Snelheid botsend deeltje berekenen - beginspanning onbekend

Caitlin stelde deze vraag op 05 mei 2021 om 15:58.

Goedemiddag, 

Ik volg een thuisstudie Natuurkunde en loop vast met onderstaande vraag. Ik weet niet hoe ik e. op kan lossen, omdat ik niet weet wat de beginspanning van het deeltje K is. Ik geloof dat ik die informatie ook nodig heb voor vraag f. Ik schrijf de gehele opgave op + mijn uitwerkingen, omdat hier wellicht informatie in staat die relevant is. Alvast heel erg bedankt.

De vraag:
3. Twee vlakke platen B en C zijn aagesloten op een spanningsbron van 24V. De elektrische veldsterkte tussen de platen is 400 N/C. Zie figuur 34.

a. Als een elektron met beginsnelheid nul op een van de platen begint, hoe groot is dan de kinetische energie uitgedrukt in eV waarmee het op de andere plaat botst?

Tussen de platen zijn twee punten K en L aangegeven: K op een afstand van 1,2 cm tot plaat B, en punt L op een afstand van 0,60 cm tot plaat C. De afstand tussen de platen is 6,0 cm. Plaat C is geaard. In K bevindt zich een deeltje met een massa van 2,0x10^-6 kg en een lading van q = -3,2μC. 

b. Bepaal de richting van het elektrisch veld tussen de platen B en C.
c.  Bereken de grootte en bepaal de richting van de elektrische kracht op het deeltje met lading q in K.
d. Bereken de arbeid die de elektrische kracht op het deeltje met lading q verricht als het in K met beginsnelheid nul wordt losgelaten en daarna op de plaat terechtkomt.
e. Bereken de snelheid waarmee het deeltje op de plaat botst.

De veldsterkte (400 N/C) kan ook uitgedrukt worden in V/m: E = 400 V/m. 

f. Bereken de spanning tussen de punten K en L. 

Mijn uitwerkingen:
a. B = positief, C = negatief, dus elektron gaat van C naar B.
m = 9,11•10^-31 kg, q = -1,0 e, Uc = 0V dus Eel,c = 0 J, Vc = 0 m/s dus Ek,c = 0J, Ub = 24 V

Eel,c + Ek,c = Eel,b + Ek,b
Eel,c + Ek,c = q • Ub + Ek,b
0 + 0 = -1,0 • 24 + Ek,b
0 = -24 + Ek,b
Ek,b = 24 eV

b. Plaat C is geaard en zit aan de minpool van de spanningsbron, dus 0V. Dan is Ub = Ubron = 24V. Het elektrisch veld loopt homogeen van plaat B naar plaat C.

c. Deeltje K is negatief geladen, dus zal naar de positieve plaat B werken, in tegengestelde richting van veldsterkte. Fel = E • q = 400 x (3,2x10^-9) = 1,28•10^-6 N = 1,3•10^-6 N.

d. Wel = Fel • s • cos a = (1,28•10^-6) • (1,2•10^-2) • cos 0° = 1,54•10^-8 J

Mijn vragen:
e. Hier loop ik dus vast. Ik wil Vb berekenen d.m.v. : Eel,k + Ek,k = Eel,b + Ek,b . Ik mis hierin alleen de spanningswaarde van deeltje K op die plaats. Wat zie ik over het hoofd? Hoe bereken ik de spanning van deeltje K? Op google vind ik: U = ΔEel / q  . Klopt het dat Wel = ΔEk = -ΔEel? Ik vraag het graag even na, want dit kan ik niet terugvinden in mijn boek.

f. Als mijn gedachte bij e klopt, moet ik dit dan op dezelfde manier voor deeltje L doen (dus net als bij d, via Wel maar dan deeltje L, naar U = ΔEel / q)  en de twee U waardes van elkaar aftrekken? 

Excuses voor het lange verhaal en alvast bedankt.

Reacties

Theo de Klerk op 05 mei 2021 om 16:37
a) Correct. Spanningsverschil 24 V en lading 1 e.  Per definitie (van 1 eV) is de elektrische energie dan 24 eV - en die wordt omgezet in kinetische energie van 24 eV (analoog aan een vallend voorwerp dat zwaarte-energie in kinetische energie omzet bij de val).

b) Correct
c) Correct.  Zo is veldsterkte ook gedefinieerd: kracht/lading  dus kracht = veldsterkte x lading
d) Correct.  W=Fs en F en s zijn bekend.
e) De arbeid die verricht wordt komt ten goede aan de kinetische energie. In punt K heeft de lading (zonder snelheid) alleen elektrische energie. Die is gelijk aan de arbeid die je moet verrichten om, tegen de kracht in, de lading van plaat B naar punt K te duwen. Als je in K de lading los laat dan zal deze o.i.v. de kracht weer naar B gaan en alle elektrische energie die het had weer omzetten in kinetische energie.
Met behoud van energie geldt ΔEelek + ΔEkin = 0  volgt (ΔEelek neemt af, dus < 0) dan   qΔU (= F.Δs) = 1/2 mv2 - 0 
Arbeid is bekend, m is bekend, dus v kun je uitrekenen.
De spanning hoef je hier niet apart te weten, maar in een homogeen veld tussen beide platen geldt U = E.d  (en 0 cm < d < 6,0 cm)
f) Net als de vorige opgave: constante sterkte E,  hoogteverschil d tussen K en L kun je bepalen, dan is U = E.d
Caitlin op 05 mei 2021 om 16:57
Heel erg bedankt voor uw snelle en duidelijke reactie. 

Dus dan is het zo? : 

e.
ΔEelek + ΔEkin = 0 volgt (ΔEelek neemt af, dus < 0) dan
qΔU (= F.Δs) = 1/2 mv2 - 0
1,54•10-8 J = 1/2 • (9,11•10-31) • v2
1,54•10-8 J = 4,555•10-31 • v2
v = √((1,54•10-8)/(4,555•10-31)) = 1,84•1011 m/s

f.
Veldsterkte E = constant = 400 V/m
d = 6,0 cm - 1,2 cm - 0,60 cm = 4,2 cm = 4,2•10-2 m
U = E • d = 400 • (4,2•10-2) = 16,8 V
Theo de Klerk op 05 mei 2021 om 17:15
Lijkt me goed (zonder narekenen)
Jaap op 19 februari 2022 om 23:28
Dag Caitlin,
c. De lading van het deeltje is q=–3,2μC=–3,2·106 C zodat
Fe = E•q = 400 x 3,2x10–6 = 0,0013 N en
d. W=F·s=0,0013·0,012=1,5·10–5 J
e. Je resultaat v=1,84·1011 m/s is ruim 600 maal de lichtsnelheid.
Materie kan in deze opstelling niet zo snel als het licht bewegen, laat staan sneller.
Je hebt de massa van een elektron ingevuld, maar dit deeltje heeft m=2,0·10–6 kg.
Met de 'relatie tussen arbeid en energie' WtotaalEk vinden we v=3,9 m/s.
Groet, Jaap

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Clara heeft zevenentwintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Clara nu over?

Antwoord: (vul een getal in)