Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” icon

Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія”




Скачати 394.81 Kb.
НазваЕлектрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія”
Сторінка1/3
Дата28.07.2012
Розмір394.81 Kb.
ТипДокументи
  1   2   3


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ


ХАРКІВСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ
МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА



МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ З ФІЗИКИ


РОЗДІЛ „ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ”


(для студентів 1 курсу денної і заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка” , 0708 „Екологія”,

0921 „Будівництво”, 0922 „Електромеханіка”,

0926 „Водні ресурси”, 1004 „Транспортні технології”,

0709 „Геодезія”)


ХАРКІВ – ХНАМГ – 2006

Методичні вказівки до практичних занять з фізики. Розділ „Електрика і магнетизм“ (для студентів 1 курсу денної і заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія”, 0921 „Будівництво”, 0922 „Електромеханіка”, 0926 „Водні ресурси”, 1004 „Транспортні технології”, 0709 „Геодезія”). Укл.: Аксьонова К.Ю., Оксюк Ю.Д., Сидоренко Є.Б. – Харків: ХНАМГ, 2006. − 46 с.


Укладачі: К.Ю.Аксьонова, Ю.Д.Оксюк, Є.Б.Сидоренко


Рецензент: докт. фіз.-мат. наук, проф. О.М.Петченко


Рекомендовано кафедрою фізики,

протокол № 4 від 24 листопада 2005р.


ЗМІСТ


Вступ…………………………………………………………………………


4

Практичне заняття № 1.

Електричне поле у вакуумі…………………………………………………



5

Практичне заняття № 2.

Провідники і діелектрики в електричному полі ………………………….



12

Практичне заняття № 3.

Постійний електричний струм……………………………………………..



18

Практичне заняття № 4.

Основні магнітні явища. Магнітне поле постійного струму



23

Практичне заняття № 5.

Робота переміщення провідника зі струмом в магнітному полі.

Сила Ампера. Сила Лоренца ………………………………………………




29

Практичне заняття № 6.

Магнітне поле в речовині. Магнітна індукція у феромагнетиках. Явище електромагнітної індукції. Самоіндукція, індуктивність……….




38

Список літератури…………………………………………………………..


45


Вступ

Метою цього випуску методичних вказівок є надання допомоги студентам у підготовці до практичних занять з конкретних розділів програми курсу фізики.

Структура методичних вказівок побудована таким чином, що стимулює самостійну підготовку студента до того розділу курсу фізики, який буде розглянуто на відповідному практичному занятті. Кожному розділу (темі), в якому наводяться приклади розв’язання задач, передують питання якісного характеру, відповіді на які студент може дати лише після ретельної домашньої підготовки з використанням конспекту лекцій та підручника. Питання складені таким чином, щоб студенти не просто вивчили теоретичний матеріал, а творчо підійшли до його засвоєння і зрозуміли суть фізичних законів і явищ.

Після контрольних запитань кожного практичного заняття пропонуються кілька задач зі збірника задач [3] (всі підручники перелічені в списку літератури) для самостійного їх розв’язання на занятті й вдома.

Загальні методичні рекомендації з розв’язання задач тут не даються тому, що вони викладені в відповідній літературі, список якої наведений в кінці цих методичних вказівок.


Практичне заняття №1

Електричне поле у вакуумі


Контрольні запитання

  1. Які властивості має електричне поле?

  2. Чи буде правильним твердження, що силові лінії електричного поля – це траєкторії, за якими рухався б у полі позитивний заряд, якщо б його внесли у поле і дали діяти самостійно?

  3. Чим визначається чисельне значення напруженості в даній точці електричного поля?

  4. Чим визначається чисельне значення потенціалу в даній точці електричного поля?

  5. Який напрямок має вектор напруженості електричного поля в точці А, що знаходиться між двома еквіпотенціальними поверхнями з потенціалами φ1 = 2 В і φ2 = 1 В? (рис. 1)

  6. Який напрямок має вектор в точці А (див. умови питання 5)?

  7. В якій точці електричного поля, еквіпотенціальні поверхні якого зображені на рис. 2, напруженість поля найбільша?




Рис. 1


  1. Яке взаємне розташування мають еквіпотенціальні поверхні і лінії напруженості електричного поля (рис. 2)?




4


Рис. 2


  1. В якому з випадків, наведених на рис.3, напруженість електричного поля рівномірно зарядженої пластини найбільша? Прямі, що зображено на рис.3, є еквіпотенціальними поверхнями з потенціалами φ1 = 1 В і φ2 = 2 В.




Рис. 3


10. Чи можуть силові лінії електричного поля (в тієї його частині, де відсутні електричні заряди і де напруженість поля не дорівнює нулю) перетинатися між собою; торкатися одна одної?

11. Чи можуть перетинатися або торкатися одна одної еквіпотенціальні поверхні (якщо вони відповідають різним потенціалам)?


Задачі: 9.10;9.24; 9.38; 9.67; 9.71.

Задачі для самостійного розв’язання на занятті: 9.14; 9.44; 9.70; 9.79.


Вказівки до розв’язання задач


Для розв’язання задач за даною темою необхідно знати закон Кулона, який встановлює зв'язок між силою взаємодії двох точкових електричних зарядів і відстанню між ними; необхідно з’ясувати поняття електричного поля і його основних характеристик – напруженості й потенціалу, треба знати формули для розрахунку напруженості і потенціалу даної точки поля, що створюється точковим зарядом. Якщо поле створюється не одним зарядом, а системою зарядів, то тоді застосовують принцип суперпозиції (накладання) електричних полів, суть якого міститься в тому, що напруженість поля системи зарядів дорівнює векторній сумі напруженостей, які створював би кожний з зарядів системи окремо: , а потенціал поля, яке створюється системою зарядів, дорівнює алгебраїчній сумі потенціалів, що утворюються кожним з зарядів окремо: . Знання теореми Гауса дозволяє в цілій низці випадків знаходити напруженість поля простіше ніж із застосуванням принципу суперпозиції, тому треба вміти застосовувати цю теорему для розрахунків поля нескінченної однорідно зарядженої площини, поля двох різнойменно заряджених площин, поля нескінченного зарядженого циліндра і т. ін.

Треба знати зв’язок між напруженістю електричного поля і потенціалом ().

Для розв’язання цілої низки задач будуть потрібні формули для роботи сил електричного поля по переміщенню електричного заряду в полі. Окрім того, необхідно знати правила графічного зображення електричного поля (силові лінії та еквіпотенціальні поверхні).


Приклади розв’язання задач


Задача 1.

Три однакових позитивних заряди по 10 нКл кожний розташовані в вершинах рівнобічного трикутника (рис. 4). Який заряд треба вмістити в центрі трикутника, щоб така система знаходилась у рівновазі?

Дано:

q1 = q2 = q3 = 1 нКл

R1 = R2 = R3 = 0

q4 - ?



Рис. 4


Розв’язання


По-перше, ясно, що шуканий заряд повинен бути негативним для того, щоб компенсувати сили відштовхування між позитивними зарядами. По-друге, ясно, що умова рівноваги цього заряду не дає нам його величину, тому що будь-який негативний заряд, що вміщено в центр трикутника, буде знаходитись в рівновазі (при однакових зарядах q1, q2 і q3 напруженість електричного поля в центрі трикутника дорівнює нулю). Всі три заряди, розташовані у вершинах трикутника, знаходяться в однакових умовах, тому досить записати умови рівноваги для будь-якого з них. Заряд q1 буде знаходитись у рівновазі, якщо векторна сума сил, що діють на нього, буде дорівнювати нулю (див. рис. 4):

, (1)

де ,, - сили, з якими відповідно діють на заряд q1 заряди q2, q3, q4, а - рівнодіюча сил і ,

Оскільки сили і спрямовані вздовж однієї прямої в протилежних напрямках, то векторне рівняння (1) можна замінити скалярним

, звідки .

В останній рівності замінюємо через і і з урахуванням того, що , отримуємо:

,


де = 600 – внутрішній кут рівнобічного трикутника.


Застосовуємо закон Кулона. Враховуємо, що q1 = q2 = q3 і одержуємо:

.

Звідси

.

З геометричних побудов у рівнобічному трикутнику знаходимо:

.

З урахуванням цього маємо:


.

Після підстановки чисельних значень отримуємо:

q4 = 10-9/√3 = 5,8∙10-10 (Кл).


Відповідь: q4 = 5,8∙10-10 Кл.


Задача 2.

Дві однакових кульки з радіусами 1 см і масами 9,81 г підвішені на шовкових нитках довжиною 19 см в одній точці (рис. 5). Кулькам надані однакові за величиною та знаком заряди. Чому дорівнює заряд кожної кульки, якщо вони розійшлися так, що нитки утворюють кут 900?

Дано:

r = 1 см = 1∙10-2 м

m = 9,81 г = 9,81∙10-3 кг

l = 19 см = 0,19 м

2∙ = 900

q1 = q2 = q

q - ?




Рис. 5


Розв’язання


На кожну кульку діють сили:

  1. сила тяжіння ,

  2. сила натягу нитки ,

  3. сили електростатичного відштовхування .

Умова рівноваги кульок

. (1)


Спроектуємо це рівняння на осі x і y:

. (2)

. (3)


Поділимо друге рівняння на третє і одержимо співвідношення:

. (4)

Силу електричного відштовхування визначаємо за законом Кулона:

,

де R – відстань між центрами кульок.

Із трикутника (рис.5) знаходимо:

.

Підставимо у формулу (4) вираз для Fк і R та одержимо:

.

Звідси маємо:



.

Підставимо чисельні значення величин і отримаємо:

(Кл)

Перевірка одиниць вимірювання:

[q] =[м∙(Ф∙кг∙м/м∙с2)1/2] = [м(Ф∙кг∙м/м2∙с2)1/2] = [(Ф∙Дж)1/2∙м/м] = [(Кл∙Кл∙В/В)1/2] = [(Кл2)1/2] = [Кл]

Відповідь: q = ±2,3∙10-7 Кл.


Задача 3.

Яка швидкість зближення повинна бути у протонів в той момент, коли вони знаходяться на відстані 5 см, щоб вони могли зблизитися на відстань 10-11см?

Дано:

r1 = 5 см = 5∙10-2 м

r2 = 10-11 см = 10-13 м

q = 1,6∙10-19 Кл

m = 1,67∙10-27 кг

V − ?

Розв’язання


При розв’язанні задачі можна вважати один з протонів нерухомим, а другий таким, що рухається в напрямку до першого. Внаслідок того, що між протонами існують сили відштовхування, рух другого протона буде сповільненим. Його швидкість зменшиться від шуканої швидкості до швидкості в момент зупинки протона. При цьому буде зменшуватись і кінетична енергія протона від початкового значення до 0 в момент зупинки протона. За рахунок кінетичної енергії протона буде здійснюватися робота проти сил поля. На підставі закону збереження енергії можна записати:

,

де q – заряд протона, і – потенціальні енергії взаємодії протонів.




Звідси маємо:



Перевірка одиниць вимірювання:

[V] = [Кл∙(м ∙м/Ф ∙кг ∙м2)1/2] = [(Кл2 ∙В/Кл ∙кг)1/2] = [(Дж/кг)1/2]∙ = [(кг∙м22 ∙кг)1/2] = [м/с]


Відповідь: V = 1,7 м/с.


^ Практичне заняття № 2

Провідники і діелектрики в електричному полі


Контрольні запитання

  1. Що можна сказати про різницю потенціалів між точкою на поверхні провідної кулі і будь-якою точкою, що знаходиться всередині її?

  2. Як поводить себе електричний диполь в однорідному електричному полі?

  3. У чому полягає електростатичний захист?

  4. Яке співвідношення між напруженістю електричного поля в діелектрику і напруженістю зовнішнього електричного поля ?

  5. Чим відрізняються сегнетоелектрики від інших діелектриків?

  6. Від чого залежить електрична ємність усамітненого провідника?

  7. Який вплив на електроємність провідника має наближення до нього іншого провідника?

  8. Чи можна прочитати формулу так: ємність провідника пропорційна величині заряду і обернено пропорційна його потенціалу?

  9. Два провідники мають однакову форму і розміри, причому один з них порожнистий, а другий суцільний. Чи будуть однакові їх потенціали, якщо кожному з них надати однакові заряди?

  10. Конденсатор підключили до джерела струму і збільшили відстань між його пластинами. Чи зміниться при цьому його ємність, різниця потенціалів між обкладками та енергія?


Задачі: 9.87; 9.102; 9.110; 9.123.

Задачі для самостійного розв’язання на занятті: 9.88; 9.116; 9.121.


Вказівки до розв’язання задач


Для розв’язання задач на дану тему необхідно мати чітке уявлення про фізичний зміст електроємності провідника, знати формули електроємності провідника в загальному випадку та ємності сферичного провідника. Належить знати, що уявляють собою конденсатори, від чого залежить ємність конденсатора, види конденсаторів і формули для розрахунку ємностей плоского, сферичного та циліндричного конденсаторів. При розв’язанні задач на з’єднання конденсаторів в батарею необхідно знати формули обчислення загальної ємності при послідовному й паралельному з’єднанні, а також мати на увазі, що при послідовному з’єднанні весь заряд батареї дорівнює заряду кожного конденсатора, а напруга батареї дорівнює сумі падіння потенціалів на всіх конденсаторах. Корисно пам’ятати, що при послідовному з’єднанні загальна ємність батареї менше мінімальної електроємності конденсаторів, що входять в батарею. При паралельному з’єднанні конденсаторів вони всі заряджені до однакової різниці потенціалів, а загальний заряд батареї дорівнює сумі зарядів всіх конденсаторів. Необхідно звернути увагу на те, що заряджені провідники і конденсатори мають енергію, яку можна виразити формулами, які зв’язують дві з трьох величин: ємність, заряд, різницю потенціалів. Треба знати формулу густини енергії для однорідного та неоднорідного полів.


Приклади розв’язання задач

Задача 1.

Який заряд необхідно надати батареї з трьох конденсаторів з ємностями 1 мкФ, 1 мкФ і 2 мкФ відповідно, які з’єднані за схемою, яку зображено на рис.6, щоб зарядити її до напруги 120 В? Яка напруга буде при цьому на кожному з конденсаторів?

Дано:

C1 = 1 мкФ

C2 = 1 мкФ

C3 = 2 мкФ

U = 120 В

q, U1, U2, U3 - ?




Рис. 6


Розв’язання


Заряд батареї конденсаторів , де C – загальна ємність батареї конденсаторів, яку знайдемо з співвідношення , де – загальна ємність двох паралельно з’єднаних конденсаторів C2 і C3, тобто ми одержали еквівалентну схему (рис. 7) з послідовно з’єднаних конденсаторів C1 і C′.


Знаходимо

,

потім

.




Рис. 7


Обчислимо:

(мкКл)

[q] = [мкФ∙мкФ∙В/мкФ] = [мкКл]

З урахуванням того, що при послідовному з’єднанні заряд батареї дорівнює заряду кожного конденсатора, можемо визначити напругу на конденсаторах C1 і C:

, (q1 = q′ = q).

Напруга на паралельно з’єднаних конденсаторах однакова.

Знаходимо шукані напруги:

(В),

(В),

[U] = [мкКл/мкФ] = [В].

Перевірити правильність знаходження напруги на конденсаторах можна з урахуванням тих обставини, що для послідовного з’єднання напруга на батареї дорівнює сумі напруг на всіх конденсаторах. Дійсно, і 120 В = 90 В + 30 В.

Відповідь: q = 90 мкКл, U1 = 90 B, U2 = U3 = 30 B.


Задача 2.

Кульці радіусом 4 см надано заряд 6,3∙10-7 Кл. Який заряд перейде на кульку радіусом ^ 2 мм, якщо її з’єднати з більшою кулькою?

Дано:

r1 = 4∙10-2 м

r2 = 2∙10-3 м

q = 6.3∙10-7 Кл

q2 - ?


Розв’язання


Оскільки кульки з’єднані провідником, їх потенціали будуть однакові. Запишемо заряди кульок після з’єднання: заряд великої кульки , заряд меншої кульки . Враховуючи , що до з’єднання маленька кулька не була заряджена, то . Підставимо значення q1 і q2 в останню рівність і отримаємо: , звідки . Якщо потенціал маленької кульки відомий, визначимо її заряд за формулою

.

З урахуванням того, що ємність кулі дорівнює ,знайдемо:


і .

Тоді



(Кл)

[q] = [м∙Кл/м] = [Кл]

Відповідь: q2 = 3∙10-8 Кл.


Задача 3.

Конденсатор ємністю 3 мкФ був заряджений до різниці потенціалів 40 В. Після відключення джерела струму конденсатор було з’єднано з конденсатором ємністю 5 мкФ. Яка енергія витрачається на утворення іскри в момент приєднання другого конденсатора?

Дано:

C1 = 3 мкФ

C2 = 5 мкФ

U1 = 40 В

U2 = 0

W - ?

Розв’язання


Енергія ∆W, що витрачається на утворення іскри, дорівнює різниці енергії, яка була в першого конденсатора до з’єднання з другим, і енергії, яку має батарея, зіставлена з першого і другого конденсаторів:

. (1)

Енергія зарядженого конденсатора визначається за формулою


, (2)

де ^ С – ємність конденсатора або батареї конденсаторів, U – різниця потенціалів на обкладках конденсаторів.

Якщо виразити у формулі (1) енергії за формулою (2) і взяти до уваги, що загальна ємність паралельно з’єднаних конденсаторів дорівнює сумі окремих ємностей, то можна отримати

, (3)

де U – різниця потенціалів на затискачах батареї конденсаторів.

Враховуючи ті обставини, що другий конденсатор спочатку не був заряджений, можна твердити, що заряд батареї дорівнює заряду, що був на першому конденсаторі до з’єднання з другим:

.

Напруга на батареї дорівнює:

.

Тоді формула (3) матиме наступний вигляд:



В отриманий вираз підставимо чисельні значення і одержимо:

(Дж),

= [Дж].

Відповідь: == 1,5∙10-3 Дж.

  1   2   3

Схожі:

Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” iconМеханіка” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 “Електротехніка”
Розділ “Механіка” /для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 “Електротехніка”, 0708 “Екологія”,...
Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства математичний вступ до курсу фізики для студентів І курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямом 0708 „Екологія”
Математичний вступ до курсу фізики для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0708 “Екологія” Укл.:...
Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” iconХарківська національна академія міського господарства методичні вказівки до самостійної роботи з вивчення курсу фізики для студентів 1-2 курсів денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямками 0906 “Електротехніка”
Електротехніка”, 0708 “Екологія”, 0921 “Будівництво”, 0922 “Електромеханіка”, 0926 “Водні ресурси”, 1004 “Транспортні технології”,...
Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” iconПрикладна фітоекологія: Методичні рекомендації до практичних занять І самостійної роботи Для студентів 4, 5 курсів денної І заочної форм навчання за напрямами підготовки 0708 „Екологія”
Для студентів 4, 5 курсів денної І заочної форм навчання за напрямами підготовки 0708 „Екологія” І 040106 „Екологія, охорона навколишнього...
Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни харківська національна академія міського господарства методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу загальної фізики розділ "електрика І магнетизм"
Електрика І магнетизм" (для студентів 1 курсу всіх форм навчання напряму підготовки 050701, "Електротехніка та електротехнології",...
Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни харківська національна академія міського господарства методичні вказівки до виконання комп'ютерних лабораторних робіт з курсу загальної фізики розділ "електрика І магнетизм"
Електрика І магнетизм" (для студентів 1 курсу всіх форм навчання напряму підготовки 050701, "Електротехніка та електротехнології",...
Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” iconОсобливості використання підземних вод на урбанізованих територіях” для студентів 5 курсу денної І 6 курсу заочної форм навчання напряму підготовки 0708 – «Екологія»
Особливості використання підземних вод на урбанізованих територіях” (для студентів 5 курсу денної І 6 курсу заочної форм навчання...
Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” iconПрограма таробоча програманавчальної дисциплін и з курсу „автоматизований електропривод” для студентів 4 курсу денної та заочної форм навчання напряму 0906 – „Електротехніка”
...
Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни харківська національна академія міського господарства методичні вказівки до практичних занять з курсу загальної фізики розділ "електрика І магнетизм"
Методичні вказівки до практичних занять з курсу загальної фізики, розділ "Електрика І магнетизм" (для студентів 1 курсу всіх форм...
Електрика І магнетизм” для студентів 1 курсу денної І заочної форм навчання бакалаврів за напрямами 0906 „Електротехніка”, 0708 „Екологія” icon«Цивільна оборона» для студентів 5 курсу денної І заочної форм навчання напрямку підготовки 0708 «Екологія»
«Екологія» спеціальностей 070801, 070801 «Екологія та охорона навколишнього середовища»
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи