Электростатика
.pdfПо второму правилу Кирхгофа для контура Aε2 Bε1 A имеем:
I2 R2 − I1R1 =ε1 |
+ε2 ; |
(2) |
для контура Aε3Bε2 A: |
|
|
−I3R3 − I2 R2 = −ε3 |
−ε2 ; |
(3) |
для контура Aε3Bε1 A : |
|
|
−I3R3 − I1R1 = −ε3 +ε1; |
(4) |
|
Преобразуем формулы (1), (2), (3), подставляя в них численные значения ЭДС и сопротивлений, взятые из условия задачи:
I1 + I2 − I3 = 0; |
(5) |
3I2 −2I1 = 4,5; |
(6) |
0,8I3 +3I2 = 3,5. |
(7) |
Из уравнения (5) находим I3 и подставляем в уравнение (7):
I3 = I1 + I2 ; |
|
0,8(I1 + I2 ) +3I2 = 3,5. |
||||
Решим систему: |
|
|
|
|
|
|
3I |
2 |
−2I |
1 |
= 4,5 |
I2 |
=1,06А |
|
|
|
||||
3,8I2 +0,8I1 = 3,5 |
|
|
||||
21
Значение I2 подставим во второе уравнение системы и найдем значение I1 :
3 1,06 −2I1 = 4,5, −2I1 = −1,32, I1 = −0,66 А.
Найдем значение I3 , подставляя значение I2 вуравнение (7):
0,8I3 +3 1,06 = 3,5, 0,8I3 = 0,32, I3 = 0,4 А.
Проверяем решение по первому правилу Кирхгофа: при
I1 = −0,66 А, I2 =1,06А, I3 = 0,4 А получим -0,66+1,06-0,4 = 0.
Знак «минус» перед значением тока I1 показывает, что этот ток направлен в
сторону, противоположную указанной на чертеже.
Пример 8. Сила тока в проводнике сопротивлением R = 20 Ом нарастает в течение времени t = 2 с по линейному закону от I0 = 0 до I = 6 А (рис. 8).
Определить теплоту Q , выделившуюся в этом проводнике за вторую секунду.
R = 20 Ом |
I, А |
t = 2 с |
|
I0 = 0 |
|
I = 6 А |
6 |
_______________ |
3 |
Q −? |
1 |
2 |
t,c |
Рис. 8
22
Решение. Закон Джоуля—Ленца в виде Q = I 2 Rt справедлив для постоянного тока ( I = const ). Если же сила тока в проводнике изменяется, то указанный закон справедлив для бесконечно малого интервала времени и записывается в виде
dQ = I 2 Rdt. |
(1) |
Здесь сила тока I является некоторой функцией времени. В данном случае
I = kt, |
(2) |
где k — коэффициент пропорциональности, характеризующий скорость изменения силы тока:
|
|
|
|
|
k = I / t = 6 / 2 = 3 А/с. |
|
С учетом формулы (2) формула (1) примет вид |
|
|||||
|
|
|
|
|
dQ = k2 Rt2dt. |
(3) |
Для определения теплоты, выделившейся за конечный интервал времени |
t , |
|||||
выражение (3) надо проинтегрировать в пределах от t1 до t2 : |
|
|||||
|
t |
|
1 |
|
|
|
Q = k2 R∫2 t2dt = |
|
k2 R(t23 −t13 ). |
|
|||
|
|
|
||||
|
t1 |
3 |
|
|||
|
|
|
|
|
||
Проверка единиц измерения: |
|
|||||
[Q]= |
1 |
k2 R(t23 |
−t13 ) = А2 /с2Ом×с3 =А2 Ом с=А В с=Дж. |
|
||
|
|
|||||
3 |
|
|
|
|
||
Расчет:
Q = 13 k2 R(t23 −t13 ) = 13 32 20(8 −1) = 420Дж.
Ответ: за вторую секунду в проводнике выделится теплоты 420 Дж.
23
Таблица вариантов к контрольной работе №3
Вариант |
|
|
Номера задач |
|
|
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||
|
|||||||
1 |
301 |
316 |
331 |
346 |
361 |
376 |
|
2 |
302 |
317 |
332 |
347 |
362 |
377 |
|
3 |
303 |
318 |
333 |
348 |
363 |
378 |
|
4 |
304 |
319 |
334 |
349 |
364 |
379 |
|
5 |
305 |
320 |
335 |
350 |
365 |
380 |
|
6 |
306 |
321 |
336 |
351 |
366 |
381 |
|
7 |
307 |
322 |
337 |
352 |
367 |
382 |
|
8 |
308 |
323 |
338 |
353 |
368 |
383 |
|
9 |
309 |
324 |
339 |
354 |
369 |
384 |
|
10 |
310 |
325 |
340 |
355 |
370 |
385 |
|
11 |
311 |
326 |
341 |
356 |
371 |
386 |
|
12 |
312 |
327 |
342 |
357 |
372 |
387 |
|
13 |
313 |
328 |
343 |
358 |
373 |
388 |
|
14 |
314 |
329 |
344 |
359 |
374 |
389 |
|
15 |
315 |
330 |
345 |
360 |
375 |
390 |
|
Темы задач. Первая задача в каждом варианте — взаимодействие точечных зарядов, закон. Кулона. Вторая задача — напряженность поля, теорема Гаусса, распределенные заряды. Третья задача — потенциал, разность потенциалов и потенциальная энергия заряда; связь потенциала и напряженности. Четвертая задача
— электроемкость, конденсаторы, энергия заряженного проводника и конденсатора. Пятая задача — основные законы постоянного тока, работа и мощность тока, КПД источника. Шестая задача — закон Джоуля—Ленца, правила Кирхгофа.
301. На расстоянии l =12 см друг от друга расположены два тела с положительными зарядами Q1 =1 10−4 Кл и Q2 =1 10−6 Кл. На каком расстоянии от
тела с меньшим зарядом помещен пробный точечный заряд, если он находится в равновесии?
302. Шары массами m1 =10 г и m2 |
=1г заряжены. |
Заряд первого шара равен |
|
Q = 3 10−4 |
Кл, заряд второго надо |
определить. |
Известно, что сила их |
1 |
|
|
|
кулоновского отталкивания уравновешивается силой ньютоновского притяжения.
303.Два точечных заряда находятся в воде на некотором расстоянии друг от друга, взаимодействуя с некоторой силой. Во сколько раз необходимо изменить расстояние между ними, чтобы они взаимодействовали с такой же силой в воздухе?
304.В вершинах треугольника со сторонами a = 2 10−2 м находятся равные заряды Q = 2 10−9 Кл. Найти равнодействующую сил, действующих на четвертый
заряд Q4 =10−9 Кл, помещенный на середину стороны треугольника. Как изме-
24
нится равнодействующая, если заряд поместить на середину другой стороны треугольника?
305. Два заряда взаимодействуют в вакууме на расстоянии r1 = 2,2 10−2 м с такой же силой, как и в трансформаторном масле на расстоянии r2 =1,48см.
Какова диэлектрическая проницаемость трансформаторного масла? |
|
||
306. |
Два шарика массами по m = 0,5г подвешены на шелковых нитях длиной |
||
l =1м в одной точке. При сообщении шарикам зарядов они разошлись |
на |
||
r = 4 см. |
Определить заряд каждого шарика и силу их электростатического |
||
отталкивания. |
|
|
|
307. |
На расстоянии d = 20 см |
находятся два точечных заряда: Q1 = −50 нКл |
|
и Q2 =100 нКл. Определить силу |
F , действующую на заряд Q3 = −10нКл, |
||
удаленный от обоих зарядов на одинаковое расстояние, равное d . |
|
||
308. |
Расстояние d между двумя точечными зарядами Q1 = 2 нКл и Q2 = 4 нКл |
||
равно 60 см. Определить точку, в которую нужно поместить третий заряд Q3 |
так, |
||
чтобы система зарядов находилась в равновесии. Определить заряд Q3 и его знак.
Устойчивое или неустойчивое будет равновесие?
309. Два шарика массой m = 0,1г каждый подвешены в одной точке на нитях длиной l = 20см каждая. Получив одинаковый заряд, шарики разошлись так, что
нити образовали между собой угол α = 60o . Найти заряд каждого шарика.
310. Два шарика одинакового радиуса и массы подвешены на двух нитях так, что их поверхности соприкасаются. Какой заряд нужно сообщить шарикам, чтобы натяжение нитей стало равным 98 мН? Расстояние от точки подвеса до центра
шарика l =10см. Масса каждого шарика m =5г. |
|
311. В вершинах правильного треугольника со сторонами a =10 см |
находятся |
заряды Q1 =10 мкКл, Q2 = 20 мкКл и Q3 = 30мкКл. Определить |
силу F , |
действующую на заряд Q1 со стороны двух других зарядов.
312. В вершинах квадрата находятся одинаковые заряды Q = 0,3нКл каждый. Какой отрицательный заряд Q1 нужно поместить в центре квадрата, чтобы сила
взаимного отталкивания положительных зарядов была уравновешена силой притяжения отрицательного заряда?
313. Два одинаковых проводящихG заряженных шара находятся на расстоянии r = 60см. Сила отталкивания F1 шаров равна 70 10−6 Н. После того, как шары привели в соприкосновении и удалили друг от друга на прежнее расстояние, сила отталкивания возросла и стала равной F2 =1,6 10−4 Н. Вычислить заряды Q1 и Q2 ,
которые были на шарах до их соприкосновения. Диаметр шаров считать много меньшим расстояния между ними.
314. Два одинаковых проводящихG заряженных шара находятся на расстоянии r = 30см. Сила притяжения F1 шаров равна 90мкН. После того, как шары привели в соприкосновении и удалили друг от друга на прежнее расстояние, сила
25
отталкивания возросла и стала равной F2 =160мкН. Вычислить заряды Q1 и Q2 ,
которые были на шарах до их соприкосновения. Диаметр шаров считать много меньшим расстояния между ними.
315. На шелковых нитях длиной l =1м висят, соприкасаясь друг с другом, два шарика малого диаметра; масса шариков по m =1г каждый. На какое расстояние
разойдутся шарики, если каждому из них сообщить заряд Q = 2 10−4 Кл? Принять
g=10м/с2 .
316.Расстояние d между двумя точечными зарядами Q1 = +8нКл и Q2 =-5,3нКл
равно 40см. Вычислить напряженность E поля в точке, лежащей посередине между зарядами. Чему будет равна напряженность, если второй заряд будет положительным?
317. Электрическое поле создано двумя точечными зарядами Q1 =10 нКл и Q2 = −20 нКл. Расстояние между зарядами d = 0,2 м. Определить напряженность электрического поля в точке находящейся на расстоянии r1 = 0,4 м от первого и r2 = 0,5 м от второго заряда.
318. В трех вершинах квадрата со стороной a = 0,4м находятся одинаковые, положительные заряды по Q = 5 10−9 каждый. Найти напряженность поля в четвертой вершине.
319. Два точечных заряда Q1 = 2Q и Q2 = −Q находятся на расстоянии d друг
от друга. Найти положение точки на прямой, проходящей через эти заряды, напряженность E поля в которой равна нулю.
320. Электрическое поле создано двумя точечными зарядами Q1 = 40 нКл и Q2 = −10 нКл, находящимися на расстоянии d =10 см друг от друга. Определить
напряженность |
E поля в точке, |
удаленной от первого заряда на r1 =12см и от |
||
второго на r2 = 6 см. |
|
|
|
|
321. Тонкая |
нить несет |
равномерно |
распределенный |
по длине заряд |
(τ =2 мкКл/м). |
Вблизи средней части нити |
на расстоянии r =1 |
см, малом по |
|
сравнению с ее длиной, находится точечный заряд q = 0,1мкКл. Определить силу, действующую на заряд.
322.Расстояние между двумя длинными тонкими проволоками, расположенными параллельно друг другу, d=16см. Проволоки равномерно заряжены разноименными зарядами с линейной плотностью τ =150 нКл/м. Какова напряженность поля в точке, удаленной на d=10см как от первой, так и от второй проволоки?
323.Очень длинная тонкая прямая проволока несет заряд, равномерно распределенный по всей ее длине. Вычислить линейную плотность τ заряда, если напряженность E поля на расстоянии a = 0,5 м от проволоки против ее середины
равна 200В/м.
324. Электрическое поле создано двумя бесконечными параллельными пластинами, несущими одинаковый равномерно распределенный по площади заряд (σ =1 нКл/м2). Определить напряженность поля: 1) между пластинами; 2) вне пластин.
26
325. Электрическое поле создано двумя бесконечными параллельными пластинами, несущими равномерно распределенный по площади заряд с поверхностными плотностями σ1 =1 нКл/м2 и σ2 =3 нКл/м2. Определить
напряженность поля: 1) между пластинами; 2) вне пластин.
326.На отрезке тонкого прямого проводника длиной l =10 см равномерно
распределен заряд с линейной плотностью τ =3мКл/м. Вычислить напряженность E электрического поля в точке, находящейся на расстоянии r =5 см от стержня против его середины.
327.Электрическое поле создано двумя бесконечными параллельными
пластинами, несущими равномерно распределенный по площади заряд с поверхностными плотностями σ1 =2 нКл/м2 и σ2 =-5 нКл/м2. Определить
напряженность E поля: 1) между пластинами; 2) вне пластин. Построить график изменения напряженности вдоль линии, перпендикулярной пластинами.
328. Точечный заряд Q =1мкКл находится вблизи большой равномерно заряженной пластины против ее середины. Вычислить поверхностную плотность
σзаряда пластины, если на точечный заряд действует сила F = 0,06 Н.
329.Бесконечная плоскость несет заряд, равномерно распределенный с поверхностной плотностью σ =1 нКл/м2. На некотором расстоянии от плоскости параллельно ей расположен круг радиусом r =10см. Вычислить поток ФE вектора
напряженности через этот круг.
330. Прямоугольная, плоская площадка со сторонами, длины a и b которых равны 3 и 2 см соответственно, находится на расстоянии R =1м от точечного заряда Q =1мкКл. Площадка ориентирована так, что линии напряженности
составляют угол α = 30o с ее поверхностью. Найти поток ФE вектора напряженности через площадку.
331.На окружности радиусом R=2см на одинаковом расстоянии
расположены |
электрические |
заряды Q = 4,8 10−7 Кл, Q =Q =1,6 10−7 Кл, |
||
|
|
1 |
2 |
3 |
Q = −1,6 10−7 |
Кл. Определить |
потенциал электрического |
поля, |
образованного |
4 |
|
|
|
|
всеми зарядами в центре окружности. |
|
|
||
332. Два точечных электрических заряда Q = 2,64 10−8 |
Кл и |
Q = 3,3 10−9 Кл |
||
|
|
1 |
|
2 |
находятся в вакууме на расстоянии 0,6 м один от другого. Какую |
работу следует |
|||
совершить, чтобы сблизить заряды до расстояния 25 см? |
|
|
||
333.Определить потенциал электрического поля в точке, удаленной от зарядов Q1 = −0,2мкКл и Q2 = 0,5мкКл соответственно на расстояния r1 =15 см и r2 =25 см.
334.На какое расстояние могут сблизиться два электрона, если они движутся навстречу друг другу с относительной скоростью 108 см/с?
27
335. Шарик массой m=l г и зарядом q =1 10−3 Кл перемещается из точки А, потенциал которой ϕA =600 В, в точку В, потенциал которой равен нулю. Чему была равна его скорость в точке А, если в точке В она стала равной VB = 20 см/с?
336. Бесконечная, длинная тонкая нить несет равномерно распределенный |
по |
||
длине заряд |
с |
линейной плотностью τ =0,01 мкКл/м. Определить разность |
|
потенциалов |
двух |
точек поля, удаленных от нити на расстояния r1 = 2 см |
и |
r2 = 4 см. |
|
|
|
337.Вычислить потенциальную энергию системы двух точечных зарядов Q1 =100 нКл и Q2 =10 нКл, находящихся на расстоянии r =10см друг от друга.
338.Металлический шарик диаметром d=2 см заряжен отрицательно до потенциала ϕ =150В. Сколько электронов находится на поверхности шара?
339.Сто одинаковых капель ртути, заряженных до потенциала ϕ =20В,
сливаются в одну большую каплю. Каков потенциал образовавшейся капли? 340. На расстоянии r1 =4см от бесконечно длинной заряженной нити находится
точечный заряд q = 0,67 10−9 Кл. |
Под действием |
поля заряд перемещается до |
расстояния r = 2 см, при этом |
совершается |
работа A =5 106 Дж. Найти |
2 |
|
|
максимальную плотность заряда нити.
341. Какова потенциальная энергия П системы четырех одинаковых точечных зарядов Q1 =10нКл, Q2 =20нКл и Q3 =-30нКл, расположенных в вершинах квадрата
со стороны длиной a =10 см.
342. Тонкий стержень длиной l =10см несет равномерно распределенный заряд Q =1нКл. Определить потенциал ϕ электрического поля в точке, лежащей на оси
стержня на расстоянии a = 20 см от ближайшего его конца.
343. Две бесконечные параллельные плоскости находятся на расстоянии d =0,5см друг от друга. На плоскостях равномерно распределены заряды с
поверхностными плотностями σ1 =0,2 мкКл/м2 и σ2 =-0,3 мкКл/м2 . Определить
разность потенциалов U между плоскостями.
344. Напряженность E однородного электрического поля в некоторой точке равна 600В/м. Вычислить разность потенциалов U между этой точкой и другой,
лежащей на прямой, составляющей угол α = 60o с направлением вектора напряженности. Расстояние r =1мм.
345. Заряженная частица, пройдя ускоряющую разность потенциалов U = 600 кВ, приобрела скорость v =5,4 106 м/с. Определить удельный заряд частицы (отношение зарядов в массе).
346. Разность потенциалов между пластинами плоского конденсатора равна u = 90В. Площадь каждой пластины S =60см2, заряд Q =10−9 Кл. На каком расстоянии друг от друга находятся пластины?
28
347. Два |
металлических шара |
радиусами R1 =2см и R2 =6 см соединены |
|
проводником, |
емкостью |
которого |
можно пренебречь. Шарам сообщен заряд |
Q =1нКл. Найти поверхностную плотность σ зарядов на шарах. |
|||
348. Два |
одинаковых |
плоских |
воздушных конденсатора емкостью С=100 |
пФ каждый соединены в батарею последовательно. Определить, насколько изменится емкость батареи, если пространство между пластинами одного из конденсаторов заполнить парафином с диэлектрической проницаемостью ε = 2 .
349. К плоскому воздушному конденсатору, площадь пластин которого S = 60
см2 , приложено напряжение U =90 В, |
при этом заряд конденсатора оказался |
равным Q =10−9 Кл. Определить емкость |
конденсатора, энергию, запасенную |
внем, и расстояние между пластинами.
350.Между пластинами плоского конденсатора расстояние d1 =2 см,
разность потенциалов u1 = 300 В. Как изменится разность потенциалов, если пластины раздвинуть до расстояния d2 =6 см (поле считать однородным)?
351. Плоский конденсатор с площадью пластин S = 200 см2 каждая заряжен до разности потенциалов и = 2 кВ. Расстояние между пластинами d=2 см; диэлектрик—стекло имеет диэлектрическую проницаемость ε = 7 . Определить энергию поля конденсатора и плотность энергии поля.
352. Шар радиусом R1 =6см заряжен до потенциала ϕ1 = 300В, а шар радиусом R2 =4 см – до потенциала ϕ2 =500В. Определить потенциал ϕ шаров после того,
как их соединили металлическим проводником. Емкостью соединительного проводника пренебречь.
353. Плоский воздушный конденсатор емкостью С=1,1 10−8 Ф |
заряжен |
до |
||||
разности |
потенциалов |
ϕ =300 В. После |
отключения |
от источника |
||
напряжения |
расстояние между пластинами конденсатора было увеличено в пять |
|||||
раз. Определить: |
1) разность потенциалов на обкладках конденсатора после |
их |
||||
раздвигания; |
2) |
работу внешних сил по раздвиганию пластин. |
|
|
||
354.Вычислить энергию электростатического поля металлического шара, которому сообщен заряд Q =100 нКл, если диаметр шара σ =8,35 10−6 D =20 см.
355.Пространство между пластинами плоского конденсатора объемом V=20 см3 заполнено диэлектриком (ε =5). Пластины конденсатора присоединены K источнику напряжения. При этом поверхностная плотность связанных зарядов на
диэлектрике σ =8,35 10−6 Кл/м2. Какую работу надо совершить против сил
электрического поля, если удаление диэлектрика производится после отключения источника напряжения?
356. На пластинах плоского конденсатора равномерно распределен заряд с поверхностной плотностью σ = 0,2 мкКл/м2 . Расстояние d между пластинами равно 1мм. На сколько изменится разность потенциалов на его обкладках при увеличении расстояния d между пластинами до 3 мм?
29
357.В плоский конденсатор вдвинули плитку парафина толщиной d =1см, которая вплотную прилегает к его пластинам. На сколько нужно увеличить расстояние между пластинами, чтобы получить прежнюю емкость?
358.Два конденсатора электроемкостями C1 =3мкФ и C2 =6мкФ соединены
между собой и присоединены к батарее с ЭДС ε =120В. Определить заряды Q1 и Q2 конденсаторов и разности потенциалов U1 и U2 между их обкладками, если конденсаторы соединены: 1) параллельно; 2) последовательно.
359.Электроемкость C плоского конденсатора равна 1,5 мкФ. Расстояние d между пластинами равно 5 мм. Какова будет электроемкость C конденсатора, если на нижнюю пластину положить лист эбонита толщиной d1 =3мм?
360.Конденсатор электроемкостью C1 =0,2мкФ был заряжен до разности потенциалов U1 =320В. После того как его соединили параллельно со вторым конденсатором, заряженным до разности потенциалов U2 =450 В, напряжение U на нем изменилось до 400 В. Вычислить емкость C2 второго конденсатора.
361. Определить плотность тока в железном проводе длиной l = 20 м, если провод находится под напряжением U=12 В. Удельное сопротивление
железаρ = 9,8 10−8 Ом м.
362. Участок электрической цепи составлен из трех кусков провода одинаковой длины, изготовленных из одного и того же материала, соединенных последовательно. Сечения кусков провода равны S1 =1 мм2, S2 = 2 мм2, S3=3 мм2.
Разность потенциалов на концах участка и=12 В. Найти разность потенциалов на каждом куске провода.
363. Аккумуляторная батарея, замкнутая на реостат сопротивлением R =20Ом,
создает |
в нем ток |
I1 =l,170 A, Если |
сопротивление реостата увеличить в три |
||||||
раза, то ток станет равным |
I2 =0,397 |
А. |
Определить |
ЭДС и |
внутреннее |
||||
сопротивление источника, а также силу тока короткого замыкания. |
|
||||||||
364. |
Две |
группы |
из |
трех |
последовательно соединенных элементов |
||||
соединены |
параллельно. |
ЭДС |
каждого |
элемента |
ε =1,2 В, |
внутреннее |
|||
сопротивление |
r =0,2 |
Ом. |
Полученная батарея замкнута на внешнее |
||||||
сопротивление R =1,5 Ом. Найти силу тока во внешней цепи. |
|
||||||||
365.Какое сопротивление R нужно подключить к n =10 одинаковым последовательно соединенным источникам с внутренним сопротивлением r =0,5 Ом, чтобы потребляемая полезная мощность была максимальной?
366.Источник постоянного тока с ЭДС ε =120 В и внутренним сопротивлением r =5 Ом включен в цепь. Какую наибольшую мощность может развить источник во внешней части цепи? При каком сопротивлении внешней части цепи это происходит? Чему равен КПД источника в этом случае?
367.Определить число электронов, проходящих за время t =1с через поперечное сечение площадью S=1мм2 железной проволоки с удельным
30