsequent  electric  potential  you  need  

to  integrate  using  Gauss's  Law.  Two  Part  Question  

B)  A  proton  is  placed  at  point  P  and  released.  Describe  its  motion  for  a  long  time  after  its  

release.  

Basic  understanding  of  repulsion  between  like  charges    

C)  Determine  the  kinetic  energy  of  an  electron  at  point  P  which  is  distance  r  from  the  center  of  

the  sphere.  

 Conservation  of  energy  and  connecting  that  to  electric  potential  

D)  Derive  an  expression  for  P0  

 CALCULUS  NEEDED:  To  find  the  charge  density  you  need  to  integrate  over  the  area  of  

the  sphere  to  get  total  charge  

E)  Determine  the  Magnitude  of  E  of  the  electric  field  as  a  function  of  r  for  r  <  R  

 CALCULUS  NEEDED:  Use  Gauss's  Law  and  charge  density  from  part  to  find  E  

 

 

2  

A  )Show  the  circuit  before  the  switch  is  closed  and  include  whatever  other  devices  you  need  to  

measure  the  current  through  the  resistor  to  obtain  the  plot  provided.  

 Basic  Understanding  of  circuitry,  and  has  to  include  ammeter  in  series  with  the  resistor  

B)  Determine  the  value  of  the  resistor  

Ohm’s  Law  R  =  IV  

C)  What  capacitance  did  you  use  to  get  the  result?  

Use  the  time  constant  to  solve  for  C  

D)  Draw  a  diagram  of  an  RC  circuit  to  produce  the  graph  above  

 

 

 

 

3    

A)  Draw  the  direction  of  the  magnetic  force  on  electrons  in  the  antenna  Justify  your  answer.  

Had  to  indicate  the  force  is  down,  used  right  hand  rule  

B)  Determine  the  magnitude  of  the  electric  field  generated  in  the  antenna  

 Used  an  expression  that  related  electric  force  with  magnetic  force:  qE  =  qv  x  B  

C)  Determine  the  potential  difference  between  the  ends  of  the  antenna  

V=Ed,  constant  electric  field  

D)  Indicate  which  end  of  the  antenna  is  at  higher  potential  

Top  end  has  higher  potential,  has  to  be  consistent  with  answer  in  part  (A)  

E)  Ends  of  the  wire  are  now  connected  by  a  conducting  wire  so  that  a  closed  circuit  is  formed  

Describe  the  conditions  that  would  be  necessary  for  a  current  to  be  induced.  Give  

examples,  and  has  to  be  a  change  in  magnetic  flux  through  the  loop  by  changing  the  

plan  or  the  loops  orientation.  Had  to  label  the  direction  of  the  current,  which  is  going  

clockwise.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2005   1  

 

(a)  i)  Electric  field  lines  

ii)  electric  potential  

N/A  

(b)  i)  Description  of  electron  movement  in  an  electric  field  

ii)  Conservation  of  energy  

i)  N/A  

ii)  𝑈   =  𝑞𝑣  

12𝑚𝑣! = 𝑞∆𝑉  

(c)  Electric  field  based  on  voltage  

𝐸 = −∆𝑉∆𝑥

 

(d)  Equipotential  lines  

N/A  

2  

 

(a)  LR  Circuits  –  resistors  in  series  

𝑉 = 𝐼𝑅  

𝑅!" = 𝑅! + 𝑅!  

(b)  LR  Circuits  -­‐  potentials  

Loop  rule;  

𝑉! = −𝐿𝑑𝐼𝑑𝑡

 

(c)  LR  Circuits  -­‐  current  

𝜀 = 𝐼𝑅!  

(d)  LR  Circuits  –  current  over  time  

N/A  

€  LR  Circuits  -­‐  resistors  

Loop  rule;  Ohm’s  law  

3  

 

(a)  Inductor  –  turns  per  unit  length  

𝑛 =𝑁𝑙  

 

(b)  Inductor  –  plot  points,  best  fit  line  

N/A  

(c)  Inductor  –  μ0   𝐵! = 𝜇!𝑛𝐼  

𝜇!𝐼 = slope  

(d)  Percent  error   𝜇! − 𝜇!!"#𝜇!

 

 

Year   Problem   Image   Concepts   Equations  

2006   EMAG1a  

 

 

• Force  due  to  an  electric  

field  

None  

2006   EMAG1b   • Electric  field    • Electric  

potential  

 

 

2006   EMAG1c   • Work  done  by  electric  field  

None  

2006   EMAG1d   • Electric  field  • Electric  

potential  

None  

2006   EMAG2a  

 

• Kirchhoff’s  loop  rule    

E =Q

4πε 0r2

V =14πε 0

qirii

i =dqdt

2006   EMAG2b     • Solving  a  differential  equation  

None  

2006   EMAG2c   • Relationship  between  charge,  

capacitance,  and  voltage  

 

2006   EMAG2d   • Current  through  a  resistor  

None  

2006   EMAG3a  

 

 

• Forces  on  current  carrying  wires  in  magnetic  fields  

None  

2006   EMAG3b   • Force  on  current  carrying  wires  in  magnetic  fields  

• Force  of  a  spring  

 

2006   EMAG3c   • Induced  current  

• Induced  EMF  • Ohm’s  Law  

 

2006   EMAG3d   • Power    

 

 

 

Year   #   Images   Big  Picture   Equation  (s)   Notes  

q = CV

Fs = −kxFM = Il × B

ε = −dφmdt

I =εR

P = I2R

2007   E/M    

1  a  

 

RC  Circuit   𝜀 = 𝐼𝑅 + 𝑉    

  1  b  

 

RC  Circuit  (Capacitor)  

𝜀 = 𝐼𝑅 + 𝑉    

  1c       Capacitors   𝑄 = 𝐶𝑉    

  1d     Capacitors     Graph  

  1e     RC  Circuit   𝑃 = 𝐼𝑉    

  1f     Capacitors   𝐶 =𝑘𝜀!𝐴𝑑

   

  2a  

 

Electric  Field  (Gauss’  Law)    

 

  2b     Electric  Potential  

𝑉 = − 𝐸 ∙ 𝑑𝑟    

  2c     Potential  Difference  

𝐸 = −𝑑𝑉𝑑𝑟

   

  3a  

 

Magnetic  Flux/Right-­‐Hand  Rule  

   

  3b     Induction  of  current  

𝑉 = 𝐼𝑅  

𝜀 = −𝑑𝜑𝑑𝑡

 

 

  3c     Magnetic  Force   𝐹 = 𝐼𝑙×𝐵    

  3d     Magnetic  Force     Graph  

  3e     Magnetic  Force      

2008   1a  

 

Conductors/  Inductance/  Electric  Field  

   

  1b     Electric  Field    

 

  1c     Electric  Fields     Graph  

  1d     Conservation  of  Energy  

𝐾 =12𝑚𝑣!  

𝑈 = 𝑘𝑄𝑞𝑟  

 

  2a  

 

RL,  RC  Circuits   1𝑅!

=1𝑅+⋯  

𝐼 =𝑉𝑅  

Kirchhoff  Loop  Rule  

 

  2b     RL,  RC  Circuits     Graph,  

Exponential  vs  Linear  Trends  

  3a  

 

Magnetic  Field  due  to  current  

𝑑𝐵 =𝜇!4𝜋

𝐼𝑑𝑙×𝑟𝑟!

     

  3b  

 

Magnetic  Field      

  3c  

 

Magnetic  Flux   𝜑 = 𝐵 ∙ 𝑑𝐴    

  3d     Magnetic  Flux,  Angular  velocity  

𝜀 = −𝑑𝜑𝑑𝑡

 

𝜑 = 𝐵 ∙ 𝑑𝐴  

 

 

 

 

 

2009   EMAG1a   No  image  

 

• Relationship  between  

electric  field  and  electric  potential  

Er = −dVdr

 

2009   EMAG1b   • Gauss’  Law  

E • dA =Qenclosed

ε0∫  

2009   EMAG1c   • Charge  distribution  

None  

2009   EMAG1d   • Graphing   None  

2009   EMAG2a    

 

• Resistance  • Power  

R =ρlA  

P =V 2

R  

2009   EMAG2b   • Relationship  between  

electric  field  and  electric  potential  

None    

 

2009   EMAG2c   • Relationship  between  

electric  field  and  electric  potential,  or  

• Relationship  between  

electric  field  and  current  density  

E =Vl  

or  

E = ρJ  

2009   EMAG2d  

 

 

• Magnetic  force  

F = IlB  

2009   EMAG2e   • Relationship  between  

electric  and  magnetic  field  

None  

2009   EMAG2f   • Electric  force  is  equal  and  opposite  to  magnetic  force  when  

FE = qEFB = qvB

 

there  is  no  deflection  

2009   EMAG3a  

 

 

• Induced  EMF  

ε = −dφmdt

 

2009   EMAG3b   • Ohm’s  Law  • Resistors  in  

series  

I =εR  

2009   EMAG3c   • Power    

2009   EMAG3d   • Resistance  in  parallel  

• Induced  EMF  • Ohm’s  Law  

None  

2009   EMAG3e   • Induced  EMF  • Ohm’s  Law  

None  

 

 

 

2010   1  

 

(a)  Electric  potential  due  to  an  arc  of  charge  

N/A    

(b)  Electric  potential  due  to  an  arc  of  charge  

Same  as  point  charge    

or  

𝑉 =𝑘𝑑𝑞𝑟

 

(c)  Energy   Conservation  of  energy,  

𝑈 = 𝑞𝑉  

𝐾 =12𝑚𝑣!  

(d)  Electric  field  due  to  an  arc  of  charge  

N/A  

P = I2R

(e)  Electric  field  due  to  an  arc  of  charge  

𝐸 = 𝐸!

= 𝑑𝐸!

=𝑘𝑑𝑄𝑅!

𝑐𝑜𝑠𝜃  

2  

 

(a)  RC  Circuits  –  steady  state  current  

N/A    

(b)  RC  Circuits  –  capacitor’s  charge  

𝑄 = 𝐶𝑉  

(c)  RC  Circuits  –  capacitor’s  energy  

𝑈 =12𝐶𝑉!  

(d)  RC  Circuits  –  steady  state  current  

𝑅!" = 𝑅! + 𝑅!  

𝑉 = 𝐼𝑅  

(e)  RC  Circuits  –  capacitor’s  charge  

Loop  rule  

or  

𝑄 = 𝐶𝑉  

(f)  RC  Circuits  –  energy  dissipated  

𝑃 = 𝐼!𝑅  

𝐸 = 𝑃𝑡  

3  

 

(a)  Induced  current  

RHR    

(b)  Induced  current  

N/A  

(c)  Magnetic  field  due  to  current  in  wire  

𝐵 ∙ 𝑑𝑙 = 𝜇!𝐼  

(d)  Magnetic  flux  through  loop  

𝛷 = 𝐵 ∙ 𝑑𝐴  

(e)  Power  dissipated  

𝑃 = 𝑉!/𝑅  

𝑉 = 𝜀 = −𝑑𝛷𝑑𝑡

 

 

 

2011  

1  

 

Guass'  Law  uniform  and    non-­‐uniform    distribution    of  charge  electric  field  electric  flux  

 

E • dA =Qenclosed

ε0∫  

 

No  

2011  

2  

 

LRC  Circuit  charge  (on  capacitor)  vs.  time  current  through  resistor  vs.  time  energy  stored  on  capacitor  current  during  oscillations  dI/dt  through  capacitor  

 

𝑐 =  𝑄𝑉  

U L = 1/2 L I 2

𝐼 𝑡=  𝐼!"#(cos 𝜛𝑡 )

 

Yes  

           

2011  

3  

 

Ampere's  Law  Direction  of  B  field  Electromagnetic  forces  Magnetic  field  vs.  distance  

 

𝐵 ∙ 𝑑𝑙 = 𝜇!𝐼  yes  

           

           

           

           

E =Q

4πε 0r2

V =14πε 0

qirii

2012  

 

1  

A) Using  Gauss’s  Law,  derive  an  algebraic  expression  for  the  electric  field  E  r(  )  for  0.10  m  0.20  m  <  

<  r  .  

Uses  Gauss’s  law  to  find  the  total  electric  field  of  the  Gaussian  surface.  Have  to  use  

calculus  to  derive  an  algebraic  expression  for  E(r)  between  .1  and  .2  m  

B) Determine  an  algebraic  expression  for  the  electric  field  E  (r)  for  r  >  0.20  m.  

Uses  Gauss’s  law  again  to  find  the  total  electric  field  where  q  is  equal  to  the  charge  of  

the  inner  shell  plus  the  charge  of  the  outer  shell  

C) Determine  an  algebraic  expression  for  the  electric  potential  V  r(  )  for  r  >  0.20  m  

Have  to  integrate  the  electric  field  expression  with  respect  to  r      

D) Using  the  numerical  information  given,  calculate  the  value  of  the  total  charge  QT  

Plug  in  values  given  to  find  the  total  charge  by  using  the  electric  potential  expression  

E) Sketch  the  electric  field  E  as  a  function  of  r  

Understanding  the  relationship  between  electric  field  and  distance  

F) Sketch  the  electric  potential  V  as  a  function  of  r  

Understanding  relationship  between  distance  and  electric  potential  

 

 

 

 

 

2  A)   Use  the  grid  below  to  plot  a  linear  graph  of  the  data  points  from  which  the  resistivity  of  

the  paper  can  be  determined.    

Basic  graph  understanding  and  plotting  to  find  line  of  best  fit  

B)   Using  the  graph,  calculate  the  resistivity  of  the  paper.  

Had  to  use  the  equation  that  R  =  pL/A,  and  plug  in  values  given  

C)   Calculate  the  time  constant  of  the  circuit  

Adding  total  resistance  and  using  the  time  constant  formula  to  find  it.  

D)   At  time  t  =  0,  the  student  closes  the  switch.  On  the  axes  below,  sketch  the  magnitude  of  

the  voltage  Vc  across  the  capacitor  and  the  magnitudes  of  the  voltages  R4  V  and  R5  V  

across  each  resistor  as  functions  of  time  t.  Clearly  label  each  curve  according  to  the  

circuit  element  it  represents.  On  the  axes,  explicitly  label  any  intercepts,  asymptotes,  

maxima,  or  minima  with  values  or  expressions,  as  appropriate.  

Sketch  a  curve  where  Vc  models  the  square  root  function  while  the  other  voltages  slowly  

decrease  from  15v  a  decreasing  rate.  

 

 

 

 

 

 

 

3  

A) Determine  the  magnitude  of  the  magnetic  flux  through  the  loop  when  the  crossbar  is  in  the  

position  shown.  

Set  up  the  magnetic  flux  expression  and  plug  in  terms  given  

B) Indicate  the  direction  of  the  current  in  the  crossbar  as  it  falls.  

Has  force  going  to  the  right  involving  Lenz’s  Law  

 

C) Calculate  the  magnitude  of  the  current  in  the  crossbar  as  it  falls  as  a  function  of  the  

crossbar’s  speed  v.  

Use  the  relationship  between  current,  voltage,  and  resistance  replacing  voltage  with  the  emf  

identity  that  it  is  equal  to  the  derivative  the  magnetic  flux  expression  

D) Derive,  but  do  NOT  solve,  the  differential  equation  that  could  be  used  to  determine  the  

speed  u  of  the  crossbar  as  a  function  of  time  t.  

Set  up  a  relationship  where  gravitational  and  magnetic  forces  are  equal,  and  solve  from  there  

E) Determine  the  terminal  speed  Vt  of  the  crossbar.  

Use  the  expression  you  found  in  part  (d)  to  find  the  terminal  velocity  

F) If  the  resistance  R  of  the  crossbar  is  increased,  does  the  terminal  speed  increase,  decrease,  

or  remain  the  same?  

Basic  understanding  of  Len’s  Law  and  how  induced  force  counteracts  active  force.