Скачати 445.31 Kb.
|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені михайла остроградського ![]() НАВЧАЛЬНО-МЕТОДИЧНІ МАТЕРІАЛИ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ СТУДЕНТІВ денної форми навчання за напрямом6.050201 – “системна інженерія” ЩОДО підготовкИ до модульного контролю з НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ "ФІЗИКА" (Розділи "ОСНОВИ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ","ФІЗИКА КОЛИВАНЬ І ХВИЛЬ")Кременчук 2011 Навчально-методичні матеріали для самостійної роботи студентів денної форми навчання за напрямом 6.050201 – "Системна інженерія" щодо підготовки до модульного контролю з навчальної дисципліни "Фізика" (розділи "Основи електродинаміки", "Фізика коливань і хвиль") ^ Затверджено методичною радою КНУ імені Михайла Остроградського Протокол №___ від ___ _________ 2011 р. Заступник голови методичної ради __________________ доц. С.А. СергієнкоЗМІСТ
ВСТУП З метою забезпечення основ теоретичної підготовки майбутніх бакалаврів за напрямом "Системна інженерія" для вивчення спеціальних профілюючих дисциплін їм викладається дисципліна "Фізика". Завданнями вивчення курсу фізики є засвоєння основних фізичних явищ і законів класичної фізики і сучасної фізики, засвоєння методів фізичних досліджень, ознайомлення із науковою апаратурою, формування навичок проведення експериментальних досліджень різних фізичних явищ, уміння оцінювати достовірність результатів, отриманих за допомогою експериментальних і математичних методів дослідження, а також формування у студентів основ теоретичної підготовки для оволодіння прийомами і методами розв’язання конкретних задач із різних розділів фізики. Разом із математикою, технічною механікою, комп'ютерною технікою та іншими дисциплінами фізика складає основу фундаментальної підготовки інженерів. Мета даного видання – надати допомогу студентам у самостійній роботі при вивченні розділів курсу фізики "Основи електродинаміки" та "Коливання та хвилі". У ньому подано програми цих розділів, розподіл їх на окремі модулі, основні формули, приклади розв’язання типових задач, табличні дані, список навчальної літератури. Ці матеріали, насамперед, допоможуть студенту самостійно виконати індивідуальне завдання (розрахункову роботу), яке видає йому викладач у процесі підготовки до модульного контролю з відповідних розділів курсу фізики. ^ ПРОГРАМА РОЗДІЛУ 3.1 Електростатичне поле у вакуумі Два види електричних зарядів. Закон збереження заряду. Закон Кулона. Електростатичне поле нерухомих зарядів. Напруженість поля. Силові лінії. Поле точкового заряду. Принцип суперпозиції. Потенціал електростатичного поля. Напруженість як градієнт потенціалу. Еквіпотенціальні поверхні. Потік вектора напруженості через поверхню. Теорема Гауса. Застосування її для розрахунку полів, створених різними конфігураціями зарядів. Циркуляція вектора напруженності електростатичного поля. Рух заряджених частинок в електростатичному полі. ^ Полярні й неполярні молекули діелектриків. Види поляризації діелектриків. Поляризованість діелектрика. Електричне зміщення. Теорема Гаусса для поля в діелектрику. Умови на межі двох діелектриків. Сегнетоелектрики. Електричний гістерезис. П'єзоелектричний ефект і його застосування. Провідники в електростатичному полі, електростатичне екранування. Електрична ємність. Конденсатори. Енергія взаємодії електричних зарядів. Енергія конденсатора. Об'ємна густина енергії електричного поля. 3.3 Закони постійного електричного струму Сила і густина струму. Сторонні сили. Е.Р.С. джерела струму. Основи класичної теорії електропровідності металів. Закон Ома для ділянки і для повного кола. Робота і потужність струму. Закон Джоуля-Ленца. Правила Кірхгофа. ^ Робота виходу електрона з металу. Емісійні явища. Термоелектронна емісія. Електронна вакуумна лампа – діод. Застосування емісійних явищ. Електричний струм у газах. Несамостійний і самостійний газові розряди. Типи самостійного розряду: тліючий, іскровий, дуговий, коронний. Поняття про плазму. ^ Дія магнітного поля на заряди, що рухаються, і провідники із струмом. Контур із струмом у магнітному полі, його магнітний момент. Вектор магнітної індукції – силова характеристика магнітного поля. Закон Ампера. Магнітна стала, напруженість магнітного поля. Закон Біо-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиції для вектора магнітної індукції. Магнітне поле прямого струму, кругового струму і соленоїда. Взаємодія паралельних струмів. Одиниця сили струму – 1 Ампер. Магнітне поле заряду, що рухається. Дія магнітного поля на заряд, що рухається, сила Лоренца. Рух заряджених частинок у магнітному полі. Ефект Холла. Прискорювачі заряджених частинок. Мас-спектрометри. Потік вектора магнітної індукції, терема Гауса для вектора В. Циркуляція вектора магнітної індукції у вакуумі. Закон повного струму. Робота під час переміщення провідника і контура із струмом у магнітному полі. ^ Магнітні моменти електронів і атомів. Гіромагнітне відношення. Гіпотеза Ампера про атомарні мікроструми. Діамагнітні й парамагнітні речовини в зовнішньому магнітному полі. Намагнічування речовини. Намагніченість, магнітна сприйнятливість і магнітна проникність. Доменна структура феромагнетиків. Явище магнітного гістерезису. Умови на межі двох магнетиків. ^ Явище електромагнітної індукції. Закон Фарадея для Е.Р.С. індукції. Вихрове електричне поле. Явище самоіндукції. Індуктивність контуру. Індуктивність соленоїда. Екстраструми під час замиканні і розмикання кола. Струми Фуко, скін-ефект. Явище взаємоіндукції. Трансформатори. Магнітна енергія струму. Об'ємна густина енергії магнітного поля. ^
![]() де F – сила взаємодії точкових зарядів q1, q2, r – відстань між зарядами, – діелектрична проникність середовища, о – електрична стала,
![]()
![]() де ![]()
![]() де ![]()
![]()
![]()
= 1 + 2 +…., де i – потенціал поля, який створюється у даній точці кожним зарядом окремо.
A12=q(1 – 2) = qU12, де U12 = 1 – 2 – різниця потенціалів.
![]() ![]()
![]() де 1 – 2 – різниця потенціалів між точками 1 і 2, які знаходяться на відстані d вздовж лінії напруженості електричного поля.
![]() де q – заряд позитивної обкладинки, U – різниця потенціалів між двома обкладинками конденсатора.
![]() де S – площа обкладинки, d – відстань між пластинами.
С0 = С1 + С2 +….
![]()
![]()
![]()
![]() де q – заряд, який пройшов через поперечний переріз провідника за час t.
![]() де S – площа поперечного перерізу провідника.
![]() де R – опір ділянки кола, U – напруга на цій ділянці.
![]() де – ЕРС джерела струму, R – опір зовнішньої ділянки кола, r – внутрішній опір джерела.
![]() де – питомий опір провідника.
![]() де ![]() ![]()
R0 = R1 + R2 +…
![]()
![]() де = 1/ – питома провідність провідника.
I1 + I2 + … = 0 (1); I1 R1 + I2 R2 + …= 1 + 2 + … (2), де I1 + I2 +…– алгебраїчна сума струмів, які зходяться у вузлі, I1 R1 + I R2+… – алгебраїчна сума спадань напруг у довільному замкненому колі, 1 + 2 + …– алгебраїчна сума ЕРС у відповідному замкненому колі.
A=U I t.
P = UI.
Q = I2Rt, де Q – кількість теплоти, яка виділяється у провіднику опором R за час t.
P = I2R.
![]() де о – магнітна стала, – магнітна проникність середовища.
![]()
![]() ![]() .
![]()
![]() де п = N / l – густина намотки (відношення числа витків соленоїда до його довжини).
![]()
![]() де l – довжина провідника, – кут між напрямом вектора магнітної індукції і напрямом струму.
![]() де ![]()
![]() де – кут між векторами ![]() ![]()
![]() де q – модуль заряду частинки, – її швидкість, – кут напрямом вектора магнітної індукції і напрямком швидкості.
Ф = ВS Cos, де – кут між вектором ![]()
Ф ![]() де Вп =ВCos.
= NФ.
![]() ![]()
![]() де V = Sl – об’єм соленоїда.
і ![]() ![]()
s ![]()
і = ВlSin. де l – довжина провідника, – його швидкість, – кут між вектором магнітної індукції і напрямом руху провідника.
А = ІФ.
![]()
![]() ^ Розв’язання задач з електромагнетизму потребує від студентів уміння правильно застосувати закони і формули цього розділу фізики для фізичних величин, які потрібно знайти у даній задачі. Приблизний алгоритм розв’язання цих задач такий:
^ Електростатика №1. Два заряди q1 = 1 нКл і q2 = 3 нКл розміщені у вакуумі на відстані а = 20 см. Знайти силу, яка діє на третій заряд q3 = –2 нКл, розташований в точці посередині між ними. Д ![]() ![]() q1= 1 нКл = 10-9 Кл q2= 3 нКл = 310-9 Кл q3= -2 нКл = -210-9 Кл a= 20 см = 0,1 м Згідно із законом Кулона заряди протилежного знака ![]() F - ? сила, що діє на 3-й заряд з боку 1-го і 2-го дорівнює: ![]() Знаходимо сили із закону Кулона: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() №2. Електрон, який рухається зі швидкістю 1000 км/с, влетів в однорідне електричне поле у напрямку силових ліній. Яку відстань пролетить електрон до повної зупинки, якщо напруженість поля 120 В/м? Д ![]() ано: ![]() = 0 Е = 120 В/м qе = -e = –1,610-19 Кл mе = 9,110-31 кг На електрон в електричному полі, який рухається у S -? t -? напрямку силових ліній, діє гальмуюча сила, оскільки заряд електрона негативний: F = e E. За другим законом Ньютона: ![]() Шлях, який проходить електрон за час t, дорівнює: ![]() Швидкість електрона через час t: = о – a t і в момент зупинки дорівнює нулю: = 0. Звідси отримуємо систему рівнянь: ![]() Розв’язуючи цю систему рівнянь, з 3-го, 4-го і 5-го рівнянь отримуємо: ![]() ![]() Підставляючи у ці формули a = eE/m, одержимо: ![]() ![]() Обчислюємо: ![]() ![]() №3. Електрон пролетів у електричному полі від точки а до точки b і збільшив свою швидкість від 1000 км/с до 3000 км/с. Визначити різницю потенціалів між точками а і b. Д ![]() ![]() a = 1000 км/с = 106 м/с b = 3000 км/с = 3106 м/с qе = -e = –1,610-19 Кл mе = 9,110-31 кг Згідно з теоремою про зміну кінетичної енергії Uab-? робота, яка виконується електричним полем над електроном, йде на зміну його кінетичної енергії: Wb – Wa = Aab. Отже, враховуючи, що заряд електрона негативний qe= -e i а – b = Uab, отримуємо: ![]() ![]() Обчислюємо відповідь: ![]() Оскільки електрон має негативний заряд, різниця потенціалів між точками а і b від’ємна (швидкість електрона збільшується під час його руху в бік зростання потенціалу). №4. Напруга на зарядженому конденсаторі ємністю 1 мкФ дорівнює 20 В, а на конденсаторі ємністю 2 мкФ, відповідно 50 В. Після зарядження конденсатори з’єднано однойменними полюсами. Знайти напругу на конденсаторах після їх з’єднання. Д ![]() ![]() С1 = 1 мкФ = 110-6 мкФ С2 = 2 мкФ = 210-6 мкФ U1 = 20 B U2 = 50 B U - ? Заряди конденсаторів до з’єднання q1 = C1U1 і q2 = C2U2. За законом збереження заряду загальний заряд на обкладках конденсаторів після їх з’єднання: q =q1+q2. Загальна ємність конденсаторів після їхнього з’єднання: С = С1 + С2. Звідси, шукана напруга на обкладинках після з’єднання: ![]() ![]() Обчислюємо відповідь: ![]() Закони постійного електричного струму №5. Визначити струм короткого замикання джерела ЕРС, якщо при зовнішньому навантаженні 1 Ом напруга на затискачах джерела 20 В, а при зовнішньому навантаженні 2 Ом – 50 В. Д ![]() R ![]() R2 = 2 Ом U1 = 20 B U2 = 50 B Ікз - ? Згідно із законом Ома для повного кола струм у колі в першому випадку: ![]() ![]() де – ЕРС джерела, r – його внутрішній опір. Або: ![]() Струм у навантаженні можна також визначити згідно із законом Ома для ділянки кола: ![]() ![]() ![]() Звідси: ![]() ![]() ![]() Підставляючи дані задачі, обчислюємо: ![]() №6. Електричне коло складається з джерела ЕРС і трьох опорів: R1 = 3 Ом, R2 =6 Ом, R3 = 2 Ом. Знайти потужність, що виділяється у зовнішньому колі, якщо ЕРС джерела = 9 В, його внутрішній опір r = 0,5 Ом. Д ![]() ![]() R1 = 3 Ом R2 = 6 Ом R3 = 2 Ом = 9 B r = 0,5 Ом Р - ? Опір розгалуженої частини кола знайдемо із формули: ![]() ![]() ![]() ![]() Тепер, використовуючи закон Джоуля-Ленца, одержимо: ![]() ![]() ![]() |
![]() | Положення про нагородження нагрудним знаком "А. С. Макаренко" Міністерства освіти І науки України Міністерству освіти І науки України Міністерство освіти І науки Автономної Республіки Крим, управління освіти І науки обласних, Київської... | ![]() | Положення про нагородження нагрудним знаком "Василь Сухомлинський" Міністерства освіти І науки України Міністерству освіти І науки України Міністерство освіти І науки Автономної Республіки Крим, управління освіти І науки обласних, Київської... |
![]() | Положення про нагородження нагрудним знаком "Софія Русова" Міністерства освіти І науки України Міністерству освіти І науки України Міністерство освіти І науки Автономної Республіки Крим, управління освіти І науки обласних, Київської... | ![]() | Рішення про нагородження Нагрудним знаком ухвалюється Колегією Міністерства освіти І науки України, затверджується наказом Міністра І публікується в газеті "Освіта України" Міністерству освіти І науки України Міністерство освіти І науки Автономної Республіки Крим, управління освіти І науки обласних, Київської... |
![]() | Рішення про нагородження Нагрудним знаком ухвалюється Колегією Міністерства освіти І науки України, затверджується наказом Міністра І публікується в газеті "Освіта України" Міністерству освіти І науки України Міністерство освіти І науки Автономної Республіки Крим, управління освіти І науки обласних, Київської... | ![]() | Рішення про нагородження Нагрудним знаком ухвалюється Колегією Міністерства освіти І науки України, затверджується наказом Міністра І публікується в газеті "Освіта України" Міністерству освіти І науки України Міністерство освіти І науки Автономної Республіки Крим, управління освіти І науки обласних, Київської... |
![]() | Міністерство освіти І науки україни 01135, м. Київ, проспект Перемоги Міністерства освіти і науки України від 17. 04. 2009 року №341 «Про затвердження Плану дій щодо вдосконалення викладання дисципліни... | ![]() | Положення про нагородження нагрудним знаком "Петро Могила" Міністерства освіти І науки України Міністерство освіти І науки Автономної Республіки Крим, управління освіти І науки обласних, Київської І севастопольської міських... |
![]() | Міністерство освіти І науки україни пр. Перемоги Міністерство освіти і науки Автономної Республіки Крим, управління (департаменти) освіти і науки обласних, Київської і Севастопольської... | ![]() | Міністерство освіти І науки україни пр. Перемоги Міністерство освіти і науки, молоді та спорту Автономної Республіки Крим, управління (департаменти) освіти і науки обласних, Київської... |
![]() | Міністерство освіти І науки україни пр. Перемоги Міністерство освіти і науки, молоді та спорту Автономної Республіки Крим, управління (департаменти) освіти і науки обласних, Київської... |