The words you are searching are inside this book. To get more targeted content, please make full-text search by clicking here.
Discover the best professional documents and content resources in AnyFlip Document Base.
Search
Published by nta1234, 2021-04-20 23:13:11

MTG MCQ

MCQ IIT JEE

34  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

1.  (a)  According  to  equation  of  motion, 

2.  (d): Let  k  be  the  spring  constant  of  v2 = v12   + 2 gh = (0.4)2  + 2 ´10 ´ 0.2
spring  and  it  gets  extended  by  length  »  2 m  s –1
x0   in  equilibrium  position. 
In  equilibrium,  \  According  to  equation  of  continuity 
kx 0  +  FB    =  Mg 
a 1 v1   =  a2  v 2

kx0  + s L  Ag = Mg 2 

´ 0.4 =
( ) ( ) p ´ 2 
sLAg  8 ´ 10 -3  p ´ d2 
2  2 2  ´ 2 

Mg - d2   = 3.6 × 10 –3  m 

x0   = k

( ) =Mg 
k 1 -  s2L MA  8.  (d) : Here,  surface tension,  S  = 0.03  N  m –1 
r1   = 3 cm = 3 × 10 –2  m,  r2   = 5  cm = 5 ×   10 –2  m 
3.  (d) : According  to  Newton’s  law  of  cooling  the  option  (d)  Since bubble  has two surfaces, 
represents the correct graph.  Initial surface area  of the  bubble 
= 2 × 4pr 1 2  = 2 × 4p  × (3  × 10 –2 ) 2 
4.  (d) : According to Newton’s law of cooling  = 72p  × 10 –4  m 2 
Final surface area  of the  bubble 
d q = - k (q - q 0 ) or  q d q = - kdt = 2 × 4pr 2 2 = 2  × 4p(5 × 10 –2 ) 2  = 200p × 10 –4  m 2 
dt - q 0  Increase  in  surface energy 
= 200p  × 10 –4  – 72p  ×  10 –4  = 128p  ×  10 –4
Integrating both sides, we get  ò q d q = ò -kdt \  Work done =  S  × increase  in surface energy 
- q 0  = 0.03 × 128 × p × 10 –4  = 3.84p  × 10 –4 
= 4p × 10 –4 J = 0.4p  mJ 
log e(  q – q0 )   = – kt + C 

where C is a constant of integration. 

So, the graph between loge  (q – q 0)   and t is a straight line with 
a negative slope. Option (d) represents the correct graph. 

5.  (c) : Increase in length, DL =  LaDT  F 

\ DL  = aD T 
L

The  thermal stress developed  is  9.  (d)  :  U  = a -  b 
x12 x6 
T DL 
S =Y L = Y aD T  ( ) Force, F  dU  d a b 
dx dx  x12 x6 
or  T =  SYaDT  T  T  = - = - - 

From FBD of one  part  of  the  wheel,  é -12a 6b   ù é12a 6b   ù
êë x13 x7  ûú  êë x13 x7  ûú 
or  F =  2T  = - + = -

Where, F is the force that one part of the wheel applies on 

the  other  part. At  equilibrium  F  =   0 
\  F =  2SYaDT 

6.  (c) : The  force  due  to  the  surface  tension  will  balance the  \ 12a - 6b    = 0  or  x 6  = 2 a 
x13 x7  b
weight. 

F  =  w  ( ) ( ) U at equilibrium  =a -  b 
2 a  2a   
2TL  =  w  F = 2T  L  2 

w  b b 
2 L
T  =  ab2 b2 b2 b2 b 2 
4 a2  2a 4a 2a 4a   
Substituting the given  values, we  get  = - = - = - 

T = 1.5 ´ 10-2  N  = 0.025 Nm -1  w  U(x = ¥) = 0 
´ 30 ´ 10-2  m 
2 D = [U(x  = ¥) –  U at equilibrium ]

7.  (d) : Here, d 1  =  8 ×  10 –3 m  ( ) = éëê0 - b2 ù b 2 
4a ûú 4 a
v1   = 0.4  m s –1  - =

h  =  0 .2  m 

Properties of Solids and Liquids  35 

10.  (c)  :  As ro  il  < r water ,  so  oil  should  be  over  the  water.  As 15.  (a)  :  The  liquid  1  is  over  liquid  2. 
r > r oil,   so  the ball will sink  in the oil  but r  < r water  so  it 
will float in the  water.  Therefore r 1 < r2  . If r3  had been greater  r3   
than r 2 ,  it  will  not  be  partially  inside 
Hence  option  (c)  is  correct.  but anywhere inside liquid 2 if r 3 = r 2  l 2 
or it would have sunk totally if r 3  had  K 2 
11.  (d) : For the  same  material, Young’s  modulus  is  the  same  been  greater than r2  .
and  it  is given  that  the  volume  is  the  same  and  the  area  of  \ r 1  < r 3  < r 2 .  T 2 
cross­section  for the  wire  l1  is  A  and that  of  l2  is  3A. 
V =  V1  =  V2  16.  (d)  :  Let  T  be  the  l 1 
V =  A  ×  l1  = 3A  ×  l2 Þ  l2  =  l1/3  temperature  of  the 

Y = F / A  Þ F1  = YA Dl1l 1   interface.  K 1 
D l / l
Since  two  section  of  rod 
F2  = Y 3 A Dl2l  2  are  in  series,  rate  of  flow  T 1 
Given Dl1  = Dl2  = Dx  (for  the  same  extension)
of  heat  in  them  will  be  equal

( ) \ \  K1A [T1 - T ] = K2 A [T – T2  ] 
F2 = Y ×3A× Dx = 9× YADx  = 9F1  or 9F .  l1 l2 
l1 / 3  l1 
or  K1  l2  (T1   –  T) =  K2  l1 (  T –  T 2 ) 
12.  (b) : Heat  flow  can  be  compared  to  charges  flowing  in  a  or  T(K1 l  2   + K 2l   1)   =  K 1l   2 T 1  +  K2 l   1 T2  
conductor. 
or  T  = K1 l2 T1 + K2 l1 T2   . 
Current is the same. dQ K1 l2 + K2 l1 

The potential difference V1   – V  q 1 dt  q 2  Force ´ L WL 
V2    A´l Al
at any point = I × Resistance  = I ´ rAl  V 1  current  V  17.  (b)  :  Y  = = P 

Potential difference is µ l but negative.  \  l = WAYL  2 
Due to pulley arrangement, the length  L 
As  l increases,  potential decreases  q  q max, Vmax  of wire is L/2 on each side and so the 
(temperature  decreases)  but  it  is  a  elongation will be l/2. For both sides,  W  W 
elongation  =  l. 
straight line function.  W

Potential difference is proportional q min,   Vmin 

to  resistance  (thermal  as  well  as  x 18.  (d)  :  Terminal  velocity  =  v 
electric).  viscous  force  upwards  =  weight  of  sphere  downwards 

13.  (d)  :  The  force  acting  upwards 

2prT  ;  hpr 2rg, the force acting down or  or  6phrv = æèç 43  pr3 öø÷ (r – s) g
For  gold  and  silver  spheres  falling  in  viscous  liquid,
T µ h without making finer corrections. Soap 

reduces the  surface  tension  of  water. The 

height of liquid supported  decreases. But  v g = rg  – s = 19.5 – 1.5 = 18 = 2 
vs rs  – s  10.5 – 1.5 9 1 
it is  also  a wetting agent. Therefore the meniscus will not  \ 

be  convex as  in  mercury. Therefore  (d).  v g 
2
14.  (b) : The forces acting on the solid  Vr 2 g or  vs  = = 02.2   = 0.1 m/s. 
ball  when  it  is  falling  through  a 

liquid are mg downwards, thrust  viscous force  19.  (c)  :  Energy  radiated  by  sun,  according  to  Stefan's  law, 
E  = sT4   ×  (area  4pR 2)    (time) 
by Archimedes principle upwards  This  energy is spread around  sun in space,  in  a  sphere  of 
radius  r.  Earth  (E)  in  space  receives  part  of  this  energy. 
and  the  force due  to    the    force 

of  friction  also acting upwards. 

The  viscous  force  rapidly 

increases with velocity, attaining  R 

a maximum when the ball reaches 
Sun
the  terminal  velocity.  Then  the  mg = Vr 1 g  Earth 

acceleration is zero. mg – Vr 2g   – 
kv 2  =  ma where V  is  volume,  v  is the terminal  velocity. 

When  the  ball  is  moving  with  terminal  velocity  = sT 4 ´ 4pR 2 ´ time 

a =  0. Therefore  Vr 1g    –  Vr 2g    –  kv 2  =  0.  Energy 

Area of envelope  4 pr  2 

Þ v =  Vg (r1 - r2 ) .  Energy  incident  per  unit  area  on  earth  = sT 4R 2 ´ time 
k r2 

36  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER

æ R2sT 4  ö 26.  (d) :  From  first  surface,  Q1   =  KA(T2  - T ) t 
ç x
\  Power  incident  per  unit  area  on  earth  = è r 2  ÷
ø
2sT 4  (2K ) A(T - T1 ) t 
\  Power  incident  on  earth  =  pr 2 ´ R r 2  From  second  surface,  Q2   =  ( 4 x ) 



20.  (d)  :  Energy  stored  per  unit  volume  At  steady  state, 

= 12  ×stress× strain  Q1 = Q2  Þ KA(T2x - T )t = 2KA(T - T1 ) t 
4 x

or  2(T2   –  T)  =  (T  –  T 1 ) 

= Stress × stress  =  S 2  .  or  T = 2T  2 + T1  
2Y 2Y  3 

21.  (b)  :  In  a  freely  falling  elevator  g  =  0  \  Q1 = KxA éëêT2  - 2T  2 + T1  ù t 
Water  will  rise  to  the  full  length  i.e.,  20  cm  to  tube.  3  ú
û 

22.  (a)  :  For  conduction  from  inner  sphere  to  outer  one,  or  é A(T2 - T1 ) K ù f  = KA é T2 3- T1  ùúû ´1 
êë x ûú x ëê
dQ = -KA dT ´ (time dt ) 
dr or  f = 13  . 

or  dQ = -K ´ (4pr 2 ) dT  27.  (b)  :  Initial  momentum  =  E/c 
dt dr Final  momentum =  –E/c

\  Radial  rate  of  flow  Q = -4 pKr 2  dT  \  E çæè E ÷øö 2 E 
dr c c c
Change  of  momentum  =  - - =

\  r2 dr  = -4 pK T2    \  Momentum  transferred  to  surface  =  2 E . 
r2  c 
Qò ò dT 

r1 T1   

or Q é r1 - r2   úûù = 4 pK [T2 - T1  ]  28.  (d)  :  According  to  Stefan's  law, 
êë r1r2  Radiant  energy  E  =  (sT4 )    ×  area  ×  time

or  Q = 4pK (T1 - T2 ) r1r2   \  E 2  = s(2T )4 ´ 4p(2R) 2  ´ t  = 16 ´ 4 
(r2 - r1 )  E1   sT 4 ´ (4pR) 2  ´ t

æ r1r2   ÷øö .  \  E 2  = 64. 
çè r2 - r1  E1 
\  Q  is  proportional  to 

29.  (d)  :  Elastic  energy  per  unit  volume 

23.  (c)  :  Pressure  inside  the  bubble  = P0   +  4T  = 21 ´ stress ´strain 
r \  Elastic  energy 

Smaller the  radius, greater will be  the pressure. Air flows 

from  higher  pressure  to  lower  pressure.  Hence  air  flows  = 1  ´ stress ´ strain ´ volume 
2
from  the  smaller  bubble  to  the  bigger. 

24.  (b)  :  Retarding  viscous  force  =  6phRv  = 1 ´ F ´ DL ´ ( AL ) 
obviously  option  (b)  holds  goods.  2  A L

= 1 F DL = 1 ´ 200 ´10–3  = 0.1 J . 
2 2 
25.  (d)  :  Young's  modulus  FL  .......  (i)
Y  =  Al .......  (ii)  30.  (d) : According to Newton's law of cooling, rate of cooling 
is  proportional  to Dq.
\  F  = YLAl  \  (Dq)n   =  (Dq)  or  n  =  1. 

or  dW = F dl = YAlL(dl )  31.  (d) :  Wien's  law 
32.  (b)  :  v = 2gh = 2 ´10 ´ 20 = 20 m/s. 
YA l  YAl 2 
or  ò dW = L dl  = 2 L 33.  (a)  :  Energy  radiated 
ò l E  = sT 4  ×  (area  4pR2  )  ×  time  ×  e 



or  Workdone  = YAl 2  E1    = (4000)4 ´ (1)2 ´1´ 4 pse  = 1 
2 L E 2  (2000)4 ´ (4)2 ´1´ 4 ps e 1 . 

From  (i)  and  (ii) 

Workdone  =  Fl .  34.  (a) : A good absorber is a good emitter but black holes do 
2  not  emit  all  radiations.

Thermodynamics  37 

CHAPTER  THERMODYNAMICS



1.  The above p­v diagram represents  6.  100 g of  water  is heated from 30°C to  50°C.  Ignoring  the 
slight expansion of the water, the change in its internal energy 
the  thermodynamic  cycle  of  an  is  (specific heat of water is 4184 J  kg –1 K– 1)   
(a)  4.2 kJ  (b)  8.4 kJ  (c)  84 kJ  (d)  2.1 kJ 
engine,  operating  with  an  ideal  (2011) 

monoatomic  gas.  The  amount  of 

heat, extracted from the source in a 

single  cycle  is  7.  A diatomic ideal gas is used in a Carnot engine as the working 

(a)  4p 0 v 0  (b)  p 0 v0   substance. If during the adiabatic expansion part of the cycle 

( ) (c)13    p0v0  ( ) (d)11  p0v0    (2013)  the volume of the gas increases from V to 32V, the efficiency 
2  2 
of  the  engine  is 

2.  A Carnot engine, whose efficiency is 40%, takes in heat from  (a)  0.25  (b)  0.5  (c)  0.75  (d)  0.99 

a source maintained at a temperature of 500 K. It is desired  (2010) 

to  have  an  engine  of  efficiency  60%.  Then,  the  intake  Directions: Question numbers 8, 9 and 10 are  based on  the 

temperature for the same exhaust (sink) temperature must be  following  paragraph. 

(a)  1200 K  (b)  750 K  Two  moles  of  helium  gas  are  taken  over  the  cycle  ABCDA, 

(c)  600 K  as shown in the P ­  T diagram. 

(d)  efficiency of Carnot engine cannot be made larger than 50%  2 × 105    A  B 

(2012) 

3.  Helium gas goes through a cycle  2P0   B  C  P(Pa) 

ABCDA (consisting of two isochoric  P0   A  D  1 × 10 5  D  C 
and two isobaric lines) as shown in  300 K 
figure.  Efficiency  of  this  cycle  is  T 
500 K 
nearly (Assume the gas to be close 
to  ideal  gas)  V0   2V0   8.  Assuming the gas to  be ideal the  work done on  the gas  in 

(a)  9.1%  (b)  10.5%  (c)  12.5%  (d)  15.4%  taking  it  from  A  to  B  is 

(2012)  (a)  200R  (b)  300R  (c)  400R  (d)  500R 

4.  Three perfect gases at absolute temperatures T 1 ,T 2 and T3  are  9.  The work done on the gas in taking it from D to A is 
mixed. The  masses of  molecules are m1 , m 2  and  m3   and  the  (a)  – 414R  (b)  + 414R  (c)  – 690R  (d)  + 690R 
number of molecules are n1  , n 2 and n3  respectively. Assuming 
no  loss  of  energy,  the  final  temperature  of  the  mixture  is  10.  The net work done on the gas in the cycle ABCDA is 
(a)  zero  (b)  276R  (c)  1076R  (d)  1904R 
(T1 + T2 + T3 )  n1T1 + n2T2 + n3T3   (2009) 
3  n1 + n2 + n3 
(a)  (b)  11.  An insulated container of gas has two chambers separated by 

(c)  n1T12 + n2T22 + n3T3 2   (d)  n12T12 + n22T22 + n32T3 2    an  insulating partition.  One  of the  chambers  has volume V1   
n1T1 + n2T2 + n3T3  n1T1 + n2T2 + n3T3  and contains ideal gas at pressure P1  and temperature T1  . The 
other chamber has volume V2  and contains ideal gas at pressure 
(2011)  P2   and  temperature  T 2.   If  the  partition  is  removed  without 
doing any work on the gas, the final equilibrium temperature 

5.  A Carnot engine operating between temperatures T1   and T2   of  the  gas  in the  container  will  be 

has efficiency  1  .  When T 2  is lowered by 62 K, its efficiency  (a)  T1T2 (P1V1 + P2V2  )  (b)  T1T2 (P1V1 + P2V2  ) 
6  P1V1T1 + P2V2T2  P1V1T2 + P2V2T1 

increases to  13  . Then T 1  and T2   are, respectively  (c)  P1V1T1 + P2V2T2   (d)  P1V1T2 + P2V2T1  
(a)  372 K and 310 K  (b)  372 K and 330 K  P1V1 + P2V2  P1V1 + P2V2 
(2004,  2008) 
(c)  330 K and 268 K  (d)  310 K and 248 K  (2011) 

38  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

12.  A Carnot  engine,  having  an  efficiency  of h  =  1/10  as  heat  (c)  It is not applicable to any cyclic process 
(d)  It  is  a  restatement  of  the  principle  of  conservation  of 
engine,  is  used  as  a  refrigerator.  If  the  work  done  on  the 
energy 
system  is  10  J,  the  amount  of  energy  absorbed  from  the  (2005) 

reservoir  at lower  temperature  is 

(a)  100 J  (b)  99 J  (c)  90 J  (d)  1 J  18.  Which  of  the  following  statements  is  correct  for  any 
thermodynamic system? 
(2007)  (a)  The internal energy changes in all processes. 
(b)  Internal energy and  entropy are state functions. 
13.  When a system is taken from state  a  f  (c)  The change in entropy can never be zero. 
i to state f along the path iaf, it is  (d)  The work done in an adiabatic process is always zero. 
b (2004) 
found that Q = 50 cal and W = 20 
(d)  66 cal  19.  A Carnot engine takes 3 × 10 6 cal of heat from a reservoir at 
cal. Along  the  path  ibf  Q  =  36  i  (2007) 
cal.  W along  the  path  ibf  is  627°C, and gives it to a sink at 27°C. The work done by the 

(a)  14 cal  (b)  6 cal  (c)  16  cal 

engine  is 

14.  The  work of 146 kJ  is performed  in order  to compress  one  (a)  4.2 × 106   J  (b)  8.4 × 106   J 

kilo  mole  of  gas  adiabatically  and  in  this  process  the  (c)  16.8 ×  10 6  J  (d)  zero.  (2003) 

temperature  of  the  gas  increases  by  7ºC.  The  gas  is  20.  Which of the following parameters does not characterize the 

(R =  8.3  J mol– 1  K– 1 )  thermodynamic  state  of  matter? 

(a)  monoatomic  (a)  temperature  (b)  pressure 

(b)  diatomic  (c)  triatomic  (c)  work  (d)  volume.  (2003) 

(d)  a mixture of monoatomic and diatomic.  21.  During an adiabatic process, the pressure of a gas is found to 

(2006)  be  proportional  to  the  cube  of  its  absolute  temperature.  The 

15.  A system goes from A to B via  ratio CP   /CV    for the gas is 
two processes I and II as shown  P 
(a)  4/3  (b)  2  (c)  5/3  (d)  3/2. 

(2003) 

in  figure.  If DU1   and DU2   are  II  22.  "Heat cannot by itself flow from a body at lower temperature to 

the changes in internal energies  A  B  a body at higher temperature" is a statement or consequence of 
in  the  processes  I  and  II 
(a)  second law of thermodynamics 

respectively,  then  I  (b)  conservation of momentum 

(a) DU2   > DU 1  V  (c)  conservation of mass 

(b) DU2   < DU2   (d)  first law of thermodynamics.  (2003) 

(c) DU1   = DU 2  23.  Even Carnot engine cannot give 100% efficiency because we 

(d)  relation between DU1   and DU 2  cannot be  determined  cannot 

(2005)  (a)  prevent radiation  (b)  find ideal  sources 

16.  The  temperature­entropy  T  (c)  reach absolute zero temperature 
diagram  of  a  reversible  2T 0 
engine cycle is given in the  T 0  (d)  eliminate friction.  (2002) 
figure.  Its  efficiency  is 
(a)  1/3  S  24.  Which statement is incorrect? 
(b)  2/3  S 0  2S 0  (a)  all reversible cycles have same efficiency 
(c)  1/2  (b)  reversible cycle has more efficiency than an irreversible 
(d)  1/4  (2005)  one 
(c)  Carnot cycle is a reversible one 
(d)  Carnot cycle has the maximum efficiency in all  cycles. 
(2002) 

17.  Which of the following is incorrect regarding the first law of  25.  Heat given to a body which raises its temperature by 1°C is 
thermodynamics? 
(a)  It introduces the concept of the internal energy  (a)  water equivalent  (b)  thermal capacity 
(b)  It introduces the concept of  entropy 
(c)  specific heat  (d)  temperature gradient. 

(2002) 

Answer Key 

1.  (c)  2.  (b)  3.  (d)  4.  (b)  5.  (a)  6.  (b) 
7.  (c)  8.  (c)  9.  (b)  10.  (b)  11.  (b)  12.  (c) 
13.  (b)  14.  (b)  15.  (c)  16.  (a)  17.  (b, c)  18.  (b) 
19.  (b)  20.  (c)  21.  (d)  22.  (a)  23.  (c)  24.  (a) 
25.  (b)

Thermodynamics  39 

1.  (c) :  Heat is extracted from the  \ CV = 3 R and  CP  =  52  R
source  in  path  DA and  AB.  2
A  B 
Along path DA, volume is constant.  D  C  Along the path AB, heat supplied to the gas at constant volume, 

Hence, \ DQAB = nCV DT = n 3 RDT = 3 V0 DP =  23  P0V0 
DQ DA  = nC vDT = nCv (  TA    – TD   )  2 2
According  to  ideal  gas  equation 
Along the path BC, heat supplied to the gas at constant pressure, 
pv 
pv = nRT or  T  =  nR \ DQBC = nCP DT = n 5 RDT = 25  (2P0 )DV = 5 P0V0 
2
For a monoatomic gas,  Cv  = 32  R
Along the path CD and DA, heat  is rejected by the gas 

( ) \ 3 é 2 p0v0 p0v0   úùû = 3  Efficiency, h = Work done by the gas  ´ 100 
DQDA  = n 2 R ëê nR - nR 2  p0v0    Heat supplied to the gas

Along  the  path  AB,  pressure  is  constant.  Hence = P0V0    ´ 100  = 21030 = 15.4% 
DQ AB  = nCp DT = nCp (  TB    –  TA )   
23  P0V0 + 5 P0V0 
For monoatomic gas,  Cp  = 52  R
4.  (b) : The final temperature of the mixture is 

( ) \ 5 R é 2 p0 2v0 2 p0 v0    ù 10  p0v0    T1n1 + n2T2 + n3T3  
DQAB  = n 2 êë nR - nR úû = 2  Tm  ixture  = n1 + n2 + n3 

\  The amount of heat extracted from the source in a single 

cycle  is 5.  (a) : The efficiency of Carnot engine, 

DQ = DQ DA  + DQ AB  h = çæè1 - T2   ö
T1  ø÷

= 3 p0v0 + 10 p0v0 =  123   p0v0  \ 1 = èçæ1 - T2   øö÷  ( ) Given, h= 1 
2 2 6 T1  6 

2.  (b) : Efficiency of Carnot engine,  T2  
T1 
h = 1 -  T2   =  5  Þ T1  =  6T  2   ...(i) 
T1  6  5 

where  T 1  is  the  temperature  of  the  source  and  T 2  is  the  As per question, when T2  is lowered by 62 K, then its efficiency 

temperature of the sink.  becomes  1 

For 1s t  case

h =  40%, T1   = 500 K  \ 31  = æçè1 - T2   - 62 ö
T1  ÷ø 
\ 40  = 1 - T2  Þ  T2  = 1 - 40 =  3 
100 500  500 100 5  T2   - 62 = 1 - 1 
T1  3 
T2  = 35  ´ 500 = 300 K 
T2 56  - T62 2 =  2 
For 2n d  case 3  (Using (i)) 

h =  60%, T 2  = 300 K 

\ 16000 = 1 - 3T010   Þ  300 = 1 - 60 =  2  5(T2   - 62)  =  2 
T1  100 5  6T2  3 

T1  = 5  ´ 300 = 750 K  5T2   –  310 = 4T2  Þ  T2   = 310 K 
2  From equation (i), 

3.  (d) : In case of a cyclic process, work done is equal to the area  6 ´ 310 

under  the  cycle  and  is  taken  to  be  positive  if  the  cycle  is  T1  = = 372 K 

clockwise. 6.  (b) : DQ =  msDT 
Here, m = 100 g = 100 × 10– 3  kg 
\  Work done by the gas  s = 4184 J kg –1  K– 1  and DT =  (50 – 30) = 20°C
\ DQ = 100 × 10– 3  × 4184 ×  20 = 8.4 × 103   J
W = Area of  the rectangle ABCD =  P0 V  0  
Helium  gas  is  a  monoatomic  gas. 

40  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

As DQ = DU + DW (.  . . DW = 0)  11.  (b) :  As this  is  a simple  mixing  of  gas,  even  if  adiabatic 
\  Change in internal energy conditions  are satisfied,  PV  =  nRT  for  adiabatic as  well  as 
DU = DQ = 8.4 × 103   J  = 8.4 kJ  isothermal  changes.  The  total  number  of  molecules  is 
conserved. 
7.  (c) : For an adiabatic process 

TV g–1  =  constant \ n1 = P1V1 , n2    =  P2V2   
R1T1 RT2 
\  T1V1g -1 = T2V2 g -1 

æ VV12   ö÷ø ( ) g -1  g - 1  Final state = (n 1 + n 2)  RT 
èç
T1 = T2   = T2   32V  = T2 (32) g - 1  P1V1 P2V2 = T2P1VR1T+1TT21 P2V2   
V RT1 RT2
(n1 + n2   ) = +

For  diatomic  gas ,  g = 7  T  = T1n1 + T2n2    ,  T  = T1T2(P1V1 + P2V2  ) 
5

\  T1 = T2 (32) 7  - 1  = T2 (32) 2/5 = T 2(  25 )   2/5  =  4T 2  n1 + n2  T2P1V1 + T1P2V2 


( ) Efficiency of the engine, = 1 T2   = 1  12.  (c)  : For  Carnot engine  efficiency  h =  QH - Q L 
h - T1  1 -  4  QL 

h = 3  = 0.75  Coefficient  of  performance  of  a  refrigerator  b = 1 -h
4 h 

P(in pascal)  B  1 - 1 
b = 10  = 9 
8.  (c)  : 2 × 10 5  A 
1/10

Also  b = Q L  (where  W is  the  work  done) 
W

or  Q L  = b × W =  9 × 10 = 90 J. 

1 × 105    D  C  13.  (b) : According to first law of thermodynamics for the path 
300 K 
T  iaf, 
500 K 
Q iaf  = DU iaf  + Wi af 
Path AB, P is the same, DT is 200 K.  or DU iaf  = Q iaf  – Wi af 
PV =  nRT  for  all  process
\  PDV = nRDT = 2R 200 = 400R.  =  50  –  20  =  30  cal 
Work  done  on  the  gas   from  A  to  B  =  400R. 
For  the  path  ibf,  a  f 
9.  (b) : D to A, temperature remains the same. b
Q ibf  = DU ibf  + Wi bf 
\  Work done by the gas  = W = nRT ln VV12   
= nRT ln P1   Since DU iaf  = DU ibf  ,  change  in 
P2 
internal  energy  are  path  i 
Þ  W = –600R (0.693) =  –415.8R. 
This is the work done by  the gas independent. 
\  Work done on the gas = +415.8R. 
Nearest  to  (b).  Q ibf  = DU iaf  + Wi bf
\  Wi bf  = Q ibf  – DU iaf  = 36 – 30 = 6 cal. 
10.  (b) : Total work done on the gas when taking from A to B = 400R, 
from C to D is  equal  and  opposite.  14.  (b) :  According  to  first  law  of  thermodynamics
They  cancel  each  other.  DQ  = DU  + DW 
For taking from D to A, work  done on  the gas  = +414R. 
Work done on the  gas  in  taking  it  from B to  C,  pressure  is  For  an  adiabatic  process, DQ  =  0
decreas ed,  temperature  remain  the  same,  volume  increas es. \  0  = DU  + DW 
Þ  WB C  + WD  A  =  2 ln 2(500R – 300R).
Þ  WB C  + DA  =  (2 ln 2) × (200R)  or DU  =  – DW 
= 400R ×  0.693 = 277R. or  nC V DT  =  – DW 
\  Work done along AB and CD cancel each other because 
pressure changes but temperature is the same.  or  CV    = - DW  = -(-146) ´10 3 
Net  work  done  on  the  gas  of  2  moles of  helium  through  the  nDT (1´103 ) ´ 7 
whole network = 277R per cycle or nearest to the answer (b). 
=  20.8  J  mol –1  K– 1 

For diatomic  gas, 

CV  = 5 R = 52  ´ 8.3 = 20.8 J mol-1 K -1 
2

Hence  the  gas  is  diatomic. 

15.  (c)  : DU1   = DU 2,    because  the  change  in  internal  energy 
depends  only  upon  the  initial  and  final  states  A  and  B. 

Thermodynamics  41 

16.  (a)  :  Efficiency  h = 1 - Q2    20.  (c)  :  The  work  does  not  characterize  the  thermodynamic 
Q1  state  of  matter. 

Q2   =  T0   (2S0   –  S0  )  =  T 0  S 0  21.  (d)  :  In  an  adiabatic  process,  T g = (constant) Pg -1 

Q1 = T0 S0 + T0S0    = 23  T0 S 0  or  Tg/g–1  =  (constant)  P 
2
Given  T3   =  (constant)  P

h = 1- T0S 0 ´ 2  = 1- 2 = 13  .  \  g g = 3Þ 3g - 3 = g
3T0 S 0  3 -1

or  2g  =  3 Þ g  =  3/2 

17.  (b, c) :  Statements  (b) and  (c) are  incorrect regarding  the  N.B  For  monoatomic  gas,  g = 53 = 1.67 
first  law of  thermodynamics. 
For  diatomic  gas,  g = 7  = 1.4 
18.  (b)  :  Internal  energy  and  entropy  are  state  functions.  5

when g = 1.5, the gas must be a suitable mixture of monoatomic 

19.  (b)  :  Efficiency  = 1- T2   = 1- 300 = 1 - 1 =  2  and  diatomic  gases
T1  900 3 3 
\ g  =  3/2. 

Heat  energy  =  3  ×  10 6  cal  =  3  ×  10 6  ×  4.2  J 22.  (a)  :  Second  law  of  thermodynamics. 
\  Workdone  by  engine  =  (Heat  energy)  ×  (efficiency) 
23.  (c)  :  We  cannot reach  absolute  zero  temperature. 
=  (3´106 ´ 4.2) ´ 23  J 
=  8.4  ×  10 6  J.  24.  (a) :  All  reversible  cycles  do  not  have  same  efficiency. 
25.  (b)  :  Thermal  capacity.

42  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

CHAPTER  KINETIC THEORY OF GASES 



1.  A thermally insulated vessel contains an ideal gas of molecular  (c)  Tf  = 73  T0  (d)  Tf  = 32  T0 .  (2006) 

mass M and ratio of specific heats g. It is moving with speed 

v and is suddenly brought to rest. Assuming no heat  is lost  5.  A  gaseous mixture consists of 16 g of helium and  16  g  of 

to the surroundings, its temperature increases  by  oxygen. The  ratio CP   /CV    of  the  mixture  is 

(a)  (g - 1)  Mv 2  K  (b)  (g2 g- R1) Mv 2  K  (a)  1.4  (b)  1.54  (c)  1.59  (d)  1.62 
2(g + 1) R
(2005) 
gM  v 2 
(c)  2 R K  (d)  (g2- R 1) Mv 2  K  (2011)  6.  One mole of ideal monoatomic gas (g = 5/3) is  mixed with 
one mole of diatomic gas (g = 7/5). What is g for the mixture? 
2.  One kg of a diatomic gas is at  a pressure of 8 ×  104   N/m2  .  g denotes the ratio  of specific heat  at constant pressure,  to 
that  at  constant  volume. 
The density  of  the  gas  is  4 kg/m3  .   What  is  the  energy of  the  (a)  3/2  (b)  23/15  (c)  35/23  (d)  4/3. 
(2004) 
gas due to  its  thermal  motion? 

(a)  3 ×  10 4  J  (b)  5 ×  104   J 

(c)  6 ×  104   J  (d)  7 ×  104   J  (2009) 

7.  1 mole of a gas with g = 7/5 is mixed with 1 mole of a gas 

3.  If  CP    and  CV    denote  the  specific  heats  of  nitrogen  per  unit  with g = 5/3, then the value of g for the resulting mixture is 
mass at constant pressure and constant volume respectively, 
(a)  7/5  (b)  2/5  (c)  24/16  (d)  12/7.

then  (2002) 

(a)  CP    –  CV    =  28R  (b)  C P  –  CV    =  R/28  8.  At  what  temperature  is  the  r.m.s.  velocity  of  a  hydrogen 
(c)  CP    – C V = R/14 
(d)  CP    – C V  =  R  (2007)  molecule equal  to that  of an  oxygen molecule at 47°C? 

4.  Two rigid boxes containing different ideal gases are placed on  (a)  80 K  (b)  –73 K  (c)  3 K  (d)  20  K. 

a table. Box A contains one mole of nitrogen at temperature T0  ,  (2002) 
while  Box  B  contains  one  mole  of  helium  at  temperature 
9.  Cooking  gas  containers  are  kept  in  a  lorry  moving  with 
(7/3) T0 .  The boxes are then put into thermal contact with each  uniform speed. The temperature of the gas molecules inside 
other  and  heat  flows  between  them  until  the  gases  reach  a  will 
(a)  increase 
common final temperature. (Ignore the heat capacity of boxes).  (b)  decrease 
(c)  remain same 
Then, the final temperature of the gases, Tf  , in terms of T0   is  (d)  decrease for some,  while increase for others. 
(2002) 
(a)  Tf  = 52  T0  (b)  Tf  = 73  T0 

Answer  Key 

1.  (d)  2.  (b)  3.  (b)  4.  (d)  5.  (d)  6.  (a) 
7.  (c)  8.  (d)  9.  (c)

Kinetic Theory of Gases  43 

1.  (d) : Kinetic  energy  of  vessel  =  12  mv2  CV    = n1CV1 + n2 CV  2    where  CV  =  2f  R
Increas e  in  internal  energy  n1 + n2 

DU = nCV D T C P  = n1CP1 + n2 C P2   where  CP  = æ f  + 1 ÷øö R
where n is the number  of moles of  the  gas  in vessel.  n1 + n2  çè 2 
As the vessel is stopped suddenly, its kientic energy is used to 
increase the temperature of  the  gas For  helium,  f  =  3,  n1   =  4 

\  12  mv2  = D U For  oxygen,  f  =  5,  n 2  =  1/2

(( )) (( )) \C P  =4 ´ 5 R + 1 ´ 27  R  47 = 1.62. 
2 2
1 mv2  =
2  = nCV DT CV    3 1 ´ 52  R 29 
4 ´ 2 R + 2

12  mv2  = m CV DT ( ) Q  n = m  6.  (a)  :  For  mixture  of  gases, 
M M

DT  = Mv 2  n1 + n2 = n1 + n2  or  1 +1 = 1 + 1 
2C  V  gm  - 1 g1 - g2  - 1  gm -1 5 -1 7 - 1 
1
Mv 2 (g ( ) Q 
or DT = 2R - 1)  K  CV    = R  3 5 
- 1) 
(g

2.  (b) : The thermal energy or internal energy is  U = 52  m RT for  or  2 = 3 + 5  = 4Þ g m  - 1 = 0.5 
diatomic  gases.  (5  is  the  degrees  of  freedom  as  the  gas  is  gm -1 2 2 

\ gm    =  1.5  =  3/2. 

diatomic)  7.  (c)  :  For  mixture  of  gases 
But PV = mRT 

V = mass = 4 1 kg  =  14  m 3  n1 + n2 = n1 + n2 
density kg/m 3  g -1 g -1 g -1 

m  1 2 

P = 8 × 10 4  N/m2 .   ( ) ( ) 1+1 = 1 + 1 

\ U= 5 ´ 8 ´ 104 ´ 1  = 5 ´ 104  J  g -1  7 -1 5 - 1 
2 4 
m 5 3 

3.  (b) : Molar heat capacity = Molar mass × specific  2 = 5 + 3 
- 1 2 2 
heat  capacity  g m

So, the molar heat capacities at constant pressure and  constant  2 8 
- 1 2 
volume  will be  28CP    and 28CV    respectively or  g =

\  28CP    – 28CV    = R  or  CP - CV  = 2R8  .  m

or  8gm    –  8  =  4 

4.  (d)  : DU  =  0 or  8g m  =  12 

\  1´ èæç 5 R öø÷ (T f - T0 ) + 1´ 3 R èçæ T f  - 73  T0 ÷øö = 0  or  g = 12 = 1264  
2 2 8
m

or  5Tf   –  5T 0  +  3T f  –  7T 0  =  0  8.  (d)  :  vr ms  = RT 
M
or  8Tf   =  12T 0 

or  Tf  =  23  T0 .  \  (vrm s )O2 = (vrms ) H 2 

or  273 + 47  = T2  Þ T = 20 K . 
32
5.  (d)  :  For  16  g  of  helium,  n 1  =  16 = 4 
4

For  16  g  of  oxygen,  n2   =  16 1  9.  (c) :  It is the relative  velocities between  molecules that is 
32 =  important.  Root  mean  square  velocities are  different  from 
lateral  translation.
2

For  mixture  of  gases, 

44  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

CHAPTER  OSCILLATIONS AND WAVES

10 

1.  The amplitude of a damped oscillator decreases to 0.9 times  6.  Two particles are executing simple harmonic motion  of  the 
same amplitude  A  and frequency w along the  x­axis. Their 
its original magnitude in 5 s. In another 10 s it will decrease 

to a times its original magnitude where a equals  mean  position  is separated  by  distance X 0  (X 0  >  A).    If  the 
maximum  separation  between  them  is  (X0   +  A),  the  phase 
(a)  0.6  (b)  0.7  (c)  0.81  (d)  0.729  difference  between  their  motion  is 

(2013) 

2.  An  ideal  gas  enclosed  in  a  vertical  cylindrical  container  (a)  p  (b)  p  (c)  p  (d)  p 
supports  a  freely  moving  piston  of  mass  M.  The  piston  and  2 3 4 6
the  cylinder  have  equal  cross  sectional  area  A.  When  the 
piston is in equilibrium, the volume of the gas is V 0  and its  (2011) 
pressure  is  P0  .  The  piston  is  slightly  displaced  from  the 
equilibrium position and released. Assuming that the system  7.  A  mass  M,  attached  to  a  horizontal  spring, executes  SHM 
is completely isolated from its surrounding, the piston executes 
a  simple harmonic motion with  frequency  with  a  amplitude A1  . When  the  mass  M  passes  through  its 
mean position then a smaller mass  m  is placed  over  it  and 

both  of  them  move  together  with  amplitude A 2 . The  ratio  of 

æ A1   ö is 
çè A2  ø÷ 

(a)  1  MV0   (b)  1  AgP0   (a)  M  (b)  M + m 
2 p Ag P0  2 p V0 M M + m M

M  1/ 2  ( ) (d) M + m  1/2 
M + m M
(c)  1  V0MP0   (d)  1  A2 gP0  (2013)  ( ) (c) (2011) 
2 p A2 g  2 p  MV0 

3.  A  sonometer  wire  of  length  1.5  m  is  made  of  steel.  The  8.  The transverse  displacement  y(x,t) of a  wave on  a string  is 
given  by 
tension in  it produces  an  elastic  strain  of  1%. What  is  the  y( x,t ) = e-(ax2 +bt2 +2 abxt ) 
This  represents  a 
fundamental  frequency  of  steel  if  density  and  elasticity  of 

steel are 7.7 × 103   kg/m3   and 2.2 × 101 1  N/m2   respectively?  a 

(a)  770 Hz  (b)  188.5  Hz  (a)  wave moving in +x­direction with  speed 

(c)  178.2  Hz  (d)  200.5  Hz  (2013)  (b)  wave moving in –x­direction with  speed  b 

4.  If a simple pendulum has significant amplitude (up to a factor 
(c)  standing  wave  of  frequency  b 
of  1/e  of  original)  only  in  the  period  between  t  =  0  s  to  1  (2011) 
t = t s, then t may be called the average life of the pendulum. 
(d)  standing  wave  of  frequency  b 
When the spherical bob of the pendulum suffers a retardation 

(due to viscous drag) proportional  to its velocity,  with b as  9.  The  equation  of  a  wave  on  a  string  of linear  mass  density 

the  constant of  proportionality,  the  average  life  time  of  the  0.04 kg m– 1  is given  by

( ) y = 0.02 (m) sin éêë2p
pendulum  is  (as suming  damping  is  small)  in  seconds  t - x  úùû . 
0.04(s) 0.50(m) 
1  2  0.693 
(a)  b  (b)  b  (c)  b  (d)  b  The  tension  in  the  string  is 

(2012)  (a)  6.25 N  (b)  4.0 N  (c)  12.5 N  (d)  0.5 N 

5.  A  cylindrical  tube,  open  at  both  ends,  has  a  fundamental  (2010) 

frequency,  f  in  air. The  tube  is  dipped  vertically  in  water  so  10.  If  x,  v  and  a denote  the  displacement, the velocity  and  the 

that  half  of  it  is  in  water. The  fundamental  frequency  of  the  acceleration of  a particle  executing simple  harmonic motion 

air­column  is  now  of time period T, then, which of the following does not change 

f  3 f  (c)  2f  (d)  f  with  time? 
(a)  2  (b)  4  (2012) 
(a)  a2 T  2   +  4p2  v 2  (b)  aT/x 

(c)  aT + 2pv  (d)  aT/v  (2009) 

Oscillations  and  Waves  45 

11.  Three  sound  waves  of  equal  amplitudes  have  frequencies  19.  A  sound  absorber  attenuates  the  sound  level  by 
20  dB. The  intensity decreases  by a factor  of 
(u – 1), u, (u + 1). They superpose to give beats. The number  (a)  100  (b)  1000  (c)  10000  (d)  10 
(2007) 
of  beats produced  per second  will  be 

(a)  4  (b)  3  (c)  2  (d)  1 

(2009)  20.  A coin  is placed on a  horizontal platform which undergoes 
vertical simple harmonic motion of angular frequency w. The 
12.  A motor cycle starts from rest and accelerates along a straight 
path at 2 m/s 2.   At the  starting point  of the  motor  cycle there  amplitude of oscillation is gradually increased. The coin will 
is  a  stationary  electric  siren.  How  far  has  the  motor  cycle 
gone when the driver hears the frequency of the siren at 94%  leave contact with  the platform for the  first time 
of its  value when  the motor  cycle was  at rest? 
(Speed  of  sound =  330 ms– 1)  .  (a)  at  the  highest position  of the platform 
(a)  49 m  (b)  98 m  (c)  147 m  (d)  196 m 
(2009)  (b)  at  the  mean position of the platform 
g
13.  A wave travelling along the x­axis is described by the equation  (2006) 
(c)  for  an  amplitude  of  w 2 
y(x, t) = 0.005 cos(ax – bt). If the wavelength and the time  g 2 

(d)  for  an  amplitude  of  w 2  . 

period  of  the  wave  are    0.08  m  and  2.0  s,  respectively,  then 21.  The  maximum  velocity  of  a  particle,  executing  simple 

a and b in appropriate units are  harmonic  motion  with  an  amplitude  7  mm,  is  4.4  m/s.  The 

(a)  a = 12.50p,  b =  p (b)  a = 25.00p, b = p  period of  oscillation  is 
2.0
(d)  a = 0.04 , b = 1.0  (a)  100 s  (b)  0.01 s  (c)  10 s  (d)  0.1 s. 
(c)  a = 0.08 , b = 2.0  p p 
p p  (2008)  (2006) 

22.  Starting from the origin, a body oscillates simple harmonically 

with a  period of 2 s. After what time will its kinetic energy 

14.  The speed of sound in oxygen (O 2)   at a  certain temperature  by  75%  of  the total  energy? 
is  460  ms –1.   The  speed of  sound in  helium (He)  at  the same 
(a)  1  s  (b)  1 s  (c)  1  s  (d)  1 s . 
temperature  will  be  (as sume  both  gas es  to  be  ideal)  12  6  4  3 

(a)  330 ms –1  (b)  460 ms– 1  (2006) 

(c)  500 ms– 1  (d)  650 ms –1.   (2008)  23.  A string is stretched between fixed points separated by 75 cm. 

15.  A point mass oscillates along the x­axis according to the law  It  is  observed  to  have  resonant  frequencies  of  420  Hz  and 

x  =  x0   cos  (wt  – p/4).  If  the  acceleration  of  the  particle  is  315  Hz.  There  are  no  other  resonant  frequencies  between 
written as a =  Acos(wt + d), then 
these two. Then, the lowest resonant frequency for this string is 
(a)  A = x 0w2  , d =  3p/4  (b)  A = x 0,  d =  –p/4 
(c)  A = x 0w 2 , d = p/4  (d)  A = x 0w2  , d =  –p/4  (a)  10.5 Hz  (b)  105 Hz 

(2007)  (c)  1.05 Hz  (d)  1050 Hz.  (2006) 

16.  The  displacement  of  an  object  attached  to  a  spring  and  24.  A  whistle  producing  sound  waves  of  frequencies  9500  Hz 
executing  simple  harmonic  motion  is  given  by 
x = 2 × 10– 2  cos pt metre. The time at which the maximum  and  above  is  approaching  a  stationary  person  with  speed 
speed first occurs  is 
(a)  0.25 s  (b)  0.5 s  (c)  0.75 s  (d)  0.125 s  v ms –1 . The velocity of sound in air is 300 ms –1.   If the person 
(2007) 
can  hear  frequencies  upto  a  maximum  of  10000  Hz,  the 

maximum value of v upto which he can  hear the whistle is 

(a)  30 ms– 1  (b)  15 2 ms-1   

17.  A particle of mass m executes simple harmonic motion with  (c)  15 / 2 ms- 1  (d)  15 ms– 1.   (2006) 
amplitude a and frequency u. The average kinetic energy during 
25.  The  bob  of  a  simple  pendulum  is  a  spherical  hollow  ball 
its motion from the  position  of  equilibrium to the  end is  filled  with  water.  A  plugged  hole  near  the  bottom  of  the 
oscillating bob gets suddenly unplugged. During observation, 
(a)  2p2  m a 2 u2   (b) p 2m  a2 u 2  till water is coming out, the time period of oscillation would 
(a)  remain unchanged 
(c)  1 m a2u 2  (d)  4p2 m  a2 u2   (2007)  (b)  increase towards a saturation value 
4  (c)  first increase  and  then decrease to the  original value 
(d)  first decrease  and  then increase to the  original value 
18.  Two  springs,  of  force  k 1  m k 2  (2005) 
constants  k 1  and  k 2  are 
connected  to  a  mass  m  as 

shown.  The  frequency  of 

oscillation  of the mass is f. If both k1   and k2   are made four  26.  If a simple harmonic motion is represented by  d 2 x  ax = 0 , 
times  their  original  values,  the  frequency  of  oscillation  dt 2  +

becomes  its  time  period  is 

(a)  2f  (b)  f/2  (c)  f/4  (d)  4f  (a)  2pa  (b)  2p a  (c)  2p/a  (d)  2p / a 

(2007) 

(2005) 

46  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

27.  Two  simple  harmonic  motions  are  represented  another spring  is t2  .    If the  period  of  oscillation with  the  two 
springs  in  series  is  T,  then 
çæè100 pt pö
by the equations  y1  = 0.1sin + 3 ÷ø  and y 2  = 0.1cosp t.  (a)  T =  t1   +  t 2  (b)  T 2  =  t 1 2  +  t 2 2 
(c)  T –1  =  t1 –  1  +  t 2 –1  (d)  T –2  =  t1  –2  +  t2  –2.    (2004) 
The phase difference of the velocity of particle 1 with respect 

to  the  velocity  of  particle  2 is  35.  The displacement y of a particle in a medium can be expressed 

(a)  –p/3  (b) p/6  (c)  –p/6  (d) p/3.  as: 

(2005)  y = 10 –6s  in(100t + 20x + p/4) m, where t is in second and x 

28.  The  function sin2 (  wt)  represents  in  meter. The speed of  the wave  is 
(a)  a simple harmonic motion with a period  2p/w 
(b)  a simple harmonic motion  with a period p/w  (a)  2000 m/s  (b)  5 m/s 
(c)  a periodic, but not simple harmonic motion with a period 
2p/w  (c)  20 m/s  (d)  5p m/s.  (2004) 
(d)  a periodic, but not simple harmonic motion with a period
p/w  (2005)  36.  The  bob  of  a  simple  pendulum  executes  simple  harmonic 

motion in water with a period t, while the period of oscillation 

of the bob is t 0 in air. Neglecting frictional force of water and 
given that the density of the bob is (4/3) × 1000 kg/m3  .   What 

29.  An  observer  moves  towards  a  stationary  source  of  sound,  relationship between t  and  t0   is  true? 
(a)  t =  t0   (b)  t =  t0 /  2  (c)  t =  2t 0 
with a velocity one­fifth of the velocity of sound. What is the  (d)  t =  4t 0 . 
(2003) 
percentage  increase  in  the  apparent  frequency? 

(a)  5%  (b)  20%  (c)  zero  (d)  0.5% 37.  A  body  executes  simple  harmonic  motion.  The  potential 

(2005)  energy (P.E.), the kinetic energy (K.E.) and total energy (T.E.) 

30.  When  two  tuning  forks  (fork  1  and  fork  2)  are  sounded  are  measured  as  function  of  displacement  x. Which  of  the 
simultaneously,  4  beats  per  second  are  heard.  Now,  some 
tape is attached on the prong of the fork 2. When the tuning  following  statement  is  true? 
forks are sounded again, 6 beats per second are heard. if the 
frequency  of  fork  1  is  200  Hz,  then  what  was  the  original  (a)  K.E. is maximum when x = 0 
frequency  of  fork  2? 
(a)  196 Hz  (b)  204  Hz  (c)  200  Hz  (d)  202 Hz  (b)  T.E. is zero when x = 0 
(2005) 
(c)  K.E. is maximum when x is maximum 

(d)  P.E. is maximum when x = 0.  (2003) 

38.  The length of a simple pendulum executing simple harmonic 

motion  is  increased  by  21%. The  percentage  increase  in  the 

31.  In forced oscillation of a particle the amplitude is maximum  time period of  the  pendulum of increased  length  is 

for a frequency w1  of the force, while the energy is maximum  (a)  11%  (b)  21%  (c)  42%  (d)  10%.

for  a  frequency w 2  of  the  force,  then  (2003) 

(a) w 1  = w2   (b) w 1  > w 2  39.  Two particles A and  B of equal masses are suspended from 
two  massless  springs  of  spring  constants  k 1  and  k 2 , 
(c) w1   < w 2  when  damping  is  small  and w1   > w 2  when  respectively.  If  the  maximum  velocities,  during  oscillations, 
are equal,  the ratio of amplitudes of A and B is 
damping is large 

(d) w 1  < w 2  (2004) 

32.  A particle of mass m is attached to a spring (of spring constant  (a)  k1 / k 2  (b)  k2  /k1   (c)  k2 / k1   (d)  k 1 /k2 . 
(2003) 
k) and has a natural angular frequency w0 .  An external force 
F (t) proportional to coswt (w ¹ w0  ) is applied to the oscillator.  40.  A mass M is suspended from a spring of negligible mass. The 
The time displacement of the oscillator will be proportional to 

m 1  spring  is  pulled a  little  and then  released so that  the  mass 
(a)  w0 2 - w 2  (b)  m(w0 2 - w 2 ) 
executes  SHM  of  time  period  T.  If  the  mass  is  increased  by 
1  m
(c)  m(w0 2 + w2   )  (d)  w0 2 + w 2  .  m, the time period becomes 5T/3. Then the  ratio of m/M  is 

(2004)  (a)  3/5  (b)  25/9  (c)  16/9  (d)  5/3. 

33.  The  total  energy  of  a  particle,  executing  simple  harmonic  (2003) 

motion  is  41.  A tuning fork of known frequency 256 Hz makes 5 beats per 

(a) µ x  (b) µ x 2  second with the vibrating string of a piano. The beat frequency 

(c)  independent of  x  (d) µ x1 /2  decreases to 2 beats per second when the tension in the piano 

where x is the  displacement from  the mean  position.  string is slightly increased. The frequency of the piano string 

(2004)  before  increasing  the  tension  was 

34.  A particle  at the end of  a  spring  executes  simple  harmonic  (a)  (256 + 2) Hz  (b)  (256 – 2) Hz 
motion  with a period t 1,  while the corresponding period  for 
(c)  (256 – 5) Hz  (d)  (256 + 5) Hz.  (2003)

Oscillations  and  Waves  47 

42.  A metal wire of linear mass density of 9.8 g/m is stretched  47.  If a spring has time period  T, and is cut into n equal  parts, 
with  a  tension  of  10  kg­wt  between  two  rigid  supports  then the time period of each part will  be 
1 metre apart. The wire passes at its middle point between the 
poles  of  a  permanent  magnet,  and  it  vibrates  in  resonance  (a)  T n  (b)  T /  n  (c)  nT  (d)  T. 
when  carrying  an  alternating  current  of  frequency u.  The  (2002) 
frequency u of  the  alternating  source  is 
(a)  50  Hz  (b)  100  Hz  (c)  200  Hz  (d)  25  Hz.  48.  When temperature increases, the frequency of a  tuning fork 

(2003)  (a)  increases  (b)  decreases 

(c)  remains same 

43.  The displacement of a particle varies according to the relation  (d)  increases or decreases depending on the material. 
x = 4(cospt + sinpt). The  amplitude of  the  particle is 
(2002) 

(a)  – 4  (b)  4  (c)  4 2  (d)  8.  49.  Length  of  a  string  tied  to  two  rigid  supports  is  40  cm. 

(2003)  Maximum length  (wavelength  in cm)  of a  stationary  wave 

produced  on it  is 

44.  The displacement y of a wave travelling in the x ­direction is  (a)  20  (b)  80  (c)  40  (d)  120. 

given  by (2002) 

( ) y
= 10-4 sin 600t - 2x + p  metre,  50.  A wave y = a sin(wt – kx) on a string meets with another wave 


where x  is  expressed in  metre and  t  in  second. The  speed  of  producing a node at x = 0. Then the equation of the unknown 

the wave­motion, in  ms –1  is  wave  is 

(a)  300  (b)  600  (c)  1200  (d)  200.  (a)  y = asin(wt + kx)  (b)  y = –asin(wt + kx) 

(2003)  (c)  y = asin(wt – kx)  (d)  y = –asin(wt – kx). 

45.  A child swinging on a swing in sitting position, stands up,  (2002) 

then the time period of the  swing will  51.  A tuning fork arrangement (pair) produces 4 beats/sec with 

(a)  increase  one  fork  of  frequency  288  cps. A  little  wax  is  placed  on  the 

(b)  decrease  unknown fork and it then produces 2 beats/sec. The frequency 

(c)  reamains same  of  the  unknown  fork is 

(d)  increases if the  child is long and decreases  if the child  (a)  286 cps  (b)  292 cps 

is  short.  (2002)  (c)  294 cps  (d)  288 cps.  (2002) 

46.  In a simple harmonic oscillator,  at the mean position  52.  Tube A has both ends open while tube B has one end closed, 
(a)  kinetic energy is minimum, potential energy is maximum 
(b)  both kinetic and potential  energies  are  maximum  otherwise  they  are  identical.  The  ratio  of  fundamental 
(c)  kinetic energy is maximum, potential energy is minimum 
(d)  both kinetic and potential  energies are minimum.  frequency of tube A and  B  is 
(2002) 
(a)  1 : 2  (b)  1 : 4  (c)  2 : 1  (d)  4 : 1.

(2002) 

Answer  Key 

1.  (d)  2.  (d)  3.  (c)  4.  (c)  5.  (d)  6.  (b) 
7.  (d)  8.  (b)  9.  (a)  10.  (b)  11.  (a)  12.  (b) 
13.  (b)  14.  (*)  15.  (a)  16.  (b)  17.  (b)  18.  (a) 
19.  (a)  20.  (c)  21.  (b)  22.  (b)  23.  (b)  24.  (d) 
25.  (c)  26.  (d)  27.  (c)  28.  (d)  29.  (b)  30.  (a) 
31.  (a)  32.  (b)  33.  (c)  34.  (b)  35.  (b)  36.  (c) 
37.  (a)  38.  (d)  39.  (c)  40.  (c)  41.  (c)  42.  (a) 
43.  (c)  44.  (a)  45.  (b)  46.  (c)  47.  (b)  48.  (b) 
49.  (b)  50.  (b)  51.  (b)  52.  (c)

48  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

1.  (d) : The amplitude of a damped oscillator at a given instant  d 2 x  = - w 2 x 
dt 2 
of time t is given by 

A = A0 e  – bt/2m  We get 

where A0   is its amplitude in the absence of damping, b is the  w2  = gP0 A2 or  w =  gP0 A 2 
damping constant.  MV0 MV0 

As per question 

After 5 s (i.e. t = 5 s) its amplitude becomes  w 1  gP0 A 2 
2p 2 p  MV0 
0.9A0  = A 0e   –b(5)/2m  = A 0e   –5b/2m  Frequency, u = =
0.9 = e –5b/2m 
...(i) 

After 10 more second (i.e. t = 15 s), its amplitude becomes 3.  (c) : Fundamental frequency  of vibration  of wire  is 

aA 0  = A 0e  – b(15)/2m  = A0 e   –15b/2m (Using (i))  u = 1  T 
a = (e– 5b/2m)   3 = (0.9)3   2 L m 

= 0.729 

2.  (d) :  where  L  is  the  length  of  the  wire,  T  is  the  tension  in  the 
FBD of piston at equilibrium  wire and m  is the  mass per length of the  wire 
As m  = rA 
where r is the density of the material of the wire and  A is 
the  area of  cross­section  of the  wire. 

\ u = 1  T 
2 L r A

Here  tension  is due  to elasticity  of wire 

\ T = YA é DL ù éë As Y  = Stress  = TL  ù
ë L û Strain  AD L û

Pa tmA   + Mg = P0 A    …(i)  Hence,  u = 1  Y DL 
2 L r L

FBD of piston when piston is pushed down a distance x  Here,  Y = 2.2  × 10 11  N/m 2 , r  = 7.7  × 10 3  kg/m 3 

DL  = 0.01, L = 1.5 m 
L

Substituting the given values, we  get 

u = 1  2.2 ´ 1011  ´ 0.01 
2 ´ 1.5  7.7 ´ 103 
d 2 x 
( P0 + dP) A - (Patm A + Mg ) = M  dt 2  …(ii) 

As  the  system  is  completely  isolated  from  its  surrounding  = 103  2  Hz = 178.2 Hz 
therefore the change is adiabatic.  37
For an adiabatic process 
4.   (c) 
PVg  = constant
\  Vg dP + Vg–1P  dV = 0  5.  (d): When the tube of length l is open at  l 
both  ends,

or  dP = -  gPdV  \  f  =  v  ...(i) 
V 2l 

\ dP = -  gP0 ( Ax )  ( .. .  dV = Ax)  where  v  is the  speed of sound in air. 
V0 
…(iii)  When the tube is dipped vertically in water 

Using (i) and (iii) in (ii), we get  and half of it is in water, it behaves closed  l 

pipe  length  2l  ,
M d 2 x  = -  gP0 A 2  x  or  d 2 x  = -  gP0 A 2  l 
dt 2  V0   dt 2  MV0   v v  2
f ¢ = = 2l   = f  (Using(i)) 
Comparing it with standard equation of SHM,  ( ) \ l
4  2 

Oscillations  and  Waves  49 

6.  (b)  ( )T 2p  2 
0.04 
0.04 ´

M  = 2p    2  = 6.25 N 
7.  (d) : T1  = 2p    k ...(i)  ( ) 0.05 

When a  mass m is placed on  mass M, the new system is of  10.  (b) : For a simple harmonic motion, 
mass = (M +  m) attached  to the spring. New time period of 
oscillation  acceleration, a = –w 2x   where w is a constant  =  2 p . 
T
(m + M ) 
T2   = 2p    ...(ii)  4p2 aT  - 4Tp   2 
k a = - T 2  × x  Þ x = . 

Consider v1   is the velocity of mass M passing through mean  The period of oscillation T is a constant. 

position and v2   velocity of mass  aT 
(m + M) passing through mean position.  x

Using, law of conservation of linear momentum  \  is a constant. 

Mv1  = (m + M)v 2  11.  (a) : The  given  sources  of  sound  produce  frequencies, 
M(A 1(w .. . 1  )   v=1   =(m A + 1w M1  a)n(Ad 2 wv2  2 ) =  A 2w 2)   
(u  – 1), u and (u + 1). 

or  A1  = (m + M )  w2  For  two  sources  of  frequencies u1   and u 2 , 
A2 M w1  y 1  = A  cos  2pu 1 t 
y2   = A  cos  2pu 2 t 

( ) ( ) = Superposing, one  gets

m + M  T1   Q  w1 = 2p and w2  = 2 p ( ) ( ) y = 2Acos2p + u2 
M ´ T2 T1 T2  u1 - u2 t cos 2p  u1 2  t. 
2

The resultant frequency obtained is  u1 + u 2  and this wave 
2
A1   =  m + M  (Using (i) and (ii)) 
A2  M u1 - u 2 
is  modulated  by  a  wave  of  frequency  2 (rather  the 

8.  (b) :  y(x, t) = e-(ax2 + bt2  + 2 ab xt )  difference  of  frequencies/2). 

The intensity waxes and wanes. For a cosine curve (or sine 

= e- ( a x+ bt ) 2  curve),  the  number  of  beats  = u 1  ~ u 2 . 

Comparing equation (i)  with standard equation  Frequencies  Mean  Beats

y(x, t) = f(ax +  bt)  u + 1 and u  (u  + 0.5) Hz  1

As there is positive sign between x and t terms, hence wave  u and u – 1 u –  0.5 

travel in –x  direction.  1 

Wave speed =  Coefficient of  t  =  b  (u  + 1) and (u –  1) u  2 
Coefficient of  x a
Total  number  of  beats  =  4. 

9.  (a) :  Here, linear  mass density m  =  0.04 kg  m –1  One should detect three frequencies, u, u + 0.5 and u – 0.5 
The  given  equation  of  a  wave  is and each frequency will show 2 beats, 1 beat and 1 beat per 
second,  respectively. 
( ) y = 0.02sin ëêé2 p t
0.04 - x  ù Total  number  of  beats  =  4 
0.50  úû 

Compare it with the standard  wave equation  12.  (b) : The source is at rest, the observer is moving away from 
y = Asin(wt –  kx) 
the  source. 

we  get,  \ f ¢ = f  (vsound - vo  bs ) 
vsound 
2p rad s-1; 2 p m -1 
w= 0.04 k =  0.5  rad f ¢
f
Þ ´ vsound = vsound - vo  bs 

Wave  velocity,  v = w = (2p / 0.04)  m s -1  ...(i)  Þ f ¢ ´ vsound - vsound = - vo  bs 
k (2p / 0.5)  f

Also v = T  ...(ii)  vsound æ f ¢ -1öø   = -vo  bs 
m  è f

where T is the tension in the string and m is the linear mass  330(0.94 –  1)  =  –vobs
density  Þ  vobs  = 330 ×  0.06 = 19.80 ms –1 . 
Equating equations  (i) and (ii),  we get 
\ s = v2 - u 2  = (19.80) 2  = 98 m. 
2a 2 ´ 2 
mw 2 
w = T  or  T  = k 2  13.  (b)  :  The  wave  travelling  along  the  x­axis  is  given  by 
k  m
y(x, t) = 0.005 cos(ax – bt).

50  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

Therefore  a = k = 2 p .  As l  = 0.08  m.  = 1 ma2 w2 sin 2 wt 
l  2 

\ a = 2 p = p Þ a= p ´100.00 = 25.00 p.   Average  kinetic  energy  < K > 
0.08 0.04 4
=  < 1 ma2w2 sin 2 wt > 
w=bÞ 2p  = b Þ p 2 
2.0
=  1 mw 2 a 2 < sin 2  w t > 
\ a = 25.00 p, b = p  2 

gP gRT  = 1 mw 2 a 2  æ 1 ö éëêQ  < sin 2 q > = 1 ù
r M 2 è 2 ø  2 ûú
14.  (*) : v = =

g for O 2  = 1  +  2/5 =  1.4; = 14  ma2 (2pu ) 2  [Q  w = 2pu]
g  for He = 1 + 2/3  = 5/3  = p2   ma 2 u 2.  

v2    æ g He  32  ö 18.  (a)  :  In  the  given  figure  two  k 1  m k 2 
v1  ççè 4  gO 2  ÷ø÷ ´ springs  are  connected  in 
= ´ 460 

5 1 32 ´ 5  parallel. Therefore the effective 
3 4 7
= 460 ´ ´ ´ = 1420 m/s.  spring  constant  is  given  by 

*  The  value  of  the  speed  of  sound  in He  should  have  been  k eff  = k 1  + k 2 
Frequency  of  oscillation, 
965  m/s  and  that  of  O 2 ,  about  320  m/s.  The  value  of  the 
velocity given  for O 2  is  quite high.  Option  not given.  f  = 1 k eff  = 1  k1 + k 2  ...  (i) 
2p m 2 p  m
15.  (a) : Given  :  x = x0 cos çèæ wt - p4 ÷øö  ...  (i) 
Acceleration a =  A cos (wt + d)  ... (ii)  As k 1  and k2   are increased four times 

New  frequency, 

Velocity  v =  dx  f¢= 1  4(k1 + k 2 )  = 2 f  (using  (i). 
dt 2 p  m

v = -x0w  sin çèæ wt - p4 ÷öø  ...  (iii)  19.  (a) :  L1   = 10 log çæè I 1  ö ;  L2   = 10 log çæè I 2  ö
...  (iv)  I0  ÷ø  I0  ÷ø
Acceleration  a =  dv 
dt æ I1 ö log èçæ I 2 ö
\  L1 - L2   = 10 log çè I0 ÷ø - 10 I0 ÷ø 
æ pö x0 w2 cos éêëp p4 ) ûùú
= - x0w2 cos è wt - 4ø = + (wt -  

= x0 w2 cos ëéêwt + 3p  ù or  D L = 10log çæè I 1  ö or  20 dB = 10 log çæè I1    ö
4  úû  I2  ÷ø  I2 ø÷ 

Compare  (iv)  with  (ii),  we  get  or  10 2  =  I 1  or  I 2  =  I 1  . 
I2  100 
A = x0 w2 , d = 34p   . 
20.  (c)  :  In  vertical  simple  harmonic  motion,  maximum 

16.  (b) : Given : displacement x =  2 ×  10– 2  cos pt  acceleration (aw 2 ) and so the maximum force (maw 2 ) will 

Velocity v = dx = -2 ´10-2 p sin p t  be at extreme positions. At highest position, force will be 
dt
towards  mean  position  and  so  it  will  be  downwards. At 
For the first time when v = v max , sin pt = 1 
lowes t  position,  force  will  be  towards  mea n  position  and 

or  sin pt = sin 2p  or  pt =  p so it will be upwards. This is opposite to weight direction 

of the  coin. The  coin will leave  contact will the platform 

or  t = 1  s = 0.5 s.  for the first time when m(aw 2 ) ³ mg at the lowest position 

of  the  platform. 

17.  (b)  :  For  a  particle  to  execute  simple  harmonic  motion  its 

displacement at any time t is given  by  21.  (b)  :  Maximum  velocity  v m  =  aw = a çæè 2 p ÷øö
T
x(t) = a(cos wt + f) 
T  = 2pa = 2 ´ 22 ´ (7 ´10-3 ) 
where,  a  =  amplitude, w  =  angular  frequency, \  vm  7 4.4 

f  =  phase  constant.  =  10 –2  sec  =  0.01  sec. 

Let us choose f = 0

\  x(t) = acoswt  22.  (b)  :  During  simple  harmonic  motion, 

Velocity  of  a  particle  v = dx  = -a wsin wt   Kinetic  energy  = 1 mv 2 = 12  m (a wcos wt  ) 2 
dt 2

Kinetic energy  of a  particle is  K = 12  mv2  Total  energy  E = 21  ma2 w2  

Oscillations  and  Waves  51 

Q  (Kinetic energy) = 17050  ( E )  = (0.1´ p) cos çèæ pt + p2 ÷øö

or  1 ma2w2 cos 2 wt = 75 ´ 1 ma2 w2   \  D f = p - p = - p6 . 
2 100 2  3 2

or  cos2 wt = 3 Þ cos wt = 3  = cos p y = sin 2 wt = 1 - cos 2wt = 1 - cos 2 wt 
4 2 6  2 2 2 
28.  (d)  : 
p
\  wt =  6 

or  t = p = p ) = 6 2p p  = 16  sec.  It  is  a  periodic  motion  but  it  is  not  SHM
6w 6(2p /T ´2 \  Angular speed  = 2w

23.  (b)  :  Let  the  successive  loops  formed  be  p  and  \  Period  T =  2 p = 2 p = p
angular speed  2w w 

(p  +  1)  for  frequencies  315  Hz  and  420  Hz Hence  option  (d)  represents  the  answer. 

\  u= p T  = pv  29.  (b)  :  By  Doppler's  effect 
2l m 2l 

\  pv  = 315  Hz  and  ( p + 1) v  = 420 Hz  u¢ = vs + v O  (where  v s  is  the  velocity  of  sound) 
2 l 2 l u  vs 

or  (p + 1) v - pv  = 420 - 315  = v + (v / 5) = 6 
2l 2 l v 5 

or  v = 105 Þ 12 ´ lv  = 105 Hz  \  Fractional  increase  = u¢ - u = æ u¢ - 1øö = æ 6 - 1öø  = 1 
2l u è u è 5 5

p  =  1  for  fundamental  mode  of  vibration  of  string. \  Percentage  increase  = 1050 = 20%. 

\  Lowest  resonant  frequency  =  105  Hz. 

24.  (d)  :  u¢ = vs   30.  (a)  :  Let  the  two  frequencies  be u1   and u 2
u vs  - v
u2   may  be  either  204 Hz  or  196 Hz. 
where  v s  is  the  velocity  of  sound  in  air. 
+4 Hz  204 Hz 
10000 300  (u2) 
9500 = 300 - v
200 Hz 

Þ(300 - v ) = 285 Þ v = 15 m /s .  (u 1) 
– 4 Hz  196 Hz 

25.  (c) : For a pendulum,  T  = 2 p  l  where l is measured upto  (u 2) 
g
As  mass  of  second  fork  increases, u2   decreases. 
centre  of  gravity.  The  centre  of  gravity  of  system  is  at 
If u 2  =  204 Hz,  a  decrease  in u2   decreases  beats/sec.  But 

centre of sphere  when  hole is plugged.  When unplugged,  this  is  not  given  in  question 

water  drains  out.  Centre  of  gravity  goes  on  descending.  If u 2  =  196 Hz,  a  decrease  in u 2  increased  beats/sec. 

When the bob becomes empty, centre of gravity is restored  This  is  given  in  the  question  when  beats  increase  to  6

to  centre. \  Original  frequency  of  second  fork  =  196 Hz. 

\  Length  of  pendulum  first  increases,  then  31.  (a)  :  In  case  of  forced  oscillations 
(i)  The  amplitude  is  maximum  at  resonance
decreases  to  original  value. \  Natural  frequency  =  Frequency  of  force  = w 1 
(ii) The  energy  is  maximum  at  resonance
\  T  would  first  increase  and  then  decrease  to  \Natural  frequency  =  Frequency  of  force  = w 2
\  From  (i)  and  (ii),
the  original  value.  w1   = w 2  . 

26.  (d)  :  Standard  differential  equation  of  SHM  is  32.  (b)  :  In  case  of  forced  oscillations, 
d 2 x + w2 x = 0 
dt 2  x  =  asin(wt  + f)  where  a = F0 / m 
Given  equation  is  dd2t2 x  + ax = 0  w02  - w2 
\ w 2  = a 
or w = a 1 
\  x  is  proportional  to  m(w02  - w2  )  . 
\  2p 2 p
T = w = a  . 

33.  (c)  :  Under  simple  harmonic  motion,  total  energy 

27.  (c)  :  v1 = d  ( y1 ) = (0.1´100p) cosçæè100 pt + p3 ÷øö  = 21  ma2w2  
dt Total  energy  is  independent  of  x.

v2 = d  ( y2 ) = (-0.1´ p) sin p t 
dt

52  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

34.  (b)  :  When  springs  are  in  series,  k = k1k 2  or  vm  = a  k 
k1 + k2  m

m  Q  (v m )A    =  (v m)   B
k1 
For  first  spring,  t1   = 2 p 

m  \  a1 k1 = a 2  k2 Þ  a1 = k 2  . 
k2  m m a2 k1 
For  second  spring  t2   = 2p

t12 + t22  = 4p2m + 4 p2 m  = 4 p2 m çæ k1 + k 2  ö 40.  (c)  :  Initially,  T = 2p  M / k
k1 k2 è k1k2  ÷ø 
\  5T  M + m 
3  k
Finally,  = 2 p

or  t12 + t 22   = é m ( kk11k+2 k 2 ) ùûú 2  \  35  ´ 2p M = 2 p  M + m 
ê2 p k k
ë

or  t12 + t22  = T 2 .  or  25 M =  M + m 
9  k k
35.  (b)  :  Given  wave  equation  : 
or  9  m  +  9  M  =  25  M 

y = 10-6 sin çæè100t + 20x + p4 ÷öø m  or  m  = 196  . 
Standard  equation  :  y  =  a  sin  (wt  +  kx  + f)  M
Compare  the  two
\ w =  100  and  k  =  20 41.  (c)  :  The  possible  frequencies  of  piano  are 

(256  +  5) Hz  and  (256  –  5) Hz. 

+5 Hz  261 Hz 

\  w = 100Þ 2 pn  = nl = v = 5  256 Hz 
k 20 2p / l

\  v  =  5  m/s. 

– 5 Hz  251 Hz 

36.  (c)  :  t0  = 2p  l / g .........  (i)  1  T 
2 l m 
Due  to  upthrust  of  water  on  the  top,  its  apparent  weight  For  piano  string,  u =

decreases  When  tension  T  increases, u  increases 

upthrust  =  weight  of  liquid  displaced (i)  If 261 Hz increases, beats/sec increase. This is not given 

\  Effective  weight  =  mg  –  (Vsg)  =  Vrg  –  Vsg  in  the  question. 

Vrg¢ =  Vg(r – s),  where s is  density  of  water  (ii)  If  251 Hz  increases  due  to  tension,  beats  per  second 

or  g ¢ = g æ r - s ö decrease. This  is  given  in  the  question. 
çè r ÷ø
Hence  frequency  of  piano  =  (256  –  5) Hz. 

\  t = 2p l / g ¢ = 2 p l r .......(ii) 42.  (a) : At resonance, frequency of vibration of wire  become 
g(r - s )  equal  to  frequency  of  a.c. 

t  = lr ´ g  = r For  vibration  of  wire,  u = 1  T 
t0  g(r - s)  l r - s 2l  m


( ) = 4 ´1000 /3  = 2  \  u = 1 10 ´ 9.8 = 100 = 50 Hz. 
40300 - 1000  2 ´1 9.8 ´ 10-3  2 
or  t  =  t0   ×  2  =  2t0  . 
37.  (a) :  Kinetic  energy  is  maximum  at  x  =  0.  43.  (c)  :  x  =  4(cospt  +  sinpt) 

=  4 ´ 2 é 1 cos pt + 1  sin p t ù
êë 2 2  ûú 

38.  (d)  :  Let  the  lengths  of  pendulum  be  (100l)  and  (121l) or  x=4 2 êéësin p cos pt + cos p4 sin pt úûù 
4

\  T ¢ = 121 = 11  = 4 2 sin çæè pt + p4 ÷öø 
T 100 10  Hence  amplitude  = 4 2 .

\  Fractional  change  = T ¢– T  = 11 - 10 = 1 
T 10 10 
44.  (a)  :  Given  wave  equation  : 
\  Percentage  change  =  10%. 
y = 10-4 sin çæè 600t - 2 x + p3 ÷øö m 
39.  (c)  :  Maximum  velocity  under  simple  harmonic  motion  Standard wave  equation :  y  =  asin(wt  –  kx  + f) 
Compare  them 
v m  =  aw Angular  speed  = w  =  600  sec –1 
Propagation  constant  =  k  =  2  m –1
\  vm  = 2pa = (2pa ) æçè 1 öø÷ = (2pa ) çæ 1  k  ö
T T è 2 p ÷
m ø 

Oscillations  and  Waves  53 

w = 2 pu = ul = velocity  Y  =  asin(wt  –  kx)  –  asin(wt  +  kx) 
k 2p / l At  x  =  0,  Y  =  a sinwt  –  asinwt  =  zero 
This  option  holds  good 
\  velocity = w = 600 = 300 m/sec .  Option  (c)  gives  Y  =  2asin(wt  –  kx) 
k 2  At  x  =  0,  Y  is  not  zero 
Option  (d)  gives  Y  =  0 
45.  (b)  :  Time  period  will  decrease.  Hence  only  option  (b)  holds  good. 
When the child stands  up, the  centre of   gravity is shifted 

upwards  and  so  length  of  swing  decreases.  T = 2p  l / g . 

46.  (c)  :  In  a  simple  harmonic  oscillator,  kinetic  energy  is  51.  (b)  :  The  wax  decreases  the  frequency  of  unknown  fork. 
maximum and potential energy is minimum at mean position.  The  possible  unknown  frequencies  are  (288  +  4)cps  and 
(288  –  4) cps. 

47.  (b)  :  For  a  spring,  T  = 2 p  m  + 4 cps  292 cps 
k

For  each  piece,  spring  constant  =  nk 288 cps 

\  T ¢ = 2 p m  – 4 cps 
nk
284 cps 

\  T ¢ = 2p m ´ 1  =  T  .  Wax reduces 284 cps and so beats should increases. It is not 
k  n n
given in the question. This frequency is ruled out. Wax reduced 

48.  (b)  :  When  temperature  increases,  l  increases  292 cps  and  so  beats  should  decrease.  It  is  given  that  the 
Hence  frequency  decreases. 
beats  decrease  to  2  from  4. 

l max  Hence  unknown  fork  has  frequency  292 cps. 
2
49.  (b)  :  = 40 Þ l max  = 80 cm.  52.  (c)  :  In  tube  A, l A  =  2l  AN  AN 
In  tube  B, l B  =  4l
50.  (b)  :  Consider  option  (a) 
v v 
Stationary  wave  :  \ u A  = l A  = 2l 
Y  =  asin(wt  +  kx)  +  asin(wt  –  kx) 
N  l 

when  x  =  0,  Y  is  not  zero.  The  option  is  not  acceptable.  uB  = v = v 
l B  4 l
Consider  option  (b) 

Stationary  wave  :  uA  = 2 .  AN  N
uB 1 
\  l A  = l l B  = l 
2  4 

54  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

CHAPTER  ELECTROSTATICS

11 

1.  Two capacitors  C 1  and C2   are charged to 120 V and 200 V  An insulating solid sphere of radius R has a uniformly positive 
respectively. It is found that by connecting them together the 
charge density r. As a result of this uniform charge distribution 

potential  on each one can  be  made  zero. Then  there is a finite value of electric potential at the centre of the 

(a)  9C 1  =  4C 2  (b)  5C1   =  3C 2  sphere, at the surface of the sphere and also at a point outside 
(c)  3C 1  =  5C2   (d)  3C1   +  5C2   = 0 
(2013)  the  sphere. The  electric potential  at infinity is zero. 

2.  Two charges, each equal to q, are kept at x = – a and x = a  Statement 1 : When a charge q is taken from the centre to the 

on  the  x­axis. A  particle  of  mass  m  and  charge  q0  =  q  is  surface of the sphere, its potential  energy changes by  qr . 
2  3e   0 

placed at the origin. If charge q 0 is given a small displacement  Statement 2 : The electric field at a distance r(r <  R) from 

(y < < a) along the y­axis, the net force acting on the particle  the  centre of the sphere is  rr . 
3e   0 
is  proportional  to 
(a)  Statement  1  is  true,  Statement  2  is  false. 
-  1  1 
(a)  y (b)  y  (c)  –y  (d)  y  (b)  Statement  1  is  false,  Statement  2  is  true. 

(2013)  (c)  Statement  1  is  true,  Statement  2  is  true,  Statement  2 

3.  A charge Q is uniformly  distributed  over  a  long  rod AB  of  is  the  correct  explanation  of  Statement  1. 
length L as shown in the figure. The electric potential at the 
point  O  lying  at  a  distance  L  from  the  end  A  is  (d)  Statement  1 is  true,  Statement 2, is  true; Statement  2 

is  not  the  correct  explanation  of  Statement  1. 

(2012) 

6.  25 
Potential difference 
Q ln 2  Q ln 2  V in volts  20 
(a)  4 p Î0  L (b)  8 p Î0  L
(2013)  15 
3Q    Q  10 
(c)  4 p Î0  L (d)  4p Î0  L ln 2 

4.  A charge Q is  uniformly distributed over the surface of non­  5 
conducting disc of radius R. The  disc rotates  about an  axis 
perpendicular to its plane and passing through its centre with  0  50  100  150  200  250  300 
an angular velocity w. As a result of this rotation a magnetic  Time t in seconds 
field  of induction  B  is obtained  at  the centre  of  the disc. If 
we keep both the amount of charge placed on the disc and its  The  figure  shows  an  experimental  plot  for  discharging  of  a 
angular velocity to be constant and vary the radius of the disc 
then  the  variation  of  the  magnetic  induction  at  the  centre  of  capacitor in an R­C circuit. The time constant t of this circuit 
the  disc will be represented  by the  figure 
lies  between 

(a)  0 and 50 sec  (b)  50 sec and  100  sec 

(c)  100 sec and  150 sec  (d)  150 sec and  200  sec 

(2012) 

(a)  B  (b)  B  7.  In a uniformly charged sphere of total charge Q and  radius 
R, the electric field E is plotted as a function of distance from 
R  R  the  centre. The  graph  which  would  correspond  to  the  above 
will  be 

(c)  B  (d)  B  (2012)  E 

R  R  (a)  E 

5.  This question has Statement 1 and Statement 2. Of the four  (b) 
choices given after the  statements, choose the one that best 
describes  the  two  statements.  R  r  R  r 

Electrostatics  55 

14.  Two points P and Q are maintained at the potentials of 10 V 

E  E  and –4 V respectively. The work done in moving 100 electrons 

(c)  (d)  from P to  Q  is 

(a)  –9.60 ×  10 –17  J  (b)  9.60 ×  10 –17  J 

(c)  –2.24 ×  10 –16  J  (d)  2.24 ×  10 –16  J  (2009) 

R  r  R  r  Q 
p R4 
(2012)  15.  Let  P( r ) = r  be  the  charge  density  distribution  for  a 

8.  Two  identical  charged  spheres  suspended  from  a  common  solid sphere of radius  R and total charge Q. For  a point ‘p’ 
point by two massless strings of length l are initially a distance 
d(d < < l) apart because of their mutual repulsion. The charge  inside the sphere at distance r1  from the centre of the sphere, 
begins to leak from both the spheres at a constant rate. As a  the  magnitude of electric field is 
result the charges approach each other with a velocity v. Then 
as  a function of distance x between  them  (a)  0  (b)  Q  (c)  Qr1 2  (d)  Qr1 2 
(a)  v µ x –1/2  (b)  v µ x– 1  (c)  v µ x 1/2  (d)  v µ x 4 pe 0r12    4 pe 0 R4  3p  e 0 R4 
(2011) 
(2009) 

16.  This question contains Statement­1 and Statement­2. Of the 

four  choices  given  after  the  statements,  choose  the  one  that 

9.  The electrostatic potential inside a charged spherical  ball is  best  describes  the  two  statements. 
given by f = ar 2 + b where r is the distance from the centre; 
a, b are constants. Then the charge density inside  the  ball is  Statement­1: For a charged particle moving from point P to 
(a)  –24pae0 r  (b)  –6ae0  r  (c)  –24pae0   (d)  –6ae0  
(2011)  point  Q, the  net work  done  by an  electrostatic  field  on  the 

particle  is  independent  of  the  path  connecting  point  P  to 

point  Q. 

Statement­2: The net work done by a conservative force on 

10.  Two  identical charged  spheres  are  suspended  by  strings  of  an  object moving along  a  closed loop is zero. 

equal  lengths. The  strings  make an  angle  of  30° with each  (a)  Statement­1 is true, Statement­2 is false 

other. When suspended in a  liquid of density 0.8 g  cm–  3,   the  (b)  Statement­1 is true, Statement­2 is true; Statement­2 is 

angle  remains  the  same.  If  density  of  the  material  of  the  the  correct explanation  of  Statement­1. 

sphere  is 1.6 g  cm– 3,  the  dielectric constant of the  liquid is  (c)  Statement­1 is true, Statement­2 is true; Statement­2 is 

(a)  1  (b)  4  (c)  3  (d)  2  not  the  correct  explanation  of  Statement­1. 

(2010)  (d)  Statement­1 is false, Statement­2 is true.  (2009) 

11.  Let there be a spherically symmetric charge distribution with  17.  A  thin  spherical  shell  of  radius  R  has  charge  Q  spread 
uniformly  over  its  surface. Which  of  the  following  graphs 
( ) charge density varying as 5  r  most  closely  represents  the  electric  field  E(r)  produced  by 
r(r ) = r0  4  -  R upto r = R, and the shell in the range 0 £ r < ¥, where r is the distance from 
the centre  of  the  shell? 
r(r) = 0 for r > R, where r is the distance from the origin. The 

electric field at a distance r (r < R) from the origin is given by 

r0 r  5 - r  4 pr0 r  5 - r 
3e 0  4  R 3e 0  3  R
( ) (a) ( ) (b) E(r )  E(r ) 

r0 r  5 - r  4r  0 r  5  - r 
4e 0  3  R 3e 0  4  R
( ) (c) ( ) (d) (2010)  (a)  (b) 

O  R  r  O  R  r 

12.  A thin semi­circular  ring of  ^j  

radius  r  has  a  positive  E(r )  E(r ) 

charge  q  distributed 

uniformr ly  over  it.  The  net  O  ^i   (c)  (d)  (2008) 
field  E  at  the  centre O  is 
(2010)  O  R  r 
q  j^   q  j^   O  R  r 
2 p2e 0 r 2  4 p2e 0 r 2 
(a)  (b) 

(c)  - q  j^   (d)  - q  j^   18.  A  parallel  plate capacitor  with  air  between  the  plates  has  a 
4 p2e 0 r 2  2 p 2 e 0 r 2 
capacitance of 9 pF. The separation between its plates is d. The 

13.  A  charge  Q  is  placed  at  each  of  the  opposite  corners  of  a  space  between  the  plates  is  now  filled  with  two  dielectrics. 
square. A charge q is placed at each of the other two corners. 
If the  net electrical force on Q  is zero,  then the  Q/q  equals  One of the dielectrics has dielectric constant k1  = 3 and thickness 
d/3  while  the  other  one  has  dielectric  constant  k 2  =  6  and 
-  1  thickness 2d/3. Capacitance of the capacitor is  now 
2
(a)  - 2 2 (b)  –1  (c)  1  (d)  (a)  20.25 pF  (b)  1.8 pF 

(2009)  (c)  45 pF  (d)  40.5 pF.  (2008)

56  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

19.  A  parallel  plate  condenser  with  a  dielectric  of  dielectric  plates  are  separated  by  d  =  0.1  m  and  can  be  treated  as 

constant K between the plates has a capacity C and is charged  infinitely large. An electron is released from rest on the inner 

to a potential  V volt. The  dielectric  slab  is slowly  removed  surface  of  plate  1. What  is  its  speed  when  it  hits  plate  2? 

from between  the  plates  and  then  reinserted.  The  net work  (e = 1.6 × 10 –19  C,  m e  =  9.11 × 10– 31  kg) 

done by the system  in this  process  is  (a)  32 × 10 –19  m/s  (b)  2.65 × 106   m/s 

1  CV 2  (c)  7.02 × 101 2  m/s  (d)  1.87 × 106   m/s.  (2006) 

(a)  zero  (b)  (K  – 1)  26.  A electric dipole is placed at an angle of 30º to a non­uniform 
(c)  CV 2 (K - 1) 
(d)  (K – 1) CV2   (2007)  electric  field. The  dipole  will  experience 
K
(a)  a  torque only 

20.  The  potential  at  a  point  x  (measured  in  hm)  due  to  some  (b)  a  translational force  only in the direction  of  the  field 

charges situated on the x­axis is given  by  (c)  a  translational  force  only  in  a  direction  normal  to  the 
V(x) = 20/(x2   –  4) volt 
direction  of  the  field 

The electric field E at  x =  4 mm is  given  by  (d)  a torque as well as a translational force.  (2006) 

(a)  (10/9) volt/mm and  in the  +ve x  direction  27.  A fully charged capacitor has a capacitance C. It is discharged 
through a small coil of resistance wire embedded in a thermally 
(b)  (5/3) volt/mm and  in the  –ve x  direction  insulated block of specific heat capacity s and mass m. If the 
temperature  of  the  block  is  raised  by DT,  the  potential 
(c)  (5/3) volt/mm and  in the  +ve x  direction  difference  V across  the  capacitance  is 

(d)  (10/9) volt/mm in the  –ve x direction  (2007) 

21.  Charges  are  placed  orn   the  vertices  of  a  q  q  msDT    2msD T 
square as shown. Let  E be the electric field  A  B  (a)  C (b)  C

and  V  the  potential  at  the  centre.  If  the 

charges on A and B are interchanged with  D  C  2mCDT    mCDT    (2005) 
thoser o  n  D and C respectively,  then  – q  – q  (c)  s (d)  s
(a)  E changes, V remains unchanged 
(2007)  28.  A parallel plate capacitor is made by stacking n equally spaced 

(b)  E  remr ains unchanged, V changes  plates  connected  alternatively.  If  the  capacitance  between 
(c)  bro th E  and V change 
(d)  E and V remain unchanged  any two adjacent plates is C then the resultant capacitance is 

(a)  C  (b)  nC 

22.  A  battery  is used  to  charge  a  parallel  plate  capacitor  till the  (c)  (n – 1)C  (d)  (n + 1)C  (2005) 

potential  difference  between  the  plates  becomes  equal  to the  29.  Two thin wire rings each having a radius R are placed at a 
distance d apart with their axes coinciding. The  charges  on 
electromotive force of the battery. The ratio of the energy stored  the two rings are +Q and –Q. The potential difference between 
the  centers  of  the  two  rings  is 
in the capacitor and the  work done  by the battery will be 

(a)  1/2  (b)  1  (c)  2  (d)  1/4 

(2007)  Q  é 1 1  ù

23.  An  electric  charge  10 –3 mC  is  placed  at  the  origin  (a)  zero  (b)  ê- ú
4p  e0  êë R  R2 + d 2  ûú 

(0, 0) of X – Y co­ordinate system. Two points  A and B are  QR  Q  é 1 - 1  ù
(c)  4p  e 0 d 2  ê ú
( ) situated  at 2, 2  and  (2,0)  respectively.  The  potential  (d)  2p  e0  êë R 
R2 + d 2  úû 
difference between  the points  A and B will  be 

(a)  4.5 volt  (b)  9  volt  (c)  zero  (d)  2  volt  (2005) 

(2007)  30.  Two point charges +8q and –2q are located at x = 0 and x = L 

24.  Two spherical conductors A and B of radii 1 mm and 2 mm  respectively. The location of a  point  on the x  axis  at which 

are separated by a distance of 5 cm and are uniformly charged.  the net electric field due to these two point charges is zero is 

If  the  spheres  are  connected  by  a  conducting  wire  then  in  (a)  8L  (b)  4L  (c)  2L  (d)  L/4 

equilibrium condition, the ratio of the magnitude of the electric  (2005) 

fields at the surface  of spheres A and B is  31.  A  charged  ball  B  hangs  from  a  silk  + 
thread S, which makes an angle q with  + 
(a)  1 : 4  (b)  4 : 1  (c)  1 : 2  (d)  2 : 1.
a  large charged  conducting  sheet  P,  as  + 
(2006)  P + 
shown in the figure. The surface charge 
25.  Two  insulating  plates  are  Y  density s of the sheet is proportional to  +  q S 
both  uniformaly  charged  in  (a)  sinq  + 
such a way that the potential  0.1 m  (b)  tanq  + 
difference  between  them  is  1  2  + 
V 2  – V 1  = 20 V. (i.e. plate 2 
is at a higher potential). The  X  (c)  cosq  + 
(d)  cotq  B

(2005) 

Electrostatics  57 

32.  Four charges equal to –Q are placed at the four corners of a  2Q    (b)  2Q - 2 q 
square  and  a  charge  q  is  at  its  centre.  If  the  system  is  in  (a)  4 pe0   R 4pe0R 4p  e 0 R
equilibrium the  value of q is 

(a)  - Q4 (1 + 2 2)  (b)  Q4 (1+ 2 2)  (c)  2Q  R + q  (d)  (q4 p+eQ 0  ) R2 .  (2003) 
4pe0 4 pe 0 R

(c)  - Q2 (1 + 2 2)  (d)  Q2 (1+ 2 2) .  (2004)  38.  A sheet of aluminium foil of negligible thickness is introduced 

between  the  plates  of  a  capacitor.  The  capacitance  of  the 

33.  A charged particle q is shot towards another charged particle  capacitor 

Q  which  is  fixed,  with  a  speed  v.  It  approaches  Q  upto  a  (a)  decreases  (b)  remains unchanged 

closest distance r and  then returns.  If q were   given  a  speed  (c)  becomes  infinite  (d)  increases.  (2003) 

2v,  the  closest  distances  of  approach  would  be  39.  If the electric flux entering and leaving an enclosed  surface 

(a)  r  (b)  2r  (c)  r/2  (d)  r/4.  (2004)  respectively is f 1 and f2 ,  the electric charge inside the surface 

will  be 

34.  Two  spherical  conductors  B  and  C  having  equal  radii  and  (a)  (f2   – f 1)  e0   (b)  (f1   + f2 )  /e0   (2003) 
carrying equal charges in them repel each other with a force  (c)  (f 2  – f1 )  /e 0  (d)  (f1   + f 2)  e 0 . 
F  when  kept  apart  at  some  distance.  A  third  spherical 
conductor  having same  radius  as   that of  B  but  uncharged  is  40.  Capacitance (in F) of a spherical conductor with radius 1 m is 
brought  in  contact  with  B,  then  brought  in  contact  with  C 
and  finally  removed  away  from  both.  The  new  force  of  (a)  1.1 × 10– 10  (b)  10– 6 
repulsion  between  B  and  C  is 
(a)  F/4  (b)  3F/4  (c)  F/8  (d)  3F/8.  (2004)  (c)  9 ×  10 –9  (d)  10– 3.   (2002) 

41.  If a  charge q is  placed at the centre  of the line  joining  two 

equal charges  Q  such  that  the  system is  in  equilibrium  then 

the  value of q  is 

35.  Three  charges  –q1 ,   +q2   and  –q3   are  placed  as  shown  in  the  (a)  Q/2  (b)  –Q/2  (c)  Q/4  (d)  –Q/4. 
figure. The  x ­component of the force on –q1   is proportional to 
(2002) 

(a)  q2    - aq32    cos q –q3 y 42.  If there are n capacitors in parallel connected to V volt source, 
b2 then the energy stored  is equal to 

(b)  q2    + aq3 2  sin q  a q  (a)  CV  (b)  1 nCV 2  (c)  CV 2  (d)  21 n  CV 2 . 
b2 2  (2002) 
b

(c)  q2    + aq3 2  cos q  –q1 +q2 x 43.  A charged particle q is placed  E F
b2
at  the  centre  O  of  cube  of D q
C G
(d)  q2    - aq32    sin q  (2003)  length  L  (ABCDEFGH).  O B L
b2
Another  same  charge  q  is  q (2002) 
placed at  a distance L from  H

36.  The work done in placing a charge of 8 × 10– 18  coulomb on  O.  Then  the  electric  flux  A

a  condenser of capacity  100  micro­farad  is  through  ABCD  is 

(a)  16 × 10 –32  joule  (b)  3.1 ×  10– 26  joule  (a)  q/4pe 0 L  (b)  zero 
(c)  q/2pe 0L    (d)  q/3pe 0 L. 
(c)  4 ×  10 –10  joule  (d)  32 ×  10– 32  joule.  (2003) 

37.  A thin spherical conducting shell of radius R has a charge q.  44.  On moving a charge of 20 coulomb by 2 cm, 2 J of work is 
Another  charge  Q  is  placed  at  the  centre  of  the  shell. The 
electrostatic potential at a point P at a distance R/2 from the  done, then  the  potential difference between the  points  is 
centre  of the shell  is 
(a)  0.1 V  (b)  8 V  (c)  2 V  (d)  0.5 V. 

(2002) 

Answer  Key 

1.  (c)  2.  (b)  3.  (a)  4.  (d)  5.  (b)  6.  (c) 
7.  (b)  8.  (a)  9.  (d)  10.  (d)  11.  (c)  12.  (d) 
13.  (a)  14.  (d)  15.  (c)  16.  (c)  17.  (b)  18.  (d) 
19.  (a)  20.  (a)  21.  (a)  22.  (a)  23.  (c)  24.  (d) 
25.  (b)  26.  (d)  27.  (b)  28.  (c)  29.  (d)  30.  (c) 
31.  (b)  32.  (b)  33.  (d)  34.  (d)  35.  (b)  36.  (d) 
37.  (c)  38.  (b)  39.  (a)  40.  (a)  41.  (d)  42.  (b) 
43.  (*)  44.  (a)

58  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

1.  (c) : For  potential  to  be  made  zero,  after  connection  Potential at  O  due  to the  rod is 

120C1   = 200C 2  V = ò dV 2 L  1  Q  dx 
6C 1  = 10C 2  4 p Î0   Lx
3C 1  = 5C 2  =ò
2.  (b): The  situation is  as shown  in  the figure. 


= 1  QL [ln x ] L2  L  = Q ln 2 
4p Î0 4p  Î0   L

4.  (d): Consider a elementary ring of 

radius  r  and  thicknes s  dr  of a  disc  as 

shown  in  figure.  O  r  dr 

( ) When a particle of mass m and charge q0  =  q  placed is at  Charge  on the  ring, 

dq = Q ( 2prdr ) = 2RQ  2r   dr 
the  origin is given a small  displacement  along the  y­axis,  p R 2
then the  situation is shown  in the  figure. 
Current due  to  rotation of charge  on  ring is 

I  = dqw = Qrwdr 
2p  p R2 

Magnetic field at the  centre  due  to the  ring element 

dB = m0I = m0Qrwdr = m0Q  wdr 
2 r  2pR 2r 2 p R2 

Magnetic field at  the  centre  due  to  the  whole  disc 

B = ò dB = m 0Qw R  m 0QwR = m 0 Qw 
2pR2 2 p R 2  2p  R 
ò dr =



By  symmetry, the  components of  forces  on  the  particle  of  Since,  Q and w are  constants 

charge q0  due to charges at A and B along x­axis will cancel  \ B µ  1 
each other where along  y­axis  will add  up. R

\  The  net  force acting  on  the  particle  is Hence variation of B with R should be a rectangular hyperbola 

(Fnet  = 2F cos q = 2 4p 1Π 0  qq0   y  as  represented  in  option  (d). 
( y2 + a2 ) 
) 2  5.  (b): Potential at  the  centre  of the  sphere, 

y 2 + a 2  VC  = R 2r 
2 e 0 
( ) = q  q 
2  2  y èæQ q0   = q  (Given) øö Potential at  the  surface  of the  sphere, 
4p Î0  ( y2 + a2 )  2 
( y2 + a 2 )2  1  R 2 r
3  e 0 
1  q2 y  VS  =
4p  Î0  + a2 ) 3/2 
= (y2 When a charge q is taken from the centre to the surface, the 

As  y  <  <  a  change  in potential energy is 

\ Fn et  = 1  q 2 y  or  F net µ  y  DU = (VC - VS ) q = æ R2r - 1 R2rö q = 1  R2 rq 
4p  Î0   a3  çè 2e0 3 e0 ÷ø 6  e 0 

Statement  1  is  false. 

3.  (a) :  Statement  2  is  true. 

Consider a small element of length dx at a distance x from O.  6.  (c) : During discharging of a capacitor 
Charge  on the  element,  dQ = QL dx  V  =  V0  e –t/t 
Potential at  O  due  to  the  element  is 
where t  is the time  constant of  RC  circuit. 

At  t  = t, 

V = V0   = 0.37 V0  
e

From the  graph,  t  = 0,  V 0  = 25 V

\  V = 0.37 × 25 V = 9.25 V 

1 dQ 1  Q  This voltage occurs at time lies between 100 sec and  500 
4p Î0 x 4 p Î0   Lx
dV = = dx  sec. Hence, time constant t of this circuit lies between 100 

sec  and  150  sec.

Electrostatics  59 

7.  (b): For  uniformly  charged  sphere  10.  (d) : 

E = 1  Qr  (For r < R )  E 
4 pe 0  R3 
q 30° 

E = 1  Q  (For r = R )  q  T  T 
4 pe 0  R 2  F+ + F 
R  r 

E = 1  Q  (For r > R )  mg  mg 
4 pe 0  r 2 

The variation of E with distance r from the centre is as shown  Initially, the  forces acting on each ball are 
adjacent  figure. 
(i) Tension  T 

8.  (a) : Figure shows equilibrium positions of the two sphere.  (ii) Weight  mg 

O  (iii)  Electrostatic  force  of  repulsion  F 

For  its  equilibrium  along  vertical, 

l  q q l  Tcosq =  mg  ...(i) 

Tcosq  T  and  along  horizontal, 
q
T  Tsinq  =  F  ...(ii) 

F  A  Tsinq Dividing equation (ii) by (i), we  get 

C  F  tan q =  F ...(iii) 
x  d  mg  mg

mg  2 When the balls are suspended in a liquid of density s and 

\  T cosq =  mg  dielectric  constant  K,  the  electrostatic  force  will  become 

q 2  (1/K) times,  i.e. F¢  = (F/K) while  weight 
d 2 
and  T sin q = F  = 1  mg¢ =  mg  – Upthrust 
4 pe 0 
=  mg  –  Vsg  [As Upthrust =  Vsg] 
q 2 
\ tan q = 1  d 2 mg mg¢ = mg ëéê1 - s ù éëêAs V  =  m ù
4p  e 0  r úû  r úû 

When charge begins to leak from both the spheres at a constant 

rate,  then  For  equilibrium  of  balls, 

tan q = 1  q 2  tan q¢ = mFg¢¢  = F  / r)]  ...(iv) 
4p  e0  x2 mg Kmg[1 - (s

x 1q   2  ( ) Q  = x  According to given problem, q¢  = q 
2l = 4p  e0 x2 mg tan q 2l   From equations (iv) and (iii), we  get

x  q 2  1 
or  2l   µ  x2  ( ) K =
s
or  q2  µ x 3 Þ  q µ  x3  /2  1 - r 

dq  µ 23  x1 / 2  dx  r 1.6 
dt dt - s) (1.6 - 0.8) 
K = (r = = 2 

( ) or  Q  dq
v µ x-1/ 2  dt = constant  11.  (c) : Consider a thin spherical shell of radius x and thickness 
dx  as shown in the  figure. 
9.  (d) : f  =  ar 2  +  b 

Electric  field,  E = -d f = - 2 ar  ...(i)  dx 
dr (Using (i))  x 
O  Gaussian surface 
According to Gauss’s  theorem,  R  r 
rr
Ñò E × dS = qi nside 
e0 

or - 2ar 4 pr2  = qi nside  Volume  of the  shell,  dV  =  4px2  dx 
e 0  Let us draw a Gaussian surface of radius r(r < R) as shown 
in  the  figure  above. 
q inside  = –  8e 0a  pr 3  Total charge  enclosed inside  the  Gaussian surface  is

Charge density inside the  ball is 

rinside  = qi nside 
34  p r3 
( ) r r  45   - x  4 px 2 dx 
-8e  0 apr 3  R
\ rinside  = 43  p r 3  Qin = ò rdV = ò r0 

0 0 

( ) r  x 3 
R
= 4p  r0  ò


rinside = -6ae 0  54  x2  - dx 

60  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

= 4p  r0  é 5  x 3  - x 4  ùr  = 4p  r0  é 5  r 3  - r 4  ù 14.  (d) : +10 V • ............................... • – 4 V 
êë 12 4 R úû 0  êë12 4 R úû  P  Q 

= 4 pr0  é 5 r 3 - r4 ù = pr0  é 53  r 3  - r 4  ù Work  done  in  moving  100e –  from  P  to  Q, 
4 ëê 3 R úû êë R úû 
(Work done in moving 100 negative charges from the positive 
According  to  Gauss’s  law  to  the negative  potential). 
W =  (100e–  )(V Q  –  V P)   
E4 pr 2  = Qi n 
e 0  = (–100 × 1.6  × 10 –19 )(–14 V)  = 2.24  × 10 –16  J. 

E4 pr 2 pr0 é 35  r 3  r 4  ù 15.  (c)  : If the  charge  density, r = Q  r , 
e0  êë R ûú p R4 
= -
The electric  field at the  point  p  distant  r 1  from the  centre, 

pr0 r 3  é 35  - r ù according  to  Gauss’s  theorem  is 
4 pr 2 e 0  ë R û
E = E∙4pr 12    =  charge enclosed/e 0  Q 

E = r0 r  é 35  - r ù E × 4p  r12  = 1  ò rdV
4e 0  ë Rû e 0 

q  Þ E × 4pr12  = 1  r1   Qr  × 4p  r 2 dr  r1   
p r e0 p R4  R 
12.  (d) :  Linear charge  density,  l = ò



Consider a small element AB  ^j   Þ E = Qr1 2  4  . 
of length  dl  subtending  an  4 pe 0 R

angle dq at the centre O  as  A dl  16.  (c) : Work done  = potential  difference  ×  charge 
dqr  B 
shown in  the  figure. dEcosq  q  = (VB  –  VA) ×  q, 
q O 
\  Charge on the element,  VA  and VB only depend on the initial and final positions and 
dE  dEsinq 
dq  = ldl ^i  

( ) = Q  d q dl  not  on  the  path.  Electrostatic  force  is  a  conservative  force. 
lrdq = r
If the loop is completed, VA  – VA  = 0. 

The electric field at the centre O due to the charge element is  No net work is done as the initial and 

1  dq  lrd q final  potentials are the  same. 
4p  e0  r2 4p  e 0 r 2 
dE = = Both  the  statements  are  true  but  A  B

statement­2  is  not  the  reason  for 

Resolve dE  into two  rectangular  components  statement­1. 

By  symmetry,  ò dE cosq = 0  17.  (b)  :  The  electric  field  for  a  E 
uniformly  charged  spherical 
The  net  electric  field  at  O  is 
r  shell  is  given  in  the  figure. 
E= p j^ )  p lrd q j^  ) 
= 4p  e 0 r 2  sin q(- Inside the shell, the field is zero 
ò dE sin q(- ò
and it is maximum at the surface 
0  0 

=- p qr sin qd q ^  ( ) Q  q  and  then  decreases O 
ò l = pr µ 1/r 2 .  A  B 
4p  2e0 r3  j  R  C 
0  r 

= - p q sin qd q j^   = - q  [- cos q]0p   j^  
ò 4 p2e 0 r 2  Q 
4 p2e 0 r 2  E = 4p  e0 × r outside  shell  and  zero  inside. 



=- 2 p 2 e 0 r 2  j^   18.  (d) :  C = e0d A = 9 ´ 10-12 F 

k 1 = 3  k 2 = 6 

13.  (a) : The force of repulsion  by Q is  q –  Q +  With dielectric, C =  e0 kA 
cancelled  by  the  resultant  attracting  A  d

force due  to q–   and q–   at  A and B.  C1 = ed0 A/ 3× 3   = 9C   ; 
C2  = e20d A/ ×36  = 9C   
Force  of  repulsion, 

F  = 1 Q2 = 1  × Q 2  Q+   B  q –  d/3  2d /3 
4pe0 (a2 + a2) 4p  e 2a  2 


Total  force  of  attraction  along  the  diagonal 

(taking cosq  components) \ C total  = C1C2    as they are  in series. 
C1 + C2 
{ } = 1 ì 2 üý
4 pe 0  í þ 
Qq × 1  + Qq  = 1  î Qq 
a 2  2 a2  2  4 pe a2 
0  9C18´C9C  = 9 92  ´ 9 ´10-12  F 
2
Q2  Q 2  = ´ C  or
2a  2 Qq-
Þ =  Qq  2  Þ = - 2 2 (a ). 
a2 
Þ  C total  = 40.5 pF. 

Electrostatics  61 

19.  (a) : The potential energy of a charged  capacitor  24.  (d)  :  When  the  spherical  conductors  are  connected  by  a 
conducting  wire,  charge  is  redistributed  and  the  spheres 
U i  q2    attain  a common  potential  V.

2C 

where U i  is the initial potential energy.  \  Intensity  E A  = 1  Q A 
4 pe 0  RA2  
If a dielectric  slab is  slowly introduced,  the energy 

q2    or  E A  = 1 ´ CAV    = (4pe0 RA )V    = V 
=  4pe0 RA2 4 pe 0 RA2   R A 

2K  C
Once is taken out, again the energy increases to the old value. 

Therefore after it is taken out, the potential energy come back  Similarly  E B  = V 
RB 
to the  old value. Total work  done =  zero. 

20.  (a) : Given : Potential  V ( x ) = 20  \  EA = R B  =  2 . 
x2  - 4  EB RA  1 

Electric  field  E  =  -dV  = -d æ 20 ÷øö = 40 x  25.  (b) : An electron on plate 1 has electrostatic potential energy. 
dx dx  çè x2 - ( x2 - 4) 2 
4 When  it  moves, potential  energy  is  converted  into  kinetic 

At x = 4 mm energy.

40 ´ 4 160 10  \ Kinetic  energy  =  Electrostatic  potential  energy 
[16 - 4]2    144 9 
\  E = = = V/m m.  or  1 mv2  = e DV 


Positive  sign  indicate  E  is  +ve  x  direction.  q  or  v = 2e ´ DV  = 2 ´1.6 ´10-19 ´ 20 
21.  (a) : “Unit positive charge” will be repelled  q  B  m 9.11´ 10-  31 

by  A  and  B  and  attracted  by  – q  and  – q  A  C  or  v  =  2.65  ×  10 6  m/s. 
downwards  in  the  same  direction.  If  they  – q 
are exchanged, the direction of the field will  26.  (d) : In a non­uniform electric field, the dipole will experience 
be opposite. In the case of potential, as it is  D a  torque  as  well  as  a  translational  force. 
a  scalar,  they  cancel  each  other  whatever  – q 
may be  their position. 27.  (b)  :  Energy  of  capacitor  =  Heat  energy  of  block
\  Field  is affected  but not the  potential. 
\  1 CV 2  = ms D T


22.  (a) : Let E be  emf of  the  battery  or  V  =  2 ms D T . 
Work done by the battery W =  CE 2  C

Energy  stored in  the capacitor  U = 21  CE2  28.  (c)  :  n  plates  connected  alternately  give  rise  to 
(n  –  1)  capacitors  connected  in  parallel
12  CE 2
CE 2  \  Resultant  capacitance  =  (n  –  1)C. 

\  U  = =  12  .  29.  (d)  :  V A  = 1 Q- 1  Q 
W  4pe0 R  4 pe0  R2 + d 2 

23.  (c) :  r = 2iˆ + 2 ˆj  V B  = 1 (-RQ  ) + 1  Q 
r1  4pe0 4 pe0  R2 + d 2 

( ) ( ) | rr1 |= r1 =
2 2  A  B 

2 + 2 = 2  R 2 + d 2 

rr2   = 2iˆ + 0 ˆj  Y R 
or  | r  A 
r2 | = r2  = 2  d 
r 1  ( 2 ,  2 ) 

Potential  at  point  A  is  B  X  + Q  – Q 

1q    (0, 0)  (2, 0)  1 ´ Q  é 2  ù
4 pe 0r1  r 2  4 pe0  ê
V A  = \  VA - V B  = êë 2 - ú
R  ûú 
R2 + d 2 

1 10-3 ´ 10 -6  Q  é R1  - 1  ù
=  4pe 0 
2 = 2 pe0  ê R2 2  ú . 
ëê ûú 
Potential  at  point  B  is  + d

VB    = 1  q  = 1 10–3 ´10- 6  30.  (c)  :  Resultant  intensity  =  0  B 
4 pe 0 r2  4pe0  2
O  A 
\  VA    – VB    = 0.  + 8q  – 2q 

L  d 

62  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

1 8q - 1  2 q  = 0  Finally,  1  m (2v ) 2  =  kqQ  ............(ii)
4pe0 (L + d ) 2 4 pe0  d 2  2  r1 

\  From  (i)  and  (ii) 

or  (L  +  d) 2  =  4d 2  1  = r1   Þ r1   = r . 
or  d  =  L 4 r 4 
\  Distance  from  origin  =  2L. 
q 2 
31.  (b)  :  Tsinq  = sq/e 0  34.  (d)  :  Initially,  F  = 1  d 2  ...........(i) 
4 pe 0 
T  T cosq
when  the  third  equal  conductor  touches  B,  the  charge  of  B 

q  is  shared  equally  between  them
T sinq 
qs \  Charge  on  B = 2q  = charge  on  third  conductor. 
e 0 
æ 2q ÷øö touches 
Now  this  third  conductor  with  charge  çè C,  their 

total  charge  æ q + 2q  ÷öø is  equally  shared  between  them.
çè
mg  \  Charge  on 

T  cosq =  mg

\  tan q = sq  C = 3q    = Charge of third conductor 
e0 mg 4 
\  New  force  between  B  and  C 
\ s  is  proportional  to  tanq. 

32.  (b)  :  Consider  the  four  forces  F1  ,  F2  ,  F 3  and  F4   acting  on  = 1 æ q ´ 34q   ÷öø = 38  F . 
charge  (–Q)  placed  at  A.  4 pe0 d 2  èç 2

F 3  F 2  35.  (b)  :  Force  on  (–q 1)    due  to  q2   = - q1q2   
45°  q q  4 pe0 b2 

F 1  A  –Q  a  –Q 

B  \  F1   =  1 2  along  (q 1 q2  ) 

F 4q    4 pe  b2 
E  0 

a  a  Force  on  (–q1  )  due  to  ( - q3   ) = (-q1 )(-q3  ) 
q q  4 pe 0 a 2 

1 3 
F2   =  4 pe  a2  as  shown 
D  C  0 
–Q  a  –Q  F2   makes  an  angle  of  (90°  – q)  with  (q 1q  2  ) 

Distance  CA =  2  a y

Distance  EA = 2 a  =  a  –q 3 
2  2  q 

For equilibrium, consider  forces along DA  and  equate  the  F1   x 

resultant  to  zero –q 1  (90° – q ) q2  

Q´Q (QC´AQ) 2   cos q  F 2
( DA)2
\  1 + 1  45° 
4pe0 4 pe 0 
Resolved  part  of  F2   along  q 1 q 2 
- 1  Q ´ q  cos 45° = 0  =  F2   cos  (90°  –q) 
4 pe 0  ( EA) 2 
= q1q3  sin q
Q Q 1 - a2q / 2 ´ 1  = 0  4 pe 0 a 2  along  (q1  q2  )
a2 2a2 2 2 
or  + ´

\  Total  force  on  (–q 1 ) 

or  Q éëê1 + 212   ûùú = q 2  = é q1q2    + q1q3   sin q ù along x ­ axis 
ê 4pe0b2 4 pe0 a 2  ú
ëê úû

or  q = Q é 2 2 2+ 1 ûùú = Q4  (1 + 2 2 ).  \  x­component  of  force  µ é q2    + q3    sin q ù . 
2 êë 2 ëê b2 a2  ûú 

33.  (d)  :  Energy  is  conserved  in  the  phenomenon  36.  (d)  :  Energy  of  condenser 
= 1 Q 2 = 1 ´ (8 ´10-18 ) 2  = 32 ´10-32  J 
Initially,  1 mv 2  =  kqQ  ..........(i)  2 C 2  (100 ´10-6 ) 
2  r

Electrostatics  63 

37.  (c) : Potential at any internal point of charged shell  = q  41.  (d) : When  the  system  of three  charges  is  in  equilibrium, 
4 pe 0 R
Q ´ q + Q ´ Q  = 0 
Potential  at  P  due  to  Q  at  centre  = 1  2Q    4pe0 d 2 4pe 0 (2d ) 2 
4 pe0  R
d  d 
\  Total  potential  point 

= q + 2 Q  = 1  (q + 2Q ).  Q  q  Q 
4pe0 R 4pe0 R 4pe 0 R 

38.  (b) : Aluminium is  a good  conductor.  Its sheet introduced  or  q = - Q4  .
between the plates of a capacitor is of negligible thickness. 
The  capacity  remains  unchanged. 

C =  e0 A  42.  (b)  :  Total  capacity  =  nC
d
With  air  as  dielectric,  \  Energy  = 1 nCV 2 

e0 A e0 A 
With  space  partially  filled,  C¢ = ( d - t )  = d = C .  43.  ( * )  :  Electric  flux  through  ABCD  =  zero  for  the  charge 
placed outside the box as the charged enclosed is zero. But 
39.  (a)  :  According  to  Gauss  theorem, 
q
(f2 - f1 ) = Q  Þ Q = ( f2 - f1) e0  .  for  the  charge  inside  the  cube,  it  is  e  through  all  the 
e0 

The  flux enters the  enclosure if one  has a  negative  charge 
q
(–q 2)    and  flux  goes  out if  one has  a  +ve  charge  (+q 1 ). As  surfaces.  For  one  surface,  it  is  6 e  .  (Option  not  given). 
one  does not  know  whether f 1  > f2  , f 2  > f 1,   Q  =  q1   ~  q 2 


44.  (a)  :  W  =  QV

40.  (a)  :  C = 4pe0 R = 1  = 1.1 ´ 10-10 F .  \  V  = W  = 220  = 0.1 volt . 
´ 109    Q
9

64  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

CHAPTER  CURRENT ELECTRICITY

12 

1.  The supply voltage to a room is 120 V. The resistance of the  55 W  R 

lead wires is 6 W. A 60 W bulb is already switched on. What 

is  the  decrease  of  voltage  across  the  bulb,  when  a  240 W 

heater is switched  on in parallel to  the bulb?  G 

(a)  10.04 Volt  (b)  zero  Volt  20 cm 

(c)  2.9 Volt  (d)  13.3 Volt  (2013) 

2.  Two electric bulbs marked 25 W­220 V and 100 W­220 V are  (a)  55 W  (b)  13.75 W 

connected in  series  to  a  440  V  supply. Which  of  the bulbs  (c)  220 W  (d)  110 W.  (2008) 

will  fuse?  7.  A  5  V  battery  with  internal  resistance  2 W  and 

(a)  100 W  (b)  25 W  2 V battery with internal resistance 1 W are connected to a 

(c)  neither  (d)  both  (2012)  10 W resistor as shown in the figure. The current in the 10

3.  If a  wire is stretched to  make it  0.1% longer,  its resistance  W resistor is 

will  P2 

(a)  increase by 0.05%  (b)  increase by 0.2% 

(c)  decrease by 0.2%  (d)  decrease by  0.05% (2011)  5 V  10 W  2 V 

2 W  1 W 

4.  Two  conductors  have  the  same  resistance  at  0°C  but  their 

temperature  coefficients  of  resistance  are a 1  and a2 .   The  (a)  0.27 A P1   to  P2   P1   
respective temperature coefficients of their series and parallel  (c)  0.03 A P1   to  P2  
(b)  0.27 A P2   to  P1  
combinations are  nearly  (d)  0.03 A P 2  to  P1  .  (2008) 

(a)  a1 + a2 ,  a1 + a 2  (b)  a1 + a 2  , a1 + a 2  Directions : Questions 8 and 9 are based on the following paragraph. 
2 2 2 Consider a block of conducting material of resistivity r shown in 
a1a 2  the  figure. Current  I  enters  at  A and  leaves  from  D.  We  apply 
(c)  a1 + a 2 ,  a1 + a2  (d)  a1 + a 2 , a1 + a 2  (2010)  superposition principle to find voltage DV developed between B 
2 and  C. The  calculation is done  in the following steps: 
(i)  Take current I entering from A and assume it to spread over 
5.  This question contains Statement­1 and Statement­2. Of the 
a  hemispherical  surface  in  the  block. 
four choices given after the statements,  choose the one that  (ii)  Calculate field  E(r)  at distance  r  from  A by using  Ohm’s 

best describes the two  statements.  law E = rj, where j  is the current per unit area  at  r. 
(iii)  From the r dependence of E(r), obtain the  potential V(r) at r. 
Statement­1: The  temperature  dependence  of  resistance  is  (iv)  Repeat (i), (ii) and (iii) for current I leaving D and superpose 

usually  given  as  R  =  R0  (1  + aDt).  The  resistance  of  a  wire  results for  A and  D. 
changes from 100 W to 150 W when its temperature is increased 

from 27°C to 227°C. This implies that a = 2.5 × 10– 3/  °C 

Statement­2: R = R0  (1 + aDt) is valid only when the change  DV 
in the temperature DT is small and DR =  (R –  R 0)   << R 0 . 
(a)  Statement­1 is  true, Statement­2 is false 

(b)  Statement­1 is true, Statement­2 is  true; Statement­2 is  I  I 

the  correct explanation  of  Statement­1. 

(c)  Statement­1 is true, Statement­2 is  true; Statement­2 is  a  b  a 
A  B  C  D
not  the  correct  explanation  of  Statement­1. 

(d)  Statement­1 is  false,  Statement­2 is true.  (2009) 

6.  Shown  in  the  figure  below  is  a  meter­bridge  set  up  with  8. DV  measured between B and C  is 
null deflection in the galvanometer. The value of the unknown 
resistance  R  is 

Current Electricity  65 

rI  (b)  rI - rI  (b)  conservation  of  charge,  conservation  of  momentum 
(a)  2p(a - b)  pa p(a + b)  (c)  conservation  of  energy,  conservation  of  charge 
(d)  conservation  of  momentum,  conservation  of  charge. 
(c)  rI - rI  (d)  rI - rI  (2008) 
a (a + b)  2pa 2p(a + b)  (2006) 

9.  For current entering at  A,  the electric  field  at  a distance r  16.  An  electric  bulb  is  rated  220  volt  ­  100  watt.  The  power 

from  A is  consumed  by  it  when  operated  on  110  volt  will  be 

rI  rI  (a)  50 watt  (b)  75 watt 
(a)  4p   r 2  (b)  8 p r 2 
(c)  40 watt  (d)  25 watt.  (2006) 
r I  rI 
(c)  r 2  (d)  2p   r 2  (2008)  17.  A  thermocouple  is  made  from  two  metals,  antimony  and 

bismuth.  If  one  junction  of  the  couple  is  kept  hot  and  the 

10.  The resistance of a wire is 5 ohm at 50°C and 6 ohm at 100°C.  other  is  kept  cold  then,  an  electric  current  will 

The resistance of the wire  at 0°C will  be  (a)  flow  from  antimony  to  bismuth  at  the  cold  junction 

(a)  3 ohm  (b)  2 ohm  (b)  flow  from  antimony  to  bismuth  at  the  hot  junction 

(c)  1 ohm  (d)  4 ohm  (2007)  (c)  flow  from  bismuth  to  antimony  at  the  cold  junction 

11.  A material B has twice the specific resistance of A. A circular  (d)  not  flow  through  the  thermocouple.  (2006) 

wire made of B has twice the diameter of a wire made of A.  18.  In  a  potentiometer  experiment  the balancing  with  a  cell  is 

Then for the two wires to have the same resistance, the ratio  at  length 240 cm. On shunting the cell with a resistance of 

lB   /l A  of their  respective  lengths must be  2 W,  the  balancing  length  becomes  120  cm.  The  internal 

(a)  2  (b)  1  resistance  of  the  cell  is 

(c)  1/2  (d)  1/4.  (2006)  (a)  4 W  (b)  2 W 

12.  The resistance of a bulb filament is 100 W at a temperature  (c)  1 W  (d)  0.5 W  (2005) 

of 100ºC. If its temperature coefficient of resistance be 0.005  19.  Two  sources  of  equal  emf  are  connected  to  an  external 

per ºC, its resistance will become 200 W at a temperature of  resistance R. The  internal  resistances  of  the  two  sources  are 

(a)  200ºC  (b)  300ºC  R 1  and  R 2  (R 2  >  R1 )  .  If  the  potential  difference  across  the 
source  having  internal  resistance  R2   is  zero,  then 
(c)  400ºC  (d)  500ºC.  (2006) 

13.  The  current  I  drawn  from  the  5  volt  source  will  be  (a)  R = R1R2   (b)  R = R1R2   
R1 + R2  R2 - R1 
10 W 

(c)  R = R2    ( R1 + R2  )  (d)  R  =  R2   –  R 1  (2005) 
( R2 - R1 ) 
5 W  10 W  20 W 

20.  In the circuit, the galvanometer G shows zero  deflection.  If 

I  10 W  the batteries A and B have negligible internal resistance, the 

value  of  the  resistor  R  will  be 

5 V  500 W 



(a)  0.17 A  (b)  0.33 A  (2006)  12 V  B  2 V 
(c)  0.5 A  (d)  0.67 A.  R  A 

14.  In a Wheatstone’s bridge, three resistance P, Q and R connected  (a)  500 W  (b)  1000 W 
(c)  200 W  (d)  100 W 
in the three arms and the fourth arm is formed by two resistance  (2005) 

S 1  and S2   connected  in parallel. The  condition for bridge to  21.  An energy source will supply a constant current into the load 
be  balanced  will  be  if  its  internal  resistance  is 
(a)  zero 
(a)  P = R  (b)  P = 2 R  (b)  non­zero  but  less  than  the  resistance  of  the  load 
Q S1 + S2  Q S1 + S2  (c)  equal  to  the  resistance  of  the  load 
(d)  very  large  as  compared  to  the  load  resistance 
(c)  P  =  R(S1 + S 2 )  (d)  P  =  R(S1 + S 2 )  .  (2006)  (2005) 
Q S1S2  Q 2 S1S2 

15.  The  Kirchhoff’s  first  law  (å i = 0)  and  second  law 

(åiR = å E),  where the symbols have their usual meanings,  22.  The resistance of hot tungsten filament is about 10 times the 
cold  resistance. What  will  be  the  resistance  of  100 W  and 
are  respectively  based  on  200 V  lamp  when  not  in  use?

(a)  conservation  of  charge,  conservation  of  energy 

66  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

(a)  400 W  (b)  200 W  3.3 × 10– 7  kg per coulomb. The mass of the metal liberated 
(c)  40 W  (d)  20 W 
(2005)  at the cathode when a 3 A current is passed for 2 second will 

23.  Two  voltameters,  one  of  copper  and  another  of  silver,  are  be

joined in parallel. When a  total charge q flows through the  (a)  19.8  ×  10 –7  kg  (b)  9.9  ×  10 –7  kg 

voltmeters,  equal  amount  of  metals  are  deposited.  If  the  (c)  6.6  ×  10 –7  kg  (d)  1.1  ×  10 –7  kg.  (2004) 

electrochemical  equivalents of  copper and  silver are z1   and  31.  The thermo emf of a thermocouple varies with the temperature
z2   respectively  the  charge  which  flows  through  the  silver 
voltameter  is  q of the hot junction as E = aq + bq 2  in volt where the ratio 

a/b  is  700°C.  If  the  cold  junction  is  kept  at  0°C,  then  the 

q  z1    q z 2  neutral  temperature  is 
z 2  z1  
(a)  (b)  (a)  700°C  (b)  350°C 

q  q  (c)  1400°C 
(c)  1 +  z1   (d)  1 +  z 2 
(2005)  (d)  no neutral temperature is possible for this thermocouple. 
z2  z1 
(2004) 

24.  A  heater coil is cut into two  equal  parts  and  only  one part  32.  Time taken by a 836 W heater to heat one litre of water from 
10°C  to  40°C  is 
is  now  used in the  heater. The  heat generated  will  now be  (a)  50 s  (b)  100 s  (c)  150 s  (d)  200  s. 
(2004) 
(a)  one  fourth  (b)  halved 

(c)  doubled  (d)  four  times  (2005) 

25.  The  thermistors  are  usually  made  of  33.  The length of a given cylindrical wire is increased by 100%. 

(a)  metals  with  low  temperature  coefficient  of  resistivity  Due  to  the  consequent  decrease  in  diameter  the  change  in 

(b)  metals  with  high  temperature  coefficient  of  resistivity  the  resistance  of  the  wire  will  be 

(c)  metal  oxides  with  high  temperature  coefficient  of  (a)  200%  (b)  100% 

resistivity  (c)  50%  (d)  300%.  (2003) 

(d)  semiconducting  materials  having  low  temperature  34.  A 3 volt battery with negligible internal resistance is connected 

coefficient  of  resistivity.  (2004)  in a circuit as shown in the figure.  I

26.  In  a  metre  bridge  experiment  null  point  is  obtained  at  The  current  I,  in  the  circuit  will 

20 cm from one end of the wire when resistance X is balanced  be 3 V  3 W  3 W 
(a)  1 A  3W
against another resistance Y. If X  <  Y, then where  will be  1.5  A  (b) 

the  new  position  of  the  null  point  from  the  same  end,  if  (c)  2 A  (d)  (1/3) 

one  decides  to  balance  a  resistance  of  4X  against  Y?  A  (2003) 

(a)  50  cm  (b)  80  cm  35.  The length of a wire of a potentiometer is 100  cm, and  the 
e.m.f. of its standard cell is E volt. It is employed to measure 
(c)  40  cm  (d)  70  cm.  (2004)  the e.m.f.  of a battery whose internal resistance is 0.5 W.  If 
the balance point is obtained at l = 30 cm from the positive 
27.  An electric current is passed through a circuit containing two  end,  the  e.m.f.  of  the  battery  is 

wires of the same material, connected in parallel. If the lengths 

and  radii of  the wires  are  in  the  ratio  of  4/3  and  2/3,  then 

the  ratio  of  the  currents  passing  through  the  wire  will  be  30 E  30 E
100.5  100 - 0.5 
(a)  3  (b)  1/3  (a)  (b) 

(c)  8/9  (d)  2.  (2004)  (c)  3100 E0  - 0.5i  , where i is  the  current in the potentiometer 
wire. 
28.  The  resistance of the series  combination  of  two  resistances 

is S. When they are joined  in parallel the  total resistance is 

P. If S  =  nP,  then  the  minimum  possible  value  of  n  is  (d)  3100 E0  . 

(a)  4  (b)  3  (2003) 

(c)  2  (d)  1.  (2004)  36.  A 220 volt,  1000 watt bulb is connected across  a  110  volt 

29.  The  total  current  supplied  to  the  circuit  by  the  battery  is  mains  supply.  The  power  consumed  will  be 

(a)  1 A  (a)  750 watt  (b)  500 watt 

(b)  2 A  6 V  2 W  (c)  250 watt  (d)  1000 watt.  (2003) 
(c)  4 A  6 W 
(d)  6 A.  (2004)  3 W  37.  The  negative  Zn pole of a  Daniell cell, sending  a  constant 
1.5 W  current  through a  circuit,  decreases  in mass  by  0.13  g in  30 
30.  The electrochemical equivalent  minutes.  If the  electrochemical  equivalent of  Zn  and Cu  are 
32.5 and  31.5 respectively,  the  increase  in  the  mass  of  the 
of  a  metal  is 

Current Electricity  67 

positive  Cu  pole  in  this  time  is  40.  If q i is the inversion temperature, q n is the neutral temperature,
q c  is  the  temperature  of  the  cold  junction,  then 
(a)  0.180  g  (b)  0.141  g 

(c)  0.126  g  (d)  0.242  g.  (2003)  (a) qi + qc = qn  (b) qi - qc = 2qn 

38.  The thermo  e.m.f.  of a thermo­couple  is  25 mV/°C at room  (c) qi + qc = qn  (d) qc - qi = 2qn  .  (2002) 
2
temperature. A  galvanometer  of  40  ohm resistance,  capable 
41.  A wire  when connected  to 220 V  mains  supply  has  power 
of detecting current as low as 10– 5 A, is  connected with the 
dissipation  P1 .   Now  the  wire  is  cut  into  two  equal  pieces 
thermocouple. The  smallest temperature  difference  that  can  which are  connected  in parallel  to the same  supply.  Power 

be  detected  by  this  system  is  dissipation  in  this  case  is  P2 .   Then  P2   :  P1   is 

(a)  16°C  (b)  12°C  (a)  1  (b)  4  (c)  2  (d)  3.  (2002) 

(c)  8°C  (d)  20°C.  (2003)  42.  If  in  the  circuit,  power  R 
dissipation is 150 W, then 
39.  The mass of a product liberated on anode in an electrochemical 

cell  depends  on  R  is  2 W 
(a)  2 W 
(a)  (It) 1/2  (b)  It  (c)  I/t  (d)  I 2t  . 

(where t  is  the  time  period  for  which  the  current  is  passed).  (b)  6 W  15  V 

(2002)  (c)  5 W 

(d)  4 W. 

(2002) 

Answer  Key 

1.  (a)  2.  (b)  3.  (b)  4.  (a)  5.  (a)  6.  (c) 
7.  (d)  8.  (d)  9.  (d)  10.  (d)  11.  (a)  12.  (c) 
13.  (c)  14.  (c)  15.  (a)  16.  (d)  17.  (a)  18.  (b) 
19.  (d)  20.  (d)  21.  (a)  22.  (c)  23.  (d)  24.  (c) 
25.  (c)  26.  (a)  27.  (b)  28.  (a)  29.  (c)  30.  (a) 
31.  (d)  32.  (c)  33.  (d)  34.  (b)  35.  (c)  36.  (c) 
37.  (c)  38.  (a)  39.  (b)  40.  (c)  41.  (b)  42.  (b)

68  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

1.  (a) :  As  P =  V 2  = IR1  = 2  ´ (220) 2  = 352 V 
R 11 25 

Here, the supply voltage is taken as rated  Potential difference  across 100 W  bulb 

voltage. (220) 2 
100 
\  Resistance  of  bulb  = IR2  = 2  ´ = 88 V 
11
120 V ´ 120 V 
RB  = 60 W  = 240 W 
Thus the bulb 25 W  will be  fused, because  it can tolerate 
120 V ´ 120 V  = only 220 V while  the  voltage  across it is 352 V. 
240 W 
Resistance of  heater,  RH  = 60 W  3.  (b) : Resistance  of  wire 

Voltage  across bulb  before  heater  is  switched  on,  R =  rl 
A
120 V ´ 240 W ...(i) 
240 W + 6 W 
V1  = = 117.07 V  On  stretching,  volume  (V)  remains  constant. 

As bulb and heater are connected in parallel. Their equivalent  So V  = Al  or  A = Vl 
res istance  is 

Req  = (240 W)(60 W)  = 48 W \ R =  rl 2  (Using  (i)) 
240 W + 60 W V

\  Voltage across  bulb  after heater  is  switched  on  Taking logarithm on both sides and differentiating we get, 

V2  = 120 V × 48 W = 106. 66 V  DR = 2 Dl  (Q V  and r are constants) 
48 W + 6 W  R l

Decrease  in the  voltage  across the bulb  is or DR % =  2 Dl l % 
DV  =  V 1  –  V 2  = 10.41 V  ;  10.04 V  R

Hence,  when  wire  is  stretched  by  0.1%  its  res istance    will 

2.  (b) :  25 W‑220 V  100 W‑2  20 V  increase  by  0.2%. 

440 V  4.  (a)  :  Let R0   be  the  resistance  of both  conductors  at  0°C. 
Let R 1  and R 2  be their  resistance at t°C.  Then
As  R =  ( Rated voltage) 2  R1   = R 0(  1 + a1  t)
Rated power R2   = R 0 (1 + a2  t) 
Let Rs  is  the  resistance  of  the  series  combination  of  two 
conductors at t°C.  Then

Rs  = R1   + R 2

\  Resistance of 25 W­220 V bulb  is  Rs0  (1  + ast) = R 0(  1 + a 1t) + R 0 (1 + a 2t) 

(220) 2  where, Rs0  = R0   + R 0  =  2R 0
25 
R1  = W  \  2R 0 (1 + ast) =  2R0   + R 0t(a 1  + a 2 ) 

Resistance of 100 W­220 V bulb  is  2R 0  + 2R 0ast =  2R 0  + R 0t(a 1  + a 2 ) 

R2  = (220) 2  W  \ as =  a1 + a2 
100  2 

When  these  two  bulbs  are  connected  in  series,  the  total  Let Rp  is the resistance of the parallel combination of two 

res istance  is  conductors at t°C.  Then 

Rs  = R1 + R2  = (220) 2  é 1 + 1  ûù = (220) 2  W R p  = R1R2   
ë 25 100 20  R1 + R2 

440 20 = 121  A  Rp0 (1 + a p t ) = R0 (1 + a1t) R0 (1 + a2t   ) 
(220)2  / R0 (1 + a1t) + R0 (1 + a 2t  ) 
Current, I =
R0R0 = R0  
where,  R p 0  = R0 + R0  2 

Potential  difference  across  25  W  bulb 

Current Electricity  69 

R0 R02  (1 + a1t)(1 + a2t   )  + 2 – 1(x  – y) + 10 ∙  y  = 0 
2 2R0 + R0 (a1 + a 2 ) t
\ (1 + a p t ) = +x  –  11y  =   2  ...(ii)

R02 (1 + a1t + a 2t + a1a 2t   2 )  Þ 2x  – 22y = 4  ...(iii) = (ii)  × 2 
R0 (2 + (a1 + a 2 )t) 
R0 (1 + a p t ) = (i) – (iii) gives 32y  = 1 
2
Þ y = 312  A = 0.03 A from P2 to P1.  
12 (1 + (1 + a1t + a2t + a1a2 t 2 ) 
a p t ) = (2 + (a1 + a 2 )t)  8.  (d) :  Current is spread over an  area 2pr 2 . The  current  I  is 

As a1   and a 2  are small quantities a surface  current. 
\ a 1a2   is  negligible 
A  B  C  D 

1 + (a1 + a2 ) t  1 + (a1 + a2 ) t  a  b  a 
2 + (a1 + a 2 ) t
\ 1  (1 + a p t ) = = 2 éêë1 + (a1 + a2 ) t ù
2 2  ûú 

Current  density,  j = I 
2 p r 2 
(a1 + a 2 ) t ù-1 
= 12 [1 + (a1 + a 2 )t ] éêë1 + 2  úû  rl rr 
Resistance = area  = 2 p r 2 

= 12 [1 + (a1 + a 2 )t ] éëê1 - (a1 + a2 ) t ù E  =  Ir/2pr 2 . 
2  úû 

[By  binomial  expansion] 
VB -VC  = DV = ò  -Edr
+ a2 ) 2 t 2  ù
2  úû  a +b 

= 1  éëê1 - (a1 + a2 )t + (a1 + a2 ) t - (a1 -Ir a  1  - I r êéë- 1 ù a 
2 2 2p r 2  2p  r úû a +
Þ DV = ò  dr =

As   (a 1  + a 2)   2  is  negligible  a +b  b 

\ 1 (1 + a pt  ) = 1 éë1 + 1  (a1 + a 2 ) t ù DV  = I r é 1 - a 1  úûù . 
2 2 2  û  2 p ëê a +b

a pt  =  (a1 +a 2 ) t (d) : j × r =  E.  I r
2  2 p r 2 
9.  \ E =

ap =  a1 + a2  10.  (d) : Given : R 50 = 5 W,  R 100  =  6 W 

R t  =  R0 (  1 + at) 
5.  (a) : From the statement  given, a  = 2.5  × 10 –3 /°C. 
where Rt   =  resistance of  a wire at t°C,  R 0  =  resistance  of a 
The resistance of a wire change from 100 W to 150 W when 
wire at 0°C, a  = temperature  coefficient of resistance.

the  temperature  is  increased from  27°C  to 227°C.  \  R 50  =  R0   [1 + a 50] 
and R1 00  =  R 0 [1  + a 100] 
It is true that a is small. But (150 – 100) W or 50 W is not  or  R5 0  – R0   =  R 0a(50) 
R1 00  –  R0   =  R 0a (100) 
very much  less than  100 W  i.e.,  R  –  R0  <<  R0  is not  true.  Divide  (i)  by  (ii),  we  get  ...    (i) 
... (ii) 
55 W  R 

6.  (c) :  5 - R0   = 1 
6 - R0  2 
20 cm  80 cm  or  R0   = 4 W. 

This is a Wheatstone bridge.  or  10 – 2R 0  = 6 –  R 0 
If r l  is  the resistance per  unit length (in cm) 

20r 80r  or R = 80 ´ 55 = 220 W.   11.  (a)  :  Resistance  of  a  wire  R = rl = rl ´ 4 
l = l  pr2 p D2 

55 R 20 

A  x  P 2  x – y  B  Q RA = RB 

5 V  y  2 V \  4r AlA = 4r  Bl B 
10 W  1 W  pDA2 p DB2  
7.  (d) : 

2 W 

C  x  P 1  x – y  D  or  lB = æ rA öæ D B  ö2 
lA çè rB ÷ø çè DA  ÷ø 
Applying  Kirchhoff’s  law  for  the  loops 

AP2  P1 C  A  and  P2  BDP 1 P2  ,  one  gets  = æ rA öæ 2 D A  2  = 4 = 2 
–10y  –  2x  +  5  =  0 èç 2r A ÷ø çè 2 1 
Þ  2x + 10y = 5  ö
DA  ø÷
...(i) 

70  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

12.  (c) :  Given  :  R 100  =  100 W 19.  (d)  :  I  = 2E 
a  =  0.005ºC –1  R1 + R2  + R

R t  =  200 W Q  E  –  IR 2  =  0  E  R 1  (Given)
\  R 100  =  R0 [  1  +  0.005  (100)]  \  E  =  IR 2 
or  100  =  R0 [  1  +  0.005  ×  100]  E  R 2 
R t  =  R0 [  1  +  0.005t] 
200  =  R 0 [1  +  0.005t]  .......(i)  or  E = R1 2 ER2   
Divide  (i)  by  (ii),  we  get  .......(ii)  + R2  + R

or  R1   +  R 2  +  R  =  2R 2  I  R 
or  R  =  R 2  –  R 1 . 

100  = [1 + 0.005´100]  20.  (d)  :  For  zero  deflection  in  galvanometer, 
200 [1 + 0.005t ] 
I1   =  I 2 
1  +  0.005t  =  2  +  1 
12 = 2 
or  t  =  400ºC.  or  500 + R R .

13.  (c) : The equivalent circuit is a balanced Wheatstone's bridge.  Þ  12R  =  1000+  2R Þ  R  =  100 W 

Hence  no  current  flows  through  arm  BD.  21.  (a) :  If  internal  resistance  is  zero,  the  energy  source  will 
supply  a  constant  current. 
AB  and  BC  are  in  series B 

\  RA  BC  =  5  +  10  =  15 W  5 W  10 W  22.  (c)  :  Resistance  of  hot  tungsten  = V 2  = (200) 2  = 400 W 
AD  and  DC  are  in  series P 100 

\  RA  DC  =  10  +  20  =  30 W  A  10 W  C  Resistance  when  not  in  use  =  41000 = 40 W . 

ABC  and  ADC  are  in  parallel

\  Re q  = ( RABC )( R ADC  )  10 W  20 W  23.  (d)  :  The  voltameters  are  joined  in  parallel. 
( RABC + RADC  ) 
I  D  Mass  deposited  =  z 1 q 1  =  z2 q   2

or  Req  = 15 ´ 30 = 154´53  0 =10 W 5 V  \  q1 = z2 Þ q1 + q2 = z1 + z 2  Þ q  = çèæ1 + z 2  ö
15 + 30 q2 z1  ÷ø
q2 z1 q2 z1 
\  Current  I = E  = 5  = 0.5 A . 
Req  10  or  q2    = q  . 

14.  (c) :  For  balanced  Wheatstone's  bridge,  P =  R  çèæ1 + z2    ö
Q S z1  ÷ø 

Q  S = S1S2    (Q S 1  and  S2   are  in  parallel) 24.  (c)  :  Resistance  of  full  coil  =  R 
S1 + S2  Resistance  of  each  half  piece  =  R/2

\  P  =  R( S1 + S 2 ) .  \  H 2  = V 2 t ´ R  = 2 
Q S1S2  H1  R / 2 V 2 t 1 

15.  (a) : Kirchhoff's first law [S i = 0] is based on conservation  \  H 2  =  2H 1 
Heat  generated  will  now  be  doubled. 
of  charge 

Kirchhoff's second law (S i R = S E) is based on conservation  25.  (c)  :  Thermistors  are  made  of  metal  oxides  with  high 
temperature  co­efficient  of  resistivity. 
of  energy. 

16.  (d)  :  Resistance  of  the  bulb  26.  (a)  :  For  meter  bridge  experiment, 

V 2 (220) 2  = 484 W  R1 = l1 =  l1  
( R ) = = R2 l2 (100 – l1 ) 
P  100

Power  across  110  volt = (110) 2  In  the  first  case,  X  = 20 = 20 = 1 
484 Y 100 - 20 80 4 

\  Power = 1104´84110 = 25 W .  In  the  second  case, 

17.  (a)  : Antimony­Bismuth  couple  is  ABC  couple.  It  means  4X = l Þ 4 = l  Þ l = 50 cm . 
that  current  flows  from  A  to  B  at  cold  junction.  Y (100 - l) 4 100 - l

27.  (b)  :  Potential  difference  is  same  when  the  wires  are  put 

18.  (b)  :  The  internal  resistance  of  a  cell  is  given  by  in  parallel 

r = æ l  - ö = R çæ l1 - l 2  ö V = I1R1 = I 1  ´ rl1  
R ç 1 ÷ l2  ÷ p r12   
1  ø  è ø
è
l



\  r = 2 é 24012-01 20 ûùú = 2 W.  Again  V = I2 R2 = I 2  ´ rl 2 
êë pr22  

Current Electricity  71

\  I1 ´ rl1 = I2 ´ rl2 Þ  I1 = æ l2 ö æ r1   ö2  \ The new  resistance  R¢2  = r l ¢ = r 2 l  = 4 R 
pr12 pr22   I2 çè l1 ÷ø çè r2   ÷ø r¢2
p p ´ r 2 

I 1  3 2 2  3´4 13  . 
or  I 2  = èçæ 4 ÷öø çæè 3 = 4´9 = \ Change in resistance  = R¢ - R = 3R 
ö÷ø 
\ % change =  3R R ´100% =  300% . 
28.  (a)  :  In  series  combination,  S  =  (R 1  +  R 2 ) 

In  parallel  combination,  P = R1R2    34.  (b)  :  Equivalent  resistance  = (3 + 3) ´ 3 = 18 = 2 W
( R1 + R2 )  (3 + 3) + 3 9

Q  S  =  nP V  3 
R 2 
\  ( R1 + R2 ) = n  R1 R2    \  (R1   +  R2 )  2   =  nR1  R 2  \  Current I  = = = 1.5 A . 
( R1 + R2 ) 
E volt 
For  minimum  value,  R 1  =  R 2  =  R 35.  (c) :  Potential  gradient  along  wire  = 100 cm 
\  (R  +  R) 2  =  n(R  ×  R) Þ  4R2   =  nR 2 
\  K = 1E00  volt 
or  n  =  4.  cm 

29.  (c)  :  The  equivalent  circuits  are  shown  below  :  For  battery  V  =  E¢  –  ir,  where  E¢  is  emf  of  battery. 

6 W  or  K × 30 = E¢ – ir, where current i is drawn from battery 
1.5 W 1.5 W  1.5 W
1.5 W  E ´ 30 = E ¢ + 0.5 i 30 E 
100  100 
or  or  E ¢ = - 0.5 i

2 W  Þ  3 W  Þ  36.  (c)  :  Resistance  of  bulb  = V 2  = ( 220) 2  = 48.4  W . 
3 W  P 1000 

Required  power 

6 V  6 V  6 V  = V 2  = (110) 2  = 110 ´110 = 250 W . 
R 48.4 48.4 
I = 16.5  = 4 A. 
37.  (c)  :  According  to  Faraday's  laws  of  electrolysis, 
30.  (a)  :  m  =  Z  i  t 
or  m  =  (3.3  ×  10 –7 )  ×  (3)  ×  (2)  =  19.8  ×  10 –7  kg.  mZn =  Z Zn  when  i  and  t  are  same
mCu ZCu 

31.  (d)  :  E  =  aq  +  bq 2 0.13 = 32.5  0.13´ 31.5 =
mCu  31.5  32.5 
\  dE  = a + 2 bq  \  Þ  mCu  = 0.126 g 
d q 

At  neutral  temperature  (q n ),  dE  = 0  38.  (a)  :  Let  the  smallest  temperature  be q°C
d q  \  Thermo  emf  =  (25  ×  10 –6 ) q  volt 

or  0  =  a  +  2bq n  Potential  difference  across  galvanometer  = 

or  qn  = - a  = - 12  ´ (700) = -350° C  IR  =  10 –5  ×  40  =  4  ×  10 –4  volt
2b \  (25  ×  10 –6 )q  =  4  ×  10 –4

Neutral  temperature  is  calculated  to  be  –350°C  \  q = 4 ´10 -4  = 16°C. 
Since  temperature  of  cold  junction  is  0°C,  no  neutral  25 ´ 10-6 
temperature  is  possible  for  this  thermocouple. 
39.  (b)  :  According  to  Faraday's  laws,  m µ  It. 

32.  (c)  :  Electrical  energy  is  converted  into  heat  energy 40.  (c)  :  qc + qi = 2qn Þ  qi + qc  = qn . 

\  836  ×  t  =  1000  ×  1  ×  (40  –  10)  ×  (4.18) 

[Q 4.18 J = 1cal]  = V 2 
R
t = 1000 ´ 30 ´ 4.18 = 150 sec.  41.  (b)  :  P1  
836 
or  when  connected  in  parallel, 

33.  (d) :  Let the length  of  the  wire be l, radius  of  the wire be r Re q  = (R / 2) ´ ( R / 2) = R  V2 = 4 V 2 
R + R 4  R / 4  R
\  Resistance  R  = r l  r =  resistivity of  the wire  \  P2 = = 4 P1  
pr 2 
2 2 

Now l  is increased by  100%  \ l¢ = l + 100 l =  2 l \  P2   = 4. 
100  P1 

As length is increased, its radius is going to be decreased in  42.  (b)  :  Power  = V 2 
R
such a way that the volume of the cylinder remains constant. 

pr2 ´ l = pr¢2 ´ l¢  Þ r ¢2  = r2 ´l = r2 ´l = r 2  \  150 = (15)2 + (15) 2  = 225 + 222 5 Þ R = 6 W .
l¢ 2l 2  R 2  R

72  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

CHAPTER  MAGNETIC EFFECTS OF 

13  CURRENT AND MAGNETISM

1.  A metallic rod of length ‘l’ is  (a)  ra  = rp   < r d  (b)  ra  > r d  > r p  (2012) 
tied to a string of length 2l and  (c)  ra  = r d  > r p  (d)  ra  = r p  = r d 
made  to  rotate  with  angular 
speed w  on  a  horizontal  table  5.  A  coil  is  suspended  in  a  uniform  magnetic  field,  with  the 
with one end of the string fixed.  plane of the coil parallel to the magnetic lines of force. When 
If  there is a vertical magnetic  a  current is  passed  through  the coil  it starts  oscillating; it  is 
field  ‘B’  in the  region, the  e.m.f.  induced across  the  ends  of  very  difficult  to  stop.  But  if  an  aluminium  plate  is  placed 
the  rod  is  near  to  the  coil,  it  stops.  This  is  due  to 
(a)  induction of electrical  charge  on the  plate. 
(a)  5 Bw l 2  (b)  2 Bw l 2  (c)  3B  w l 2  (d)  4 Bwl 2  (b)  shielding of magnetic lines of  force as aluminium is  a 
2  2  2  2  paramagnetic material. 
(c)  electromagnetic induction in the aluminium plate giving 
(2013)  rise  to  electromagnetic  damping. 
(d)  development of air current  when  the plate  is  placed. 
2.  This question has Statement­I and Statement­II. Of the four  (2012) 

choices  given  after  the  Statements,  choose  the  one  that  best 

describes  the  two  Statements. 

Statement­I : Higher the range,  greater is the resistance of  6.  A current I flows in an infinitely long wire with cross­section 

ammeter.  in the form of a semicircular ring of radius R. The magnitude 

Statement­II : To increase the range of ammeter, additional  of the  magnetic induction along its  axis is 

shunt needs to be used  across it.  (a)  m0 I  (b)  m 0 I  (c)  m0 I  (d)  m0 I 
p 2 R 2 p 2 R 2p   R 4p   R
(a)  Statement­I is false, Statement­II is true. 

(b)  Statement­I is true, Statement­II is true, Statement­II is  (2011) 

the  correct  explanation  of  Statement­I.  7.  Two long parallel wires are at a distance 2d apart. They carry 
steady equal currents flowing out of the plane of the  paper 
(c)  Statement­I is true, Statement­II is true, Statement­II is  as shown. The variation of the magnetic field B along the line 
XX¢  is  given  by 
not the  correct  explanation  of  Statement­I. 

(d)  Statement­I is true, Statement­II is false.  (2013) 

3.  Two short bar magnets of length  1 cm each  have magnetic  (a)  X  X¢ 
moments 1.20 Am2   and 1.00 Am2   respectively. They are placed 
on a horizontal table parallel to each other with their N poles  d  d 
pointing  towards the  South.  They  have a  common  magnetic 
equator and are separated by a distance of 20.0 cm. The value  (b)  X  B  X¢ 
of  the  resultant  horizontal  magnetic  induction  at  the  mid­  d  d 
point O of the  line  joining their  centres  is  close  to 
(Horizontal  component  of  earth’s  magnetic  induction  is  (c)  X  B  X¢ 
3.6 × 10– 5  Wb/m2 )    d  d 
(a)  5.80 × 10 –4  Wb/m2   (b)  3.6 × 10­– 5  Wb/m2  
(c)  2.56 × 10 –4  Wb/m2   (d)  3.50 × 10– 4  Wb/m2  
(2013) 

4.  Proton, deuteron and alpha particle of the same kinetic energy  (d)  X  B  X¢  (2010) 
are  moving  in  circular  trajectories  in  a  constant  magnetic  d  d 
field.  The  radii  of  proton,  deuteron  and  alpha  particle  are 
respectively r p,  r d and ra.  Which one of the following relation 
is  correct? 

Magnetic Effects of Current and Magnetism  73 

Directions : Question numbers 8 and 9 are based on the following  13.  A  charged  particle  moves  through  a  magnetic  field 

paragraph.  perpendicular  to  its  direction.  Then 

A  current  loop  ABCD  is  held  fixed  on  (a)  kinetic energy changes but the momentum is constant 
the  plane  of the paper  as  shown  in  the 
figure. The arcs BC (radius = b) and DA  B (b)  the momentum changes but the kinetic energy is constant 
( ra d iu s  =  a)  of  t he l oop  a re  j oi n ed b y  I 
two straight wires AB and CD. A steady  A  (c)  both  momentum and  kinetic  energy  of the  particle  are 
current I  is flowing in the loop. Angle  a  C 
made by AB  and  CD  at the origin  O  is  not  constant 
I 1 O  30° 
(d)  both, momentum and kinetic energy of  the particle  are 
b  D 
constant  (2007) 

30°. Another  straight  thin  wire  with steady  current  I 1  flowing  14.  A charged particle with charge q enters a regri on of cro  nstant, 
out  of  the  plane  of  the  paper is  kept  at the origin.  (2009)  ((wvucaeni))lti  ohfcoovvrrirut  my==t   aBBvrrran  n´´ypd EEcerr hrm//p a EBeunn22tg  udeai cilunlyl am  ro art((gtodbhn ))obi  tgouvtvorrdh  ne= =a EorlEErr   rf ´´aidenBiBrlrrdde// cs BEBr t E i22,o    anna odnf d c vorB  m . w(Te2si0ht he0on 7ua )t   

8.  The magnitude of the magnetic field (B) due to loop ABCD 

at  the  origin  (O)  is 

(a)  zero  (b)  m0 I (b - a )  15.  A  current  I  flows  along  the  length  of  an  infinitely  long, 
24ab  straight,  thin  walled  pipe.  Then 
(a)  the magnetic field at all points inside the pipe is the same, 
(c)  m0 I é b - a ù (d)  m 0 I  ëé2(b - a) + p3 (a + b) ùû but  not  zero 
4p    ë ab û 4p  (b)  the magnetic field is zero only on the axis  of  the pipe 
(c)  the magnetic field is different at  different points inside 
9.  Due  to  the  presence  of  the current  I1   at  the  origin  the  pipe 
(a)  the  forces on  AB and DC are  zero  (d)  the magnetic field at any point inside the pipe  is zero 
(2007) 
(b)  the  forces on  AD and BC are  zero 

(c)  the  magnitude  of  the  net  force  on  the  loop  is  given by 

I41p I  m0  é 2(b - a) + p3 (a + b) ùû 16.  A long straight wire of radius a carries a steady current i. The 
ë

(d)  the  magnitude  of  the  net  force  on  the  loop  is  given by  current is uniformly distributed across its cross section. The 

m 0 II1    (b - a ).  ratio of the magnetic field at a/2 and  2a is 
24 ab
(a)  1/2  (b)  1/4  (c)  4  (d)  1  (2007) 

10.  A horizontal overhead powerline is at a height of 4 m from  17.  A long solenoid has 200 turns per cm and carries a current 
i. The  magnetic  field at  its  centre is 6.28  ×  10 –2  weber/m2 .  
the ground and carries a current of 100 A from east to west.  Another  long  solenoid  has    100  turns  per  cm  and  it  carries 
a  current  i/3. The  value  of  the  magnetic  field  at  its  centre 
The  magnetic  field  directly below  it on  the  ground is  is 
(a)  1.05  ×  10 –4  Wb/m2   (b)  1.05  ×  10 –2  Wb/m2  
(m 0  = 4p × 10 –7  T m A –1 )  (c)  1.05  ×  10 –5  Wb/m2   (d)  1.05 ×  10– 3  Wb/m2  .  (2006) 
(a)  2.5 × 10 –7  T northward 

(b)  2.5 × 10 –7  T southward 

(c)  5 ×  10 –6  T northward 

(d)  5 ×  10 –6  T southward.  (2008)  18.  In a region, steady and uniform electric and magnetic fields 

11.  Relative permittivity and  permeability of a material  are e r  are  present. These  two  fields  are  parallel  to  each  other.  A 
and mr  , respectively. Which of the following values of these 
charged particle is released from rest in this region. The path 
quantities are allowed for a diamagnetic  mateiral? 
of  the  particle  will  be  a 
(a) er   = 1.5, m r  =  1.5  (b) er   = 0.5, mr   =  1.5 
(c) e r  = 1.5, m r  =  0.5  (d) er   = 0.5, m r  =  0.5  (a)  circle  (b)  helix 

(2008)  (c)  straight line  (d)  ellipse.  (2006) 

12.  Two identical conducting wires AOB and COD are placed at  19.  Needles  N 1,   N 2  and  N3   are  made  of  a  ferromagnetic,  a 
paramagnetic  and  a  diamagnetic  substance  respectively. A 
right  angles  to  each  other. The  wire AOB  carries  an  electric 
magnet  when  brought  close  to  them  will 
current I1  and COD carries a current I 2.  The magnetic field on 
a  point  lying  at  a  distance  d  from  O,  in  a  direction  (a)  attract  all  three  of  them 

perpendicular  to the  plane  of  the wires  AOB and  COD,  will  (b)  attract  N 1  and  N 2  strongly  but  repel  N3  
(c)  attract  N1   strongly,  N 2  weakly  and  repel  N3   weakly 
be  given  by  (d)  attract  N1   strongly,  but  repel  N2   and  N3   weakly. 

1  (2006) 

(a)  m0  ( I12 + I 2 2 )  (b)  m0  æ I1 + I2 ö 2  20.  A  uniform  electric  field  and  a  uniform  magnetic  field  are 
2 p d 2 p èç d ÷ø  acting  along  the  same  direction  in  a  certain  region.  If  an 
electron  is  projected  along  the  direction  of  the  fields  with 
(c)  m0  ( I12 + 1  (d)  m0  ( I1 + I 2 )  (2007)  a  certain  velocity  then
2 p d 2 p d
I 22  ) 2 

74  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

(a)  it  will  turn  towards  right  of  direction  of  motion  27.  The magnetic field due to a current carrying circular loop of 

(b)  it  will  turn  towards  left  of  direction  of  motion  radius 3 cm at a point on the axis at a distance of 4 cm from 

(c)  its  velocity  will  decrease  the  centre is 54 mT. What will be  its value at the  centre  of 

(d)  its  velocity  will  increase  (2005)  the  loop? 

21.  A  charged    particle  of  mass  m  and  charge  q  travels  on  a  (a)  250 mT  (b)  150 mT 

circular  path  of  radius  r  that  is  perpendicular  to  a  magnetic  (c)  125 mT  (d)  75 mT.  (2004) 

field  B.  The  time  taken  by  the    particle  to  complete  one  28.  A long wire carries a steady current. It is bent into a circle 

revolution  is  of  one  turn  and the  magnetic field  at the  centre  of  the  coil 

2 p qB  2 pm    is  B.  It  is  then  bent  into  a  circular  loop  of  n  turns.  The 
(a)  m (b)  qB
magnetic  field  at  the  centre  of  the  coil  will  be 

(c)  2p   mq  (d)  2pmq  (2005)  (a)  nB  (b)  n 2B   
B qB 
(c)  2nB  (d)  2n 2B  .  (2004) 

22.  Two  concentric  coils  each  of  radius  equal  to  29.  A current i ampere flows along an infinitely long straight thin 
2p  cm  are  placed  at  right  angles  to  each  other. 
walled tube, then the magnetic induction at any point inside 
3 ampere and 4 ampere are the currents flowing in each coil 
the  tube  is 
respectively. The magnetic induction in weber/m2  at the center 
(a)  infinite  (b)  zero 
of  the  coils  will  be  (m 0  =  4p ´  10– 7  Wb/A­m) 
m4 p0  × 2i   2i  
(a)  5 ´  10 –5  (b)  7 ´  10– 5  (c)  r tesla  (d)  r  tesla  .  (2004) 

(c)  12 ´  10 –5  (d)  10– 5  (2005) 

23.  A  moving  coil  galvanometer  has  150  equal  divisions.  Its  30.  The materials suitable for making electromagnets should have 

current sensitivity is 10 divisions per milliampere and voltage  (a)  high  retentivity  and  high  coercivity 

sensitivity  is  2  divisions  per  millivolt.  In  order  that  each  (b)  low  retentivity  and  low  coercivity 

division  reads  1  volt,  the  resistance  in  ohms  needed  to  be  (c)  high  retentivity  and  low  coercivity 

connected  in  series  with  the  coil  will  be  (d)  low  retentivity  and  high  coercivity.  (2004) 

(a)  99995  (b)  9995  31.  The  length  of a  magnet is large compared  to its  width  and 

(c)  10 3  (d)  105   (2005)  breadth.  The  time  period  of  its  oscillation  in  a  vibration 

24.  Two thin long, parallel wires, separated by a distance d carry  magnetometer is 2 s. The magnet is cut along its length into 
a  current  of i  A  in  the  same  direction.  They  will 
three equal parts and three parts are then placed on each other 

m0i   2  with  their  like  poles  together.  The  time  period  of  this 
(2p d 2 ) 
(a)  attract  each  other  with  a  force  of  combination  will  be 

(a)  2 s  2  (c)  (2 3) s  (d)  æ 2  ö s 
(b)  3  s  ç 3 ÷
m0i   2  è ø 
(2p d 2 ) 
(b)  repel  each  other  with  a  force  of  (2004) 

(c)  attract  each  other  with  a  force  of  m0 i 2  32.  An  ammeter reads upto 1 ampere. Its internal resistance  is 
(2p d ) 
0.81  ohm.  To  increase  the  range  to  10 A  the  value  of  the 

(d)  repel  each  other  with  a  force  of  m0 i 2  required  shunt  is 
(2pd  ) 
(2005)  (a)  0.03 W  (b)  0.3 W 

(c)  0.9 W  (d)  0.09 W.  (2003) 

25.  A magnetic  needle is kept in a non­uniform magnetic field.  33.  A particle of charge –16 × 10 –18 coulomb moving with velocity 

It  experiences  10  ms– 1  along  the  x­axis  enters  a  region  where  a  magnetic 

(a)  a  force  and  a  torque  field of induction B is along the y ­axis, and an electric field 

(b)  a  force  but  not  a  torque  of  magnitude  10 4  V/m  is  along  the  negative  z ­axis.  If  the 

(c)  a  torque  but  not  a  force  charged  particle  continues  moving  along  the  x­axis,  the 

(d)  neither  a  force  nor  a  torque  (2005)  magnitude  of  B  is 

26.  Two long conductors, separated by a distance d carry current  (a)  10 3  Wb/m2   (b)  10 5  Wb/m2  
I 1  and I 2  in the  same direction. They exert  a force F on each 
other. Now the current in one of them is increased to two times  (c)  10 16  Wb/m2   (d)  10 –3  Wb/m2  .  (2003) 
and its direction is reversed. The distance is also increased to 
3d.  The  new  value  of  the  force  between  them  is  34.  A  particle  of  mass  M  and  charge  Q  moving  with  velocity  r 
(a)  –2F  (b)  F/3  (c)  –2F/3  (d)  –F/3.  v 
(2004) 
describes a circular path of radius R when subjected to a uniform 

transverse  magnetic field  of induction  B. The work  done  by 

the  field  when  the  particle  completes  one  full  circle  is

Magnetic Effects of Current and Magnetism  75 

(a)  æ Mv 2  ö 2 pR  (b)  zero  (2003) 
ç R ÷ (d)  BQv 2pR. 
è ø  39.  The time period of a charged particle undergoing a circular 

(c)  BQ 2pR  (2003)  motion  in  a  uniform  magnetic  field  is  independent  of  its 

35.  A thin rectangular magnet suspended freely has  a period of  (a)  speed  (b)  mass 

oscillation equal to T. Now it is broken into two equal halves  (c)  charge  (d)  magnetic induction.  (2002) 

(each  having  half  of  the  original  length)  and  one  piece  is  40.  If a  current is passed through a spring then the  spring will 

made  to  oscillate  freely  in  the  same  field.  If  its  period  of  (a)  expand  (b)  compress 

T ¢  (c)  remains same  (d)  none  of  these.  (2002) 
oscillation  is  T¢ ,  the  ratio  is 
41.  If  an  electron  and  a  proton  having  same  momenta  enter 
T
perpendicular  to  a  magnetic  field,  then 
1  1  1 
(a)  2 2  (b)  (c)  2  (d)  . 
2  (a)  curved path of electron and proton will be same (ignoring 

(2003)  the  sense  of  revolution) 

36.  Curie  temperature  is  the  temperature  above  which  (b)  they  will  move  undeflected 
(a)  a  ferromagnetic  material  becomes  paramagnetic 
(b)  a  paramagnetic  material  becomes  diamagnetic  (c)  curved path of electron is more  curved than  that of  the 
(c)  a  ferromagnetic  material  becomes  diamagnetic 
(d)  a paramagnetic  material  becomes  ferromagnetic.  (2003)  proton 

(d)  path  of  proton  is  more  curved.  (2002) 

42.  If  in a  circular coil  A of  radius  R, current  I  is  flowing  and 

in another coil B of radius 2R  a  current 2I is flowing, then 

37.  The  magnetic  lines  of  force  inside  a  bar  magnet  the ratio of the magnetic fields, B A and B B , produced by them 
will  be 
(a)  are  from  north­pole  to  south­pole  of  the  magnet 

(b)  do  not  exist  (a)  1  (b)  2 

(c)  depend upon the area of cross­section of the bar magnet  (c)  1/2  (d)  4.  (2002) 

(d)  are  from  south­pole  to  north­pole  of  the  magnet.  43.  If  an  ammeter  is to  be used in  place  of  a  voltmeter,  the  we 

(2003)  must  connect  with  the  ammeter  a 

38.  A magnetic needle lying parallel to a magnetic field requires  (a)  low  resistance  in  parallel 

W units  of  work to turn  it  through  60°.  The  torque  needed  (b)  high  resistance  in  parallel 

to  maintain  the  needle  in  this  position  will  be  (c)  high  resistance  in  series 

( ) (c) 3  (d)  low  resistance  in  series.  (2002) 

(a)  3W  (b)  W  W  (d) 2W. 

Answer  Key 

1.  (a)  2.  (a)  3.  (c)  4.  (a)  5.  (c)  6.  (a) 
7.  (b)  8.  (b)  9.  (b)  10.  (d)  11.  (c)  12.  (c) 
13.  (b, c)  14.  (b)  15.  (d)  16.  (d)  17.  (b)  18.  (c) 
19.  (c)  20.  (c)  21.  (b)  22.  (a)  23.  (b)  24.  (c) 
25.  (a)  26.  (c)  27.  (a)  28.  (b)  29.  (b)  30.  (b) 
31.  (b)  32.  (d)  33.  (a)  34.  (b)  35.  (b)  36.  (a) 
37.  (d)  38.  (a)  39.  (a)  40.  (b)  41.  (a)  42.  (a) 
43.  (c)

76  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

1.  (a) :  = m : 2m : 4 m  = 1: 2 :1 
e e 2 e

Þ  ra  =  r p  <  r d 

Consider  a  element  of  length  dx  at  a  distance  x  from  the  5.  (c)  6.  (a)  7.  (b) 

fixed  end of  the  string.  8.  (b) : O is along the line CD and AB.  A  B
They  do  not  contribute  to  the  a  I 
e.m.f. induced in  the  element  is 

de =  B(wx)dx  magnetic induction at O. The field  I 1 O  30° 
due to DA is positive or out of the 
Hence, the  e.m.f. induced  across  the  ends  of the  rod is 

e = 3l   = Bw é x 2  ù 3 l  = Bw  [(3l )2 - (2l)2 ]  paper  and  that  due  to  BC  is  into  b  D 
êë 2 úû 2l   2 
ò Bwxdx
the  paper or negative. 
2l  

5 Bwl 2 

=  The  total magnetic  field due to loop  ABCD  at  O  is 

2.  (a)  B =  BAB  +  BBC  +  BCD  +  BDA 

3.  (c) : The situation is as  Þ B = 0 - m0I ´ p + 0 + m0 I  ´ p
shown in  the  figure.  4pb 6 4pa 6 

As  the  point  O  lies  on  Þ B = m0 I  (b - a ) , out  of  the  paper  or  positive. 
broad­side position with  24 ab
respect  to  both  the 
magnets.  Therefore,  9.  (b) : The straight wire is perpendicular to the segments and 
The  net magnetic field  at  point  O  is 
the fields are parallel. There will be no force. Due to parts 
B net  =  B1   +  B 2  +  B H 
AB  and  CD,  their fields  are  equal  and  opposite  and  their 

m0 M1 m0  M 2  m0  effects also  cancel  each  other. 
4p r3 4p    r 3  4 p r 3 
Bnet  = + + BH    = ( M 1 + M 2 ) + BH   

Substituting the given  values, we  get  10.* (d) :  i 

Bnet  = 4p 4p ´ 10 -7  ) 3  [1.2 + 1] + 3.6 ´ 10 -5  r 
´ (10 ´ 10-2 By Ampere’s  theorem,  B × 2p  d = m0 i

= 10 -7  ´ 2.2 + 3.6 ´ 10 -5  r  m0 i  4p ´ 10-7 ´100 A 
10-3  B = 2p´ 4 m
= = 50 ´10-7 T 
= 2.2 × 10 –4  + 0.36 × 10– 4  = 2.56  × 10 –4  Wb/m 2 .  2 pd

4.  (a) : The radius of the circular path of a charged particle in  Þ  B  = 5  × 10 –6  T  southwards. 

the  magnetic  field  is given  by  *  It is assumed that this is a direct current. If it is a.c, the 
current  at  the  given  instant  is  in  the  given  direction. 
r =  mv 
Bq
11.  (c)  :  The  values  of  relative  permeability  of  diamagnetic 
Kinetic  energy of  a  charged  particle,  materials  are  slightly  less  than  1  and e r  is  quite  high. 
According to the  table  given, one takes
K =  1 mv2  or  v =  2 K 
2  m
er   = 1.5  and m r  = 0.5. Then the  choice (c) is  correct. 
\ r = m 2K =  2 Km 
qB m qB 12.  (c) : The field at the same point at the same distance from the 
mutually perpendicular wires carrying current will be having 
As  K and B are constants  the  same  magnitude  but  in perpendicular  directions. 

\ r µ  m  \ B = B12 + B2 2  \ B = m 0  ( I12 + I 22  )1  / 2 . 
q 2 p d

rp : rd  : ra  =  m p  : qmd d :  ma  13.  (b, c) : Due to Lorentzian force, F = qv × B, 
qp qa When  a  charged  particle  enters  a  field  with  its  velocity 
perpendicular to the magnetic field, the motion is circular

Magnetic Effects of Current and Magnetism  77 

with  qvB =  mv 2  .  v  constantly  changes  its  direction  (but  20.  (c) :  Magnetic  field  applied  parallel  to  motion of  electron 
r exerts no  force  on it as q  = 0 and  force  =  Bevsinq  =  zero 
Electric  field  opposes  motion  of  electron  which  carries  a 
not  the  magnitude).  Therefore  its  tangential  momentum  negative  charge
\  velocity  of  electron  decreases. 
changes  its  direction  but  its  energy  remains  the  same 

æ 12  I w 2  = constant øö .  Therefore  the  answer  is  (b). 
è
2p 2 pr 
If  angular  momentum  is  taken,  Iw  is  a  constant.  21.  (b)  :  T  = w  = v ...........(i) 
.........(ii) 
As  1 Iw 2  is also constant, (c) is the answer.  Q  centripetal  force  =  magnetic  force

\  mv 2  = qvB Þ v = qBr 
rm
*  The questions could have been more specific, whether by 
From  (i)  and  (ii)

“momentum”  it  is  meant  tangential  momentum  or  angular  2pr ´ m =  2q pBm . 
qBr
momentum.  r  \  T  =


14.  (b) : When  E  and  B  are perpendicular and velocity has no 
22.  (a)  :  Magnetic  induction  at  centre  of  one  coil  B1   = m0i1  
changes  then  qE  =  qvB  i.e., v =  E  . The  two  forces  oppose  2 r

r r  B vr  = rr Similarly  B2    = m0i2   
E´B i.e.,  E ´ B  2 r
each  other  if  v  is  along 
r  r  B2  B2 B12 B2 2   = æ m0i1 ö2 æ m0i2    ö2  m0 2  i12 i2 2  ) 
çè 2r ÷ø çè 2 r ÷ø  4 r 2 
As  E anrd  Br   are perpendicular to each other  \  = + + = ( +

E´B = EB sin 90°  = E  B = m0  4p ´10 -7  (3)2 + (4) 2 
B2 B2  B  2 r 2 ´ (2p ´ 10-2 )
\  i12 + i2 2   =

For  historic  and  standard  experiments  like  Thomson’s  e/m 

value, if v  is given  only  as  E/B,  it  would  have  been  better  or  B  =  5  ×  10 –5  Wb/m 2 . 

from the pedagogic view, although the answer is numerically 

correct.  23.  (b)  :  Vmax  = 1520   = 75 m V 

15.  (d) : Magnetic field is shielded and no current is inside the  Imax  = 11500  = 15 mA = I g 
pipe to apply Ampère’s law. (Compare to electric field inside  Resistance  of  galvanometer  G  =  75/15  =  5 W 
a  hollow  sphere).  For  conversion  into  a  voltmeter,  a  high  resistance  should 
be  connected  in  series  with  the  galvanometer 
16.  (d)  :  Uniform  current  is  flowing.  Current  enclosed  in  the 

1s t  ampèrean path is  I × pr12 = Ir1 2    = 15 (150+0R0  ) 
pR2 R2 
V = I g (G + R) = 15  (5 + R) Þ1  50
m0 ´ current  m0 × Ir12  m 0 Ir1   1000
B = path  = 2 pr1 R 2 = 2 p R2 

or  5 + R = 150 ´151 000 = 10000  \  R  =  9995 W. 
Magnetic induction  at  a  distance  r2   = m0 × I 
2 p r2  24.  (c)  :  Force  of  attraction  between  wires  = m0i  2 L . 
2 p d
\  B1 = r1r2   = a2  × 2 a  = 1 . 
B2    R2 a2  N.B.  The  options  do  not  mention  L,  perhaps  by  slip. 

17.  (b)  :  In  first  case,  B 1  = m0  n1  I 1  25.  (a)  :  A force and a  torque  act on a magnetic needle  kept 
In  second  case,  B 2  = m 0n  2 I   2 in  a  non­uniform  magnetic  field. 

\  B2 = n2 ´ I 2  = 100 ´ i / 3 = 1  26.  (c)  :  Initially,  F = m0  I1I 2 l 
B1 n1 I1  200 i 6  2 p  d

\  B2  = B1   = 6.28 ´10 -2  =  1.05  ×  10 –2  Wb/m 2 .  Finally,  F¢ = m0  (-2I1)( I 2 ) l 
6 6  2p 3d 

18.  (c)  :  Magnetic  field  exerts  a  force  \  F ¢ = -m0  2 I1I2 l ´ 2pd  = - 2 
= Bevsinq  =  Bevsin0  =  0  F 2p 3d m0I1I2 l 3 

Electric  field  exerts  force  along  a  straight  line.  \  F¢  =  –  2F/3. 
The  path  of  charged  particle  will  be  a  straight  line. 
m0i  R 2 
19.  (c)  :  Magnet  will attract  N 1  strongly,  N 2  weakly  and repel  27.  (a)  :  Field  along  axis  of  coil  B = 2(R2 + x2 ) 3/ 2 
N3   weakly. 
At  the  centre  of  coil,  B ¢ = m0i   
2 R

78  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER

B ¢ m2 R0i    ´ 2( R 2 + x2 )3 / 2 (R2 + x 2 ) 3 / 2  Again  az   =  0  as  the  particle  traverse  through  the  region 
B m0 iR 2 R 3  undeflected
\  = =

´(R2 + x 2 ) 3/ 2  54 ´[(3)2 + (4)2 ]3  / 2  \  E z  =  v x  B y  or  B y  = E z  = 104  = 103   Wb . 
R3  (3)3  vx  10  m 2 
B ¢ =  B = = 54 ´125 
\  27  34.  (b)  :  Workdone  by  the  field  =  zero. 

or  B¢  =  250 mT.  I 
MB
28.  (b)  :  Initially,  r 1  =  radius  of  coil  =  l/2p 35.  (b)  :  For  an  oscillating  magnet,  T  = 2 p 

B = m0i = 2m  0 i p where  I  =  ml 2/  12,  M  =  xl,  x  =  pole  strength 
2r1  2 l
\  When the magnet is divided into 2 equal parts, the magnetic 

l  dipole  moment 
2 pn
Finally,  r2   =  radius  of  coil  = M¢ x´l M 
2 2 
= Pole strength × length = =  .....(i) 

\  B ¢ = m0i ´ n = nm0i ´ 2pn = 2 m0 in 2 p I ¢ =  Mass× (length) 2 
2r2  2l 2 l 12 

\  B¢ = 2m  0 in 2 p ´ 2 l  = n 2  \  B¢=  n2   B.  = (m / 2)(l / 2) 2  = ml 2  = I .....(ii)
B 2l 2 m0 ip 12 12 ´ 8 8 

29.  (b)  :  Magnetic  field  will  be  zero  inside  the  straight  thin  \  Time  period  T¢  = 2 p I¢
walled  tube  according  to  ampere's  theorem.  M ¢B

30.  (b) : Materials of low retentivity and low coercivity are suitable  \  T¢ = I¢ ´ M = I¢ ´ M  .........(iii)
for  making  electromagnets.  T M¢ I I M ¢ 

31.  (b) :  For  a  vibrating  magnet,  T  = 2 p  I  \  T ¢ = 1 ´ 2 =  12  . 
MB T 8 1

where  I  =  ml 2 /12,  M  =  xl,  x  =  pole  strength  of  magnet  36.  (a) : A ferromagnetic material becomes paramagnetic above 
Curie  temperature. 
I¢ = çæè m ø÷ö èæç l ø÷ö2    ´ 3  = ml 2  = I  (For  three pieces  together) 
3 3 12 9 ´12 9 
37.  (d)  :  The  magnetic  lines  of  force  inside  a  bar  magnet  are 
M ¢ = ( x) æçè 3l  øö÷ ´ 3 = xl = M
(For  three  pieces  together) from  south  pole  to  north  pole  of  magnet. 

38.  (a)  :  W  =  –  MB  (cos q2   –  cos q1  ) 

\  T ¢ = 2p I¢ = 2 p I / 9  = 13 ´ 2 p I = T  =  –  MB  (cos  60°  –  cos  0)  = MB
M ¢B  MB MB 3  2 

T  23  sec \  MB  =  2W  ............(i) 
3
\  T ¢ = =  .  Torque  =  MB  sin  60°  =  (2W)  sin  60° 

32.  (d)  :  S  = Ig Þ S = I g G  = 2W ´ 3  =  3 W . 
S +G I I - I g  2 

\  S = 1´ 0.81 = 0.98 1 = 0.09 W in  parallel.  39.  (a)  :  mRw2  = BqRw Þ w = Bq ÞT    = 2 pm 
10 - 1 m Bq

33.  (a)  : Particle  travels  along  x­axis.  Hence  vy   =  vz  = 0  T  is  independent  of  speed. 
Field  of  induction  B  is  along  y­axis.  Bx   =  Bz   =  0 
Electric  field  is  along  the  negative  z­axis.  40.  (b) : The spring will compress. It will be 
on account of force of attraction between 
\  Ex   =  Ey   =  0 r = r + vr ´ r two  adjacent  turns  carrying  currents  in 
Net  force  on  particle  F q(E B)  the  same  direction. 

Resolve  the  motion  along  the  three  coordinate  axis 41.  (a)  :  Bqv = mv 2  Þ r = mv  = p 
r Bq Bq
\  ax = Fx   = q  ( E + v y Bz - vz B y ) 
m m x r  will  be  same  for  electron  and  proton  as  p,  B  and  q  are 

F y  mq ( Ey of  same  magnitude. 
m
ay = = + vz Bx - vx B z )  m0 2 pI = m0  I 
4p R 2  R
42.  (a)  :  B =

az = Fz   = mq ( Ez + vxBy - v y B x )  BA IA R B  æèç 1 ø÷ö çæè 12  ÷öø =
m BB IB RA  2
\  = ´ = 1 
Since  E x  =  Ey   =  0,  v y =  v z  =  0,  B x  =  B z  =  0

\  ax   =  a y  =  0,  az = mq (-Ez + vxB y )  43.  (c) : High resistance in series with a galvanometer converts 
it  into  a  voltmeter.

Electromagnetic Induction and Alternating Current  79 

CHAPTER  ELECTROMAGNETIC INDUCTION 

14  AND ALTERNATING CURRENTS

1.  In an LCR circuit as shown below both  6.  A rectangular loop has a  P  l 

switches are open initially. Now switch  sliding  connector  PQ  of 

S 1  is closed, S 2  kept open. (q is charge  length l and resistance R W  R W  R W  v  R W 
on  the  capacitor  and t  =  RC  is  and  it  is  moving  with  a  I 2 

capacitive time constant). Which of the  speed  v  as  shown.  The  I 1  Q 

following  statement  is  correct?  set­up is placed in a uniform 

(a)  At t =  2t , q =  CV(1  – e –1 )  magnetic field  going into  the plane  of the  paper. The  three 
(b)  Work done by the battery is half of the energy dissipated 
currents I 1 , I2   and I are 

in  the  resistor  (a)  I1 = I 2  = Blv , I  =  Blv  (b)  I1 = - I 2  = Blv , I  =  2 Blv 
(c)  At t = t,  q =  CV/2  6R 3 R R R
(d)  At t =  2t, q =  CV(1  – e– 2)   
(2013)  (c)  I1 = I 2  = Blv , I  =  2 Blv  (d)  I1 = I 2  = I  =  Blv 
3R 3 R R

2.  A circular loop of radius 0.3 cm lies parallel to a much bigger  (2010) 

circular loop of radius 20  cm. The centre of the  small loop  7.  Let C be the capacitance of a capacitor discharging through 

is on the axis of the bigger loop. The distance between their  a resistor R. Suppose t1  is the time taken for the energy stored 
in the  capacitor to reduce to half its  initial value and t 2  is  the 
centres  is  15  cm.  If  a  current  of  2.0  A  flows  through  the  time  taken  for  the  charge to  reduce  to  one­fourth  its  initial 

smaller loop, then  the  flux linked  with bigger  loop is 

(a)  6.6 × 10 –9  weber  (b)  9.1 × 10– 11  weber  value. Then  the  ratio t1 /  t2   will  be 

(c)  6 ×  10 –11  weber  (d)  3.3 × 10– 11  weber  (a)  2  (b)  1  (c)  1  (d)  1 
2  4 
(2013) 

3.  A  boat  is  moving  due  east  in  a  region  where  the  earth’s  (2010) 
magnetic field is 5.0 × 10– 5 N A –1m  – 1 due north and horizontal. 
The boat carries a vertical aerial 2 m long. If the speed of the  8.  In  the  circuit  shown below,  the  V  K 
boat  is  1.50  m  s –1,    the  magnitude  of  the  induced  emf  in  the 
wire  of  aerial  is  key  K  is  closed  at  t  =  0.  The  L  R 1 
(a)  1 mV  (b)  0.75 mV  (c)  0.50 mV  (d)  0.15 mV  current  through  the  battery  is 
(2011) 
V (R1 + R2  )  V  R2   
R1R2 R2 
(a)  at t = 0 and at t = ¥ 

4.  A fully charged capacitor C with initial charge q0  is connected  (b)  VR1R2   at t = 0 and V  at t = ¥
to  a coil of  self inductance L at  t =  0. The time at  which  the  R12 + R22   R2  

energy is stored equally between the electric and the magnetic  (c)  V  at t = 0 and V (R1 + R2  ) at t = ¥ 
R2 R1R2 
fields  is 

(a)  p  LC (b)  p  LC (c)  2 p  LC (d)  LC V  VR1R2   at t = ¥
4  (2011)  R2   R12 + R22  
(d)  at t = 0 and (2010) 

5.  A resistor R and 2 mF capacitor in series is connected through  9.  In  a series  LCR circuit  R  = 200 W and the voltage  and  the 

a  switch  to  200 V  direct  supply. Across  the  capacitor  is  a  frequency of the main supply is 220 V and 50 Hz respectively. 

neon bulb that  lights up at 120 V. Calculate the value of R  On taking out the capacitance from the circuit the current lags 

to make the bulb light up 5 s after the switch has been closed.  behind  the  voltage  by  30°.  On  taking  out  the  inductor  from 

(log1 02  .5 = 0.4)  the  circuit  the  current  leads the  voltage by  30°. The  power 
(a)  1.3 × 10 4 W 
(b)  1.7 × 105  W  dissipated  in  the  LCR  circuit  is 

(c)  2.7 × 10 6 W  (d)  3.3 × 107  W  (2011)  (a)  242 W  (b)  305 W  (c)  210 W  (d)  zero  W 

(2010) 

80  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

10.  An inductor of inductance L = 400  18.  The  phase difference between the  alternating current  and 
emf is p/2. Which of the following cannot be the constituent 
mH  and  resistors  of  resistances  of  the  circuit? 
(a)  LC  (b)  L alone  (c)  C  alone  (d)  R,  L 
R1  = 2 W and R2  = 2 W are connected  E  L  (2005) 
to  a battery  of emf  12  V as   shown 
R 1 

in the figure. The internal resistance  S  R2  19.  A circuit has a resistance of 12 ohm and an impedance of 15 
of  the  battery  is  negligible.  The 
switch  S  is  closed  at  t  =  0.  The  ohm. The power factor of the circuit  will be 
potential drop across L as a function 
(a)  1.25  (b)  0.125  (c)  0.8  (d)  0.4 
of  time  is 
(2005) 
12 e - 3 t  V 
(a)  6e –5t  V  (b)  t 20.  The self inductance of the motor of an electric fan is 10 H. 
(c) 6(1 - e-t /0.2 ) V 
(d)  12e –5t  V  (2009)  In order to impart maximum power at 50 Hz, it should be 

11.  Two coaxial solenoids are made by winding thin insulated wire  connected  to  a  capacitance  of 
over a pipe of cross­sectional area  A = 10 cm2   and length = 
(a)  1 mF  (b)  2 mF  (c)  4 mF  (d)  8 mF 

20 cm. If one of the solenoids has 300 turns and the other 400  (2005) 

turns, their mutual inductance is (m 0  = 4p × 10– 7  T mA– 1 )  21.  A coil of inductance 300 mH and resistance 2 W is connected 
to  a  source  of  voltage  2  V.  The  current  reaches   half  of  its 
(a)  2.4p ×  10 –4  H  (b)  2.4p ×  10– 5  H  steady state  value in 
(a)  0.15 s  (b)  0.3 s  (c)  0.05 s  (d)  0.1 s
(c)  4.8p ×  10 –4  H  (d)  4.8p ×  10– 5  H.  (2008)  (2005) 

12.  An ideal coil of 10 H is connected in series with a resistance 

of 5 W and a battery of 5 V. 2 second after the connection is 

made,  the  current  flowing  in  ampere  in  the  circuit  is  22.  One conducting  U  tube  can slide  inside  another  as  shown 

(a)  (1  – e –1)    (b)  (1  – e)  (c)  e  (d)  e –1  in  figure,  maintaining 

(2007)  electrical  contacts  ´ ´ ´ ´ ´ ´

13.  In  an  a.c.  circuit  the  voltage  applied  is  E  =  E 0  sin wt.  The  between  the  tubes.  The  A  B 

resulting current in the circuit is I = I0  sin çæè wt - p2 ÷öø .  The power  magnetic  field  B  is  ´ ´ ´ ´ ´ ´

perpendicular to the plane  ´ ´ ´ ´ ´´
D C 
consumption in the  circuit  is given by  of the figure. If each tube 

(a)  P =  2 E0I0  (b)  P =  E0I 0  moves towards the other  ´ ´ ´ ´ ´ ´ 

at a constant speed v, then 

(d)  P =  E0I 0  the emf induced  in the circuit in terms of B,  l and v  where 

(c)  P = zero  (2007)  l  is  the  width  of  each  tube,  will  be 

14.  An inductor (L = 100 mH), a resistor  L  (a)  zero  (b)  2Blv  (c)  Blv  (d)  –Blv 
(R = 100 W) and a battery (E = 100 
(2005) 

V) are initially connected in series as  R  23.  A  metal  conductor  of  length  1  m  rotates vertically  about 
shown in the figure. After a long time  one  of its ends at angular velocity 5 radian per second. If 
the battery is disconnected after short  A  B  the  horizontal  component  of  earth’s  magnetic  field  is 
circuiting  the  points  A  and  B.  The  E  0.2  ×  10 –4  T,  then  the  e.m.f.  developed  between  the  two 
ends of the  conductor is 
current  in  the  circuit  1  ms  after  the  short  circuit  is  (a)  5 mV  (b)  50 mV  (c)  5 mV  (d)  50 mV. 
(2004) 
(a)  1 A  (b)  (1/e) A  (c)  e A  (d)  0.1 A. 

(2006) 

15.  The  flux  linked  with  a  coil  at  any  instant  t  is  given  by 24.  In a LCR circuit capacitance is changed from C to 2C. For 
f = 10t2   –  50t  +  250. The induced emf at t  = 3 s is 
(a)  190 V  (b)  –190 V  (c)  –10 V  (d)  10 V. the resonant frequency to remain unchanged, the inductance 
(2006) 
should be  changed from L  to 

(a)  4L  (b)  2L  (c)  L/2  (d)  L/4. 

16.  In an AC generator, a coil with N turns, all of the same area  (2004) 

A and total resistance R, rotates with frequency w in a magnetic  25.  In a uniform magnetic field of induction B a wire in the form 

field B. The maximum value of emf generated in the coil is  of a semicircle of radius r  rotates about the diameter of the 

(a)  NABw  (b)  NABRw  (c)  NAB  (d)  NABR  circle  with  angular  frequency w.  The  axis  of  rotation  is 

(2006)  perpendicular to the field. If the total resistance of the circuit 

17.  In a series resonant LCR circuit, the voltage across R is 100  is  R the mean  power generated per period of rotation  is 

volts and R = 1 kW with C = 2 mF. The resonant frequency (a)  Bpr 2 w  ( Bpr 2w)   2 
2 R 8 R
w is 200 rad/s. At resonance  the voltage  across L is  (b) 
(c)  (Bpr w)  2 
(a)  4 ×  10 –3  V  (b)  2.5 × 10– 2  V  2 R ( Bpr w2  ) 2 
8 R
(c)  40 V  (d)  250 V.  (2006)  (d)  .  (2004) 

Electromagnetic Induction and Alternating Current  81 

26.  A coil having n turns and resistance R W is connected with  (a)  0.2 H  (b)  0.4 H  (c)  0.8 H  (d)  0.1  H. 
a  galvanometer  of  resistance  4R W. This  combination  is  (2003) 

moved  in  time  t  seconds  from  a  magnetic  field  W 1  weber  32.  Two  coils  are  placed  close  to  each  other.  The  mutual 
to  W2   weber.  The  induced  current  in  the  circuit  is 
inductance  of  the  pair  of  coils  depends  upon 

(a)  - W52 R-nWt 1   (b)  - n(W52 R-tW1  )  (a)  the rates at which currents are changing in the two coils 

(b)  relative  position  and  orientation  of  the  two  coils 

(c)  - (W2R-ntW1  )  (d)  - n(W2R-t W1  ) .  (c)  the  materials  of  the  wires  of  the  coils 

(2004)  (d)  the  currents  in  the  two  coils.  (2003) 

27.  Alternating  current  cannot  be  measured  by  D.C.  ammeter  33.  A conducting square loop of side  + ++ + ++
L  and  resistance  R  moves  in  its  + ++ + ++
because  plane  with  a  uniform  velocity v  + ++ + ++
perpendicular to one of its sides. 
(a)  A.C. cannot  pass  through  D.C.  ammeter  A magnetic induction B constant  + ++ + ++ v
in  time  and  space,  pointing  + ++ + ++
(b)  A.C.  changes  direction  perpendicular and into the plane  + ++ + ++
at  the  loop  exists  everywhere 
(c)  average  value  of  current  for  complete  cycle  is  zero  + ++ + ++
+ ++ + ++
(d)  D.C. ammeter will get damaged.  (2004) 


28.  In an LCR series a.c. circuit, the voltage across  each of the  with  half  the loop  outside  the  field,  as  shown in  figure.  The 

components,  L,  C  and  R  is  50 V. The  voltage  across  the  LC  induced  emf  is 

combination  will  be  (a)  zero  (b)  RvB  (c)  vBL/R  (d)  vBL. 

(a)  50 V  (b)  50 2 V  (2002) 

(c)  100 V  (d)  0 V  (zero).  (2004)  34.  In a transformer, number of turns in the primary coil are 140 

29.  The  core of  any  transformer  is  laminated  so  as  to  and  that  in  the  secondary  coil are  280.  If  current  in  primary 
(a)  reduce  the  energy  loss  due  to  eddy  currents 
(b)  make it  light  weight  coil  is  4 A,  then  that  in  the  secondary  coil  is 
(c)  make  it robust  &  strong 
(d)  increase  the  secondary  voltage.  (a)  4 A  (b)  2 A  (c)  6 A  (d)  10 A. 

(2002) 

(2003)  35.  The power factor of an AC circuit having resistance (R) and 

30.  In  an  oscillating  LC  circuit  the  maximum  charge  on  the  inductance (L)  connected  in  series  and  an angular  velocity
capacitor is Q. The charge on the capacitor when the energy 
is stored equally between  the electric  and magnetic field is  w  is 
(a)  Q/2  (b)  Q / 3  (c)  Q / 2  (d)  Q. 
(2003)  (a)  R/wL  (b)  R/(R2   + w 2 L 2 )1 /2 

(c) wL/R  (d)  R/(R 2  – w 2L  2  ) 1/2.   (2002) 

36.  The  inductance  between  A  and  D  is 

31.  When the current changes from +2 A to –2 A in 0.05 second,  (a)  3.66  H 
an  e.m.f.  of  8  V  is  induced in  a  coil. The  coefficient  of  self­ 
induction  of  the  coil  is  (b)  9  H  A  3 H  3 H  3 H  D 
(c)  0.66  H 

(d)  1  H. 

(2002) 

Answer  Key 

1.  (d)  2.  (b)  3.  (d)  4.  (b)  5.  (c)  6.  (c) 
7.  (d)  8.  (c)  9.  (a)  10.  (d)  11.  (a)  12.  (a) 
13.  (c)  14.  (b)  15.  (c)  16.  (a)  17.  (d)  18.  (d) 
19.  (c)  20.  (a)  21.  (d)  22.  (a)  23.  (b)  24.  (c) 
25.  (b)  26.  (b)  27.  (c)  28.  (d)  29.  (a)  30.  (c) 
31.  (d)  32.  (c)  33.  (d)  34.  (b)  35.  (b)  36.  (d)

82  JEE MAIN CHAPTERWISE EXPLORER 

4.  (b) : Charge  on the  capacitor at any instant t  is

1.  (d):  q = q 0 coswt  ...(i) 
Equal  sharing  of  energy  means 

Energy  of  a  capacitor =  1  Total  energy 
2

As  switch  S 1  is  closed  and  switch  S 2  is  kept  open.  Now,  1 q 2  = 1 æ 1  q0 2  ö Þ q =  q0  
capacitor  is  charging  through  a  resistor  R.  2 C 2 è 2  C ø  2 

From  equation  (i) 

Charge on a capacitor at  any time  t  is  q0   

q  =  q 0(  1 –  e –t/t )  = q0 cos w t
q  =  CV(1 –  e –t/t ) 
[As  q 0  =  CV]  cos wt = 1 

At  t =  t

( ) wt = cos -1  1  = p
q = CV (1 - e-t /2t ) = CV (1 - e-1/2 )  2  4 

At  t = t  p p ( ) Q  w = 1 
4w 4  LC
q = CV (1 - e-t/t ) = CV (1 - e-1 )  t = = LC 

At  t = 2t,  R  2 mF 

q = CV (1 - e-2t /t ) = CV (1 - e-2 ) 

5.  (c) : 

200 V  S 

2.  (b):  In case charging of capacitor through the  resistance  is 

As field due  to current loop  1  at  an  axial  point  V = V0 (1 - e-t / RC ) 

\ B1   = m 0 I1 R 2  Here, V =  120 V, V 0  =  200 V, R  =  ?
2(d 2 + R2 ) 3/2  C = 2 mF and t  = 5 s. 
\ 120 = 200(1 - e-5/R ´2´10- 6  ) 

Flux linked  with  smaller loop  2  due  to  B 1  is  or  e-5/ R ´ 2 ´ 10 -6  =  80 
200 

f2 = B1A2  = m0I1R   2  pr 2  Taking the  natural logarithm on both sides, we  get 
2(d 2 + R2 ) 3/2 
-5  = ln(0.4) = - 0.916 
R ´ 2 ´ 10 -6 
The  coefficient  of  mutual  inductance  between  the  loops  is 

f2  m 0 R 2 pr 2  Þ R = 2.7 × 10 6 W 
I 1  2(d 2 + R2 ) 3/2 
M  = = 6.  (c) :  Emf induced across PQ  is e  = Blv. 
The  equivalent circuit diagram is as shown in  the  figure. 
Flux linked with bigger loop 1  is 
L  P  O 
f1 = MI 2  = m0R2pr 2 I 2  e = Blv 
2(d 2 + R2 ) 3/2 

Substituting the given  values, we  get  R  R  R 

f1  = 4p ´ 10-7 ´ (20 ´ 10-2 )2 ´ p ´ (0.3 ´ 10-2 )2  ´ 2 
2[(15 ´ 10-2 )2 + (20 ´ 10-2 )2 ]3/2 
I  I 2 

f 1  = 9.1  × 10 –11  weber  M I 1  Q  N 

3.  (d) : Here, BH  =  5.0 ×  10 –5 N A –1  m –1 Applying Kirchhoff’s  first law at  junction Q,  we  get

l = 2  m and v  = 1.5  m s –1  I = I 1  + I 2  ...(i) 

Induced emf, e  = BHvl  = 5  × 10 –5 ×  1.50 ×  2  Applying Kirchhoff’s second law for the closed loop PLMQP, 
= 15  × 10 –5  V  = 0.15  mV 
we  get

Electromagnetic Induction and Alternating Current  83 

–I 1R  – IR  + e =  0 8.  (c) :  V  t = 0  K 

I 1R  + IR  = Blv  ...(ii)  L  R 1 

Again, applying Kirchhoff’s second law for the closed loop R 2 

PONQP,  we get  At  time t  =  0,  the  inductor  acts  as  an  open  circuit.  The 
corresponding equivalent circuit diagram is as shown in the 
–I 2R  – IR  + e =  0 figure  (i). 

I 2R + IR  = Blv  ...(iii)  V 

Adding equations (ii) and (iii),  we get 

2IR  + I 1R + I 2R =  2Blv 

2IR  + R(I 1  + I 2 ) =  2Blv  I 
R2   
2IR + IR  = 2Blv  (Using (i)) 

3IR  =  2Blv  (i) 

I  =  2 Blv  ...(iv)  The  current through battery is  I  =  V 
3 R R2 

Substituting this value of I in equation (ii), we get  I 1  =  Blv  At  time t  = ¥,  the  inductor  acts  as  a  short  circuit.  The 
3 R

Substituting the value of I in equa tion (iii), we get  I 2  Blv  corresponding equivalent circuit diagram is as shown in the 
3 R
=  figure  (ii). 

Hence,  I1 = I2  = Blv ,  I  =  2 Blv  I  V 
3R 3 R

7.  (d) :  During discharging  of capacitor  through  a  resistor, R 1

q = q 0e –t/RC  ...(i)  R2   
(ii) 
The energy stored in the capacitor at any instant of time t is 
\  The  current through  the  battery is 
U  = 1 q 2  =  1  ( q0 e -t / RC ) 2  (Using(i)) 
2 C 2  C
V V  (.  . . R 1  and R2   are in  parallel) 
1  q0 2   I  = Req  = R1R2  
2  C
= e-2t / RC = U0 e -2t / RC  ...(ii)  R1 + R2 

where U 0  =  1  q0 2   , the maximum energy stored in the capacitor.  = V ( R1 + R2  ) 
2  C R1R2 

According  to given  problem 

U 0  = U 0e  -2t1 / RC  (Using (ii))  ...(iii)  9.  (a) :  Here, R  = 200 W, V rms  = 220 V, u =  50 Hz 
2  When only the capacitance is removed, the phase difference 

and  q0    =  q0 e - t2  / RC  (Using (i))  ...(iv)  between the  current and voltage  is 

X L 
From equation (iii),  we  get  tan f =  R

1  = e-2t1 / RC  tan 30 ° =  X L  or  X L  =  1  R
2  R 3 

Taking natural logarithms  of both  sides, we  get  When only the inductance is removed, the phase difference 

ln1 - ln 2 = -  2t 1   or  t1  =  RC ln 2  (Q  ln1 = 0) between current and voltage  is 
RC 2 
X C 
From equation (iv),  we  get  tan f¢ = R

1  = e- t2 / RC  tan 30° = X C  or  XC  =  1  R 
4  R 3 

Taking natural logarithms of both sides of the above equation, 

we  get  As XL = XC , therefore the given series LCR is in resonance.
\  Impedance of the  circuit is Z  = R  = 200 W 
ln1 - ln 4 = - t 2 
RC The  power dissipated in the circuit is
(.  . .  ln4  =   2ln2) 
t2   = RC  ln4 = 2RC ln2  P = V rmsI rmsc  osf 

\ t1   = RC ln 2 ´ 1 =  1  Vr m2 s  ( ) Q Vr ms 
t2  2 2RC ln 2 4  = Z cos f I rms  = Z


Click to View FlipBook Version