Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Ермолаева Сборник задач к выполнению индивидуалныкх домашникх заданиы 2015

.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
12.11.2022
Размер:
3.16 Mб
Скачать

2. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ИДЗ

Определим по таблице приложения 1 номера задач, которые входят в вариант 19. Результаты приведены в табл. П1.

Таблица П1

 

 

Номера задач ИДЗ для варианта 19

 

 

 

 

 

 

 

 

№ задач по разделам

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раздел 1

 

 

 

 

Раздел 2

 

 

варианта

1

2

 

3

 

4

5

6

7

 

8

 

9

10

19

1.20

1.34

 

1.46

 

1.78

1.100

2.18

2.39

 

2.60

 

2.71

2.100

Задача 1.20. Прямой металлический стержень диаметром d = = 5 см и длиной l = 4 м, находящийся в жидком диэлектрике (ε = = 10), несет равномерно распределенный по его поверхности заряд Q = 500 нКл. Определите напряженность E поля в точке, находящейся против середины стержня на расстоянии a = 1 см от его поверхности.

Дано:

 

СИ

 

 

 

 

 

 

Решение. Линейная плотность за-

d = 5 см

5 10-2

м

 

 

ряда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l = 4 м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τ = Q / l.

(1)

ε = 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Напряженность поля, создаваемого

Q = 500 нКл

5 10-7

Кл

 

 

стержнем, на расстоянии r от оси сим-

a = 1 см

10-2 м

 

 

 

 

метрии стержня (рис. П1):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E =

 

 

 

 

E = ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4πεε0r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. П1

Учитывая, что r = a + d/2, получаем

E =

=

Q

 

 

.

4πεε0r

 

 

 

2πεε0 (a + d / 2)l

Подставляем численные значения:

91

 

E =

 

 

5 10−7

 

 

=

 

 

 

 

2 3,14 10

8,85

10−12 (10−2 + 5 10−2

 

 

 

 

 

 

/ 2) 4

 

 

 

=

 

5 10−7

 

 

=

5 10−7

= 6,43 10

3

В

 

 

 

 

 

 

 

.

 

10−12 3,5

10−2

 

7780,92 10−14

 

 

555,78

4

 

 

 

 

м

Ответ: Е = 6,43 103 В/м.

Задача 1.34. Заряд 1 нКл переносится в воздухе из точки, находящейся на расстоянии 1 м от бесконечно длинной равномерно заряженной нити, в точку на расстоянии 10 см от нее. Определите работу, совершаемую против сил поля, если линейная плотность

заряда нити τ = 1 мкКл/м.

 

 

 

Дано:

 

СИ

 

Решение. Работа А внешней силы

 

 

τ = 1 мкКл/м

 

10-6 м

 

по перемещению заряда q из точки

r1=1 м

 

 

 

поля с потенциалом ϕi в точку с по-

r2=10 см

 

 

 

тенциалом ϕ0 равна:

 

q = 1 нКл

 

1 10-9 Кл

 

A = q(ϕ0 − ϕi ) .

(1)

А = ?

 

 

 

Бесконечная равномерно

заря-

женная нити с линейной плоскостью заряда τ создает поле напряженностью

 

 

 

 

E =

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

(2)

 

 

 

 

 

2πεε0r

 

 

 

 

 

 

Напряженность и

потенциал поля

связаны

соотношением

E = −

, откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dϕ = −Edr .

 

 

 

 

 

 

(3)

Разность потенциалов на расстоянии r1 и r0 от нити:

(4)

 

 

ϕ0 − ϕ1 = −Edr = −

 

 

τ

 

dr

=

 

τ ln r1 ,

 

 

 

 

r0

 

 

 

 

r0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r1

2πεε0 r1 r

 

2πεε0

r0

 

Подставляя (4) в формулу (1), определим искомую работу

 

 

 

 

 

A =

 

 

ln

 

r1

=

 

 

 

 

 

(5)

 

 

 

 

2πεε0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1 10−9

 

10−6

 

 

 

 

 

 

ln

1

 

= 4,1 10−5 Дж.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3,14 8,85 10−12 1

0,1

 

 

 

 

Ответ: А = 4,1·10-5 Дж.

92

Задача 1.46. Как изменится энергия заряженного плоского воздушного конденсатора (ε = 1) при уменьшении расстояния между его пластинами в два раза? Рассмотреть два случая: 1) конденсатор отключен от источника напряжения, 2) конденсатор подключен к

источнику напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дано:

 

Решение. Если конденсатор отключен от источ-

 

ε = 1

 

ника напряжения, то заряд на его обкладках не будет

d2 = 0,5 d1

 

изменяться при сближении пластин, т.е. q = const. Ем-

 

кость же конденсатора будет увеличиваться исходя из

W2/W1 = ?

 

 

формулы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C = εε0S .

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

Воспользуемся формулой, в которой энергия конденсатора

выражается через его заряд и емкость:

 

 

 

 

 

 

W =

 

q2

=

q2d

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2C

 

0εS

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W2

=

q2d2

:

q2d1

=

d2

= 0,5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W1

 

0εS 2ε0εS d1

 

Видим,

 

что при сближении

пластин

энергия конденсатора

уменьшается.

На обкладках конденсатора поддерживается постоянное напряжение, т.е. U = const. Воспользуемся формулой, в которой энергия конденсатора выражается через напряжение и емкость и с учетом

(1) получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W =

CU 2

= ε0εSU 2 .

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2d

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

W2

= ε0εSU22

: ε0εSU12

=

d1

= 2.

 

 

 

 

W1

2d2

 

2d1

 

d2

 

Во втором случае при сближении пластин энергия конденсатора, будучи обратно пропорциональна величине d , увеличивается.

Ответ: 1) W2 = 0,5 ; 2) W2 = 2 .

W1 W1

93

Задача 1.78. В медном проводнике сечением S = 6 мм2 и длиной l = 5 м течет ток. За 1 мин в проводнике выделяется Q =18 Дж теплоты. Определите напряженность поля, плотность и силу тока в проводнике. Удельное сопротивление меди равно ρ =1,7 10-8 Ом м.

Дано:

СИ

S = 6 мм2

6 10-6 м2

l = 5 м

 

t = 1 мин

60 с

Q = 18 Дж

 

ρ(Cu) = 1,7 10-8 Ом м.

 

E = ? I = ? j = ?

 

Решение.

1. Выразим из закона Джоуля– Ленца Q = I 2 Rt ток:

I =

Q

,

(1)

 

 

Rt

 

где t – время.

Сопротивление проводника

R = ρl ,

(2)

S

 

где ρ, l, S – сопротивление, длина и площадь поперечного сечения проводника соответственно.

Подставим (2) в (1):

 

QS

 

 

18 6 10−6

I =

 

=

 

 

= 4,6 A.

ρlt

 

 

 

1,7 10−8 5 60

2. По определению, плотность тока равна

j =

I

=

4,6

= 0,77 10

6

А/м

2

= 7,7 10

5

А/м

2

 

 

 

 

 

 

S

6 10−6

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Напряженность поля Е найдем, используя закон Ома в дифференциальной форме:

j = γ E = Eρ ,

где γ = ρ1 – удельная проводимость, ρ- удельное сопротивление.

E = jρ = 7,7 105 1,7 10−8 = 1,3 10−2 В/м .

Ответ: Е = 1,3 10-2 В/м, I = 4,6 A , j = 7,7 105 А/м2.

Задача 1.100. При какой температуре Т атомы ртути имеют кинетическую энергию поступательного движения, достаточную для ионизации? Потенциал ионизации атома ртути U = 10,4 B.

94

Дано:

Решение. Средняя кинетическая энергия посту-

U = 10,4 B

пательного движения атомов ртути равна:

Wk = Wп

3

 

Wk =

 

kT ,

Т = ?

 

2

 

где k – постоянная Больцмана, k =1,38·10-23 Дж/К. Потенциальная энергия атомов в металле Wп = eU . По закону

сохранения энергии

 

Wk = Wп

или

3

kT = eU .

 

 

 

 

 

 

2

 

 

Отсюда получаем

 

 

 

 

 

 

 

Т =

2eU

=

2 1,6 10−19 10,4

= 8036 К.

3k

 

3 1,38 10−23

 

 

 

 

Ответ: Т = 8036 К.

Задача 2.18. Квадратная проволочная рамка расположена в одной плоскости с длинным прямым проводом так, что две ее стороны параллельны проводу. По рамке и проводу текут одинаковые токи, равные I = 200 А. Определите силу, действующую на рамку, если ближайшая к проводу сторона рамки находится от него на расстоянии, равном ее длине.

Дано:

 

 

Решение. Сила взаимодействия двух прямоли-

I = 200 А

 

нейных бесконечно длинных параллельных токов на

a = l

 

единицу их длины

μ0 I1I2

 

I1 = I2= I

 

 

 

 

F =

,

F = ?

 

 

 

 

2 L

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

где L – расстояние между токами I1 и I2 (рис. П2).

Тогда на провод длиной l = a,

 

 

находящийся на расстоянии a от

 

 

бесконечного

провода, будет

 

 

действовать сила

 

 

F1 =

μ0 I1I2

a =

μ0 I1I2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

2πa

 

 

 

 

На провод длиной l = a, на-

 

ходящийся на расстоянии r = 2a

 

от бесконечного провода, будет

 

действовать сила

Рис. П2

 

95

 

 

 

F2 =

μ0 I1I2

a =

μ0 I1I2

. .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π2a

 

 

 

 

 

 

Из рис. П2 видно, что суммарная сила равна F = F1–F2, отсюда

 

F =

μ0 I1I2

 

μ0 I1I2

 

=

μ0 I1I2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По условию задачи I1 = I2, поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F =

μ0 I 2

=

 

4π 10−7

2002

=

4 10

−3

Н = 4 мН .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: F = 4 мН.

Задача 2.39. Электрон движется в магнитном поле с индукцией B = 0,02 Тл по окружности радиусом R = 1 см. Определите кинетическую энергию Т электрона.

Дано:

Решение. Траектория движения частицы в

В = 0,02 Тл

магнитном поле является окружностью толь-

R = 10-2 м

ко в случае, когда угол между вектором ско-

q=

 

e

 

= 1,6 1019 Кл

рости частицы и вектором магнитной индук-

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 9,11 10−31 кг

 

ции составляет 90 °, т.е. (υ, B) = 90° .

 

 

 

 

 

 

 

В данном случае сила Лоренца, дейст-

Т = ?

 

 

 

 

 

вующая на частицу, будет являться центрост-

ремительной силой, сообщающей частице центростремительное ускорение:

FЛ = qυB = maц = mυ2 / R . Выразим отсюда скорость частицы

υ = qBR / m .

Кинетическую энергию электрона определим по формуле

T =

2

= (qBR)2

=

(1,6 10−19 0,02 10−2 )2

= 5,63 10−16 Дж .

 

2 9,1 10−31

2

2m

 

 

Ответ: T = 5,63 10−16 Дж .

Задача 2.60. Проводник длиной l = 20 см перемещают в однородном магнитном поле с индукцией В = 0,1 Тл так, что его ось составляет угол α = 30° с направлением поля. С каким ускорением требуется двигать проводник, чтобы разность потенциалов на его концах возрастала равномерно на 1 В за 1 с?

96

97

Дано:

СИ

Решение. При равномерном движе-

l = 20 см

0,2 м

нии проводника в однородном магнит-

В = 0,1 Тл

 

ном поле на его концах возникает посто-

α = 30°

 

янная ЭДС индукции, равная

v/ t = 1 B/1 c

 

ξi = В l υsin(α),

 

 

где α – угол между осью проводника и

a = ?

 

 

 

направлением магнитного поля.

Для того чтобы ЭДС индукции изменялась, проводник должен двигаться в однородном магнитном поле ускоренно. Если в момент времени t1 скорость проводника была υ1, индуцированная ЭДС равнялась

ξ1 = В l υ1 sin(α).

В момент t2 скорость была v2 и ЭДС равнялась

ξ2 = В l υ2 sin(α). Приращение ЭДС составит

ξ = ξ2 – ξ1 = –В l (υ2 – υ1) sin(α) ,

откуда

ξ = − Bl υ sin α = − Bla sin α ,

tt

где а – ускорение, с которым движется проводник. Тогда получим

 

ξ

 

 

 

a = −

t

= −

1

= −100 м/с2 .

 

Bl sin α

0,1 0, 2 sin 30°

 

 

 

Ответ: а = –100 м/с2.

 

 

 

Задача 2.71. По обмотке соленоида индуктивностью L = 3 мГн, находящемся в диамагнитной среде, течет ток I = 0,5A. Длина соленоида l = 35 cм, число витков N = 1200, площадь поперечного

сечения S = 15 см2.

Определите магнитную индукцию В внутри

соленоида.

 

 

 

 

 

 

 

Дано:

 

СИ

 

Решение. Индуктивность соленоида

 

 

L = 3 мГн

 

0,003 Гн

 

рассчитывается по формуле:

I = 0,5 A

 

 

 

L = μμ0

N

2

S.

l = 35 cм

 

0,35 м

 

l

 

N = 1200

 

15 10-4 м2

 

Из этой формулы выразим магнитную

S = 15 см2

 

 

 

 

проницаемость среды

 

 

В = ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

μ =

Ll

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

N 2Sμ0

Напряженность магнитного поля в соленоиде равна

 

 

 

 

Н =

NI

,

 

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

Магнитная индукция В рассчитывается по формуле:

 

 

 

 

В = μ0μН .

(3)

Подставим выражения (1), (2) в (3):

 

 

 

 

 

 

 

Ll

 

NI

 

LI

 

 

В = μ0

 

 

 

 

=

 

=

 

 

N 20

l

NS

=

 

3 10−3 0.5

 

= 8,33

10−4

Тл = 0,833 мТл.

 

 

 

1200 15 10−4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: В = 0,833 мТл.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2.100.

Напряженность однородного магнитного поля в

платине равна 10 А/м. Определите магнитную индукцию поля, создаваемого молекулярными токами, если магнитная восприимчивость платины χ равна 3,6·10-4.

Дано:

Решение. Вектор собственной магнитной индук-

Н = 10 А/м

ции вещества равен:

χ = 3,6·10-4

В′ = μ0 J ,

B′ = ?

где J – намагниченность вещества.

 

J = χH .

Отсюда получаем

 

В′ = μ0χН = 4π 10−7 3,6 10−4 10 =

 

= 4,52 10−9 Тл = 4,52 нТл.

Ответ: В′ = 4,52 нТл .

98

3. СПРАВОЧНЫЕ ТАБЛИЦЫ

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО МАТЕМАТИКЕ

Формулы алгебры и тригонометрии

x = −b ± b2 − 4ac

2a

Z = a + ib

Z = ρ (cos ϕ + i sinϕ) Z = ρe

|Z| = ρ = a2 + b2

sin(x + y) = sinx cosy + siny cosx cos(x + y) = cosx cosy – sinx siny sin2x = 2sinx cosy

sin2x = ½(1– cos2x)

sin(ax) sin(bx) = ½ cos(a–b)x –

– ½cos(a+b)x

 

p

 

 

p 2

x = −

 

±

 

 

 

− q ,

 

 

 

2

 

 

2

 

Z* = a – ib

Z* = ρ(cos ϕ – isinϕ)

Z* = ρe-iϕ

ZZ* = |Z|2

sin(x – y) = sinx cosy – siny cosx

cos(x – y) = cosx cosy +sinx siny cos2x = cos2x – sin2x

cos2x = ½(1 + cos 2x)

sin(ax) cos(bx) = ½ sin(a+b)x –

– ½ sin(a–b)x

Формулы приведения для тригонометрических функций

π

 

 

sin (π ± α ) = sin α ,

 

3

 

 

 

 

sin

 

+ α

= cos α ,

sin

 

 

 

 

 

 

π ± α = − cos α ,

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

π

 

 

 

cos (π ± α ) = − cos α ,

3

 

 

 

cos

 

 

+ α

= − sin α ,

cos

 

 

 

 

 

π ± α

= ± sin α ,

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

π

 

 

 

tg (π ± α ) = ± tg α ,

 

3

 

 

 

 

 

 

tg

 

+ α = −ctgα ,

tg

 

 

 

 

 

π ± α

= ctg α ,

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

ctg (π ± α ) = ± ctg α ,

3

π ± α

 

= tg α .

ctg

 

+ α

= − tg α ,

ctg

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

99

 

Значения тригонометрических функций

 

 

 

для стандартных углов

 

 

Функция

 

 

Угол α, град

 

 

 

0 (360)

30

45

60

90

180

sinα

0

1/2

2 / 2

3 / 2

1

0

cosα

1

3 / 2

2 / 2

1/2

0

–1

tgα

0

3 / 3

1

3

-

0

ctgα

-

3

1

3 / 3

1

-

 

Формулы для приближенных вычислений

 

Если а << 1, h << 1, то в первом приближении можно принять:

1

 

≈ 1 a

 

 

 

1

≈ 1

1

a

 

 

 

 

 

 

1± a

 

 

1± a

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1+ h

≈ 1+ h − a

 

 

1± a ≈ 1±

1

a

 

 

 

 

 

1+ a

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

(а ±h)

n

≈ a

n

± na

n−1

a

 

 

 

 

 

 

 

h

e

≈1+a

(1 ±a)2 ≈ 1± 2a

 

ln(1+ a) ≈ a

Если угол α мал (α < 5о или α < 0,1 рад) и выражен в радианах, то в первом приближении можно принять:

sin α ≈ tg α ≈ α, cos α ≈ 1.

Формулы элементарной геометрии

Длина окружности l = 2πR. Площадь круга S = πR2.

Объем сферы (шара) V = 4 πR3. 3

Площадь поверхности сферы (шара) S = 4πR2.

100

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]