FZ17

Potencjał, napięcie, praca pola i kondensatory — klucz maturalny, poziom rozszerzony

PriorytetBważny po opanowaniu filarów
Częstotliwość2/5arkuszy 2022–2026
Punkty w arkuszuśr. 0,8 pkt (0–3)
Formy zadańobliczenie napięcia przyspieszającego (1–3 pkt), zwykle w połączeniu z energią cząstki
🔑 Sygnał: $qU=\Delta E_k$; przy $v$ bliskim $c$ licz energię relatywistycznie.

🎯 Co musisz umieć

  • stosować $W=qU$ i $qU=\Delta E_k$ dla cząstki rozpędzanej w polu elektrycznym,
  • liczyć natężenie pola między okładkami: $E=\dfrac{U}{d}$,
  • stosować $C=\dfrac{Q}{U}$, $C=\dfrac{\varepsilon_0\varepsilon_rS}{d}$ i $E_C=\tfrac12CU^2$,
  • łączyć kondensatory szeregowo i równolegle.

🔍 Jak rozpoznać zadanie

  • „rozpędzono w polu elektrycznym o napięciu $U$” → $qU=\Delta E_k$,
  • „między okładkami kondensatora” → pole jednorodne, $E=\tfrac Ud$,
  • „energia zgromadzona w kondensatorze” → $\tfrac12CU^2=\tfrac{Q^2}{2C}$,
  • elektronowolt w danych → $1\ \text{eV}=1{,}6\cdot10^{-19}$ J; liczbowo $E[\text{eV}]=U[\text{V}]$ dla ładunku elementarnego.

📘 Teoria w pigułce

  • Praca pola: $W=qU$; napięcie to praca na jednostkę ładunku: $U=\dfrac{W}{q}$.
  • Potencjał ładunku punktowego $V=k\dfrac{Q}{r}$ dodaje się skalarnie (w odróżnieniu od natężenia).
  • Pole jednorodne między okładkami: $E=\dfrac{U}{d}$, siła na ładunek $F=qE$ jest stała.
  • Cząstka rozpędzana: $qU=\Delta E_k$; dla elektronu wygodnie liczyć w eV — napięcie $1000$ V daje energię $1$ keV.
  • Kondensator: $C=\dfrac QU$, energia $E_C=\tfrac12CU^2=\tfrac{Q^2}{2C}$.
  • Łączenie: równolegle $C=C_1+C_2$ (jak opory szeregowo), szeregowo $\dfrac1C=\dfrac1{C_1}+\dfrac1{C_2}$.

∑ Najważniejsze wzory

$W=qU$
$E=\dfrac{U}{d}$
$C=\dfrac{Q}{U}$
$C=\dfrac{\varepsilon_0\varepsilon_rS}{d}$
$E_C=\tfrac12CU^2$
$V=k\dfrac{Q}{r}$

⚙️ Algorytm krok po kroku

  1. Ustal, czy pole jest jednorodne (kondensator), czy centralne (ładunek punktowy).
  2. Do ruchu cząstki użyj bilansu energii: $qU=\Delta E_k$ (przy $v$ bliskim $c$ — energia relatywistyczna).
  3. Do kondensatorów: sprawdź, co jest stałe — napięcie (podłączony) czy ładunek (odłączony).
  4. Przelicz jednostki: $\mu$F, nC, kV.
  5. Sprawdź sens: energia cząstki w eV powinna być rzędu napięcia w woltach.

⚠️ Najczęstsze pułapki

ŹleDobrzeDlaczego
✗ dodawanie potencjałów wektorowo✓ potencjał jest skalaremnatężenie jest wektorem
✗ $C$ zależy od $Q$ i $U$✓ zależy od geometrii$C=\tfrac{\varepsilon_0\varepsilon_rS}{d}$
✗ przy odłączonym źródle stałe $U$✓ stały jest $Q$wtedy $U$ się zmienia
✗ $1$ eV jako jednostka napięcia✓ to jednostka energii$1{,}6\cdot10^{-19}$ J

✍️ Przykład wzorcowy typ zadania 10.2 z matury 2024 i 10.3 z matury 2023

Elektron rozpędzono w polu elektrycznym z prędkości $v=0$ do $v=2{,}00\cdot10^8\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Energia spoczynkowa elektronu $E_0\approx5{,}11\cdot10^5$ eV, $c=3{,}00\cdot10^8\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Oblicz napięcie, w którym rozpędzono elektron.

📊 Ślad w prawdziwych arkuszach CKE

RokZadaniaPktCzego dotyczyło
20260 pktbrak osobnego zadania
20250 pktbrak osobnego zadania
2024zad. 10.23 pktnapięcie $U_{AB}$ rozpędzające elektron do $2\cdot10^8\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}$ (z energią relatywistyczną)
2023zad. 10.31 pktnapięcie, w którym rozpędzono elektron o zadanej energii
20220 pktbrak osobnego zadania

✍️ Trening: 10 zadań w formacie maturalnym

Zadania zamknięte sprawdzają się po kliknięciu odpowiedzi (jedna próba). W otwartych porównaj swoje rozwiązanie z wzorcowym i wystaw samoocenę według schematu punktowania — wynik zapisze się na koncie.

FZ17.1odpowiedź krótka★★ 0–2 pkt🔗

Oblicz pracę wykonaną przez pole elektryczne przy przeniesieniu ładunku $2$ mC przez różnicę potencjałów $500$ V.

✎ Samoocena wg schematu punktowania — ile punktów zdobył(a)byś?/ 2 pkt
FZ17.2odpowiedź krótka★★ 0–2 pkt🔗

Między okładkami kondensatora odległymi o $2$ mm panuje napięcie $60$ V. Oblicz natężenie pola między okładkami.

✎ Samoocena wg schematu punktowania — ile punktów zdobył(a)byś?/ 2 pkt
FZ17.3zamknięte★★ 0–1 pkt🔗

Kondensator o pojemności $20\ \mu$F naładowano do napięcia $100$ V. Zgromadzona w nim energia wynosi:

A$0{,}02$ J
B$0{,}1$ J
C$0{,}2$ J
D$2$ J
FZ17.4prawda / fałsz★★★ 0–1 pkt🔗

Naładowany kondensator odłączono od źródła, a następnie rozsunięto jego okładki. Oceń prawdziwość stwierdzeń.

  1. Ładunek zgromadzony na okładkach nie zmienia się.
  2. Pojemność kondensatora rośnie.
  3. Napięcie między okładkami rośnie.

Oceń prawdziwość każdego stwierdzenia (P — prawda, F — fałsz) i wybierz odpowiedni układ.

P/P/P1. P, 2. P, 3. P
P/P/F1. P, 2. P, 3. F
P/F/P1. P, 2. F, 3. P
P/F/F1. P, 2. F, 3. F
F/P/P1. F, 2. P, 3. P
F/P/F1. F, 2. P, 3. F
F/F/P1. F, 2. F, 3. P
F/F/F1. F, 2. F, 3. F
FZ17.5otwarte★★ 0–2 pkt🔗

Proton rozpędzono z spoczynku napięciem $2000$ V ($e=1{,}6\cdot10^{-19}$ C, $m_p=1{,}67\cdot10^{-27}$ kg). Oblicz prędkość protonu (nierelatywistycznie).

✎ Samoocena wg schematu punktowania — ile punktów zdobył(a)byś?/ 2 pkt
FZ17.6otwarte★★ 0–3 pkt🔗

Dwa kondensatory o pojemnościach $4\ \mu$F i $12\ \mu$F połączono szeregowo i podłączono do napięcia $60$ V. Oblicz pojemność zastępczą i ładunek zgromadzony na każdym kondensatorze.

✎ Samoocena wg schematu punktowania — ile punktów zdobył(a)byś?/ 3 pkt
FZ17.7otwarte★★ 0–3 pkt🔗

Kondensator płaski ma okładki o powierzchni $0{,}02\ \text{m}^2$ odległe o $1$ mm ($\varepsilon_0=8{,}85\cdot10^{-12}$). Oblicz jego pojemność oraz energię zgromadzoną przy napięciu $200$ V.

✎ Samoocena wg schematu punktowania — ile punktów zdobył(a)byś?/ 3 pkt
FZ17.8otwarte★★★ 0–4 pkt🔗

Elektron wpada równolegle do okładek kondensatora o długości $4$ cm z prędkością $2\cdot10^7\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Natężenie pola między okładkami wynosi $10^4\,\tfrac{\text{V}}{\text{m}}$ ($e=1{,}6\cdot10^{-19}$ C, $m=9{,}1\cdot10^{-31}$ kg). Oblicz odchylenie toru elektronu przy wylocie z kondensatora.

✎ Samoocena wg schematu punktowania — ile punktów zdobył(a)byś?/ 4 pkt
FZ17.9otwarte★★★ 0–4 pkt🔗

Oblicz potencjał w punkcie odległym o $30$ cm od ładunku $Q_1=+6\ \mu$C i o $60$ cm od ładunku $Q_2=-12\ \mu$C ($k=9\cdot10^9$).

✎ Samoocena wg schematu punktowania — ile punktów zdobył(a)byś?/ 4 pkt
FZ17.10otwarte★★★ 0–4 pkt🔗

Kondensator o pojemności $C$ naładowany do napięcia $U$ odłączono od źródła i połączono równolegle z identycznym, nienaładowanym kondensatorem. Wykaż, że energia zgromadzona w układzie zmalała dwukrotnie, i wyjaśnij, gdzie się podziała.

✎ Samoocena wg schematu punktowania — ile punktów zdobył(a)byś?/ 4 pkt
Zacznij dziś

Zacznij naukę już dziś
— to nic nie kosztuje

Załóż bezpłatne konto i otwórz dostęp do pełnego śledzenia postępów, planów nauki i quizów. Arkusze i zadania podstawowe są dostępne bez rejestracji. Już ponad 5 000 uczniów uczy się z Matematix.

🚀 Załóż konto za darmo → 📄 Przeglądaj arkusze ✉️ Napisz do nas