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

2039

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
07.01.2021
Размер:
2.73 Mб
Скачать

80

Задание 13. Принцип суперпозиции магнитных полей

1.Ток пропускают по проводнику, изогнутому в виде окружности. Во сколько раз изменится индукция магнитного поля в центре фигуры, образованной проводником, если ей придать форму квадрата?

2.Найти напряжённость магнитного поля в средней точке линии, соединяющей два параллельных длинных прямых проводника,

расстояние между которыми l = 10 мм. Сила тока в проводниках: I1 = 5 А; I2 =10 А. Рассмотреть различные направления тока.

3. Проволочный виток расположен вблизи экватора у поверхности Земли в плоскости магнитного меридиана. При включении тока в витке магнитная стрелка, установленная на вертикальной оси в центре витка, отклонилась на угол 15°. Определить отношение индукции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BЗ

магнитного поля Земли к индукции поля, созданного током,

 

.

BI

 

 

2I

I

 

4. Длинный изолированный прямой провод с

I

 

 

 

R

 

 

 

током I = 3,0 А посередине свёрнут в кольцо

 

 

I

 

 

 

 

радиуса R = 12,6 см (рис. 25). Рассчитать

 

 

 

 

 

 

индукцию магнитного поля в центре кольца.

 

 

 

 

Рис. 25

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Бесконечно длинный проводник с

током I

 

 

 

 

= 5 A согнут под прямым углом (рис. 26). Найти значение

 

 

 

 

N

 

магнитной индукции BM в точке M, лежащей на

 

 

I

 

биссектрисе угла, на расстоянии l = 20 см от его

 

 

*

 

 

вершины.

 

 

 

 

 

I

 

 

 

M*

 

6. Бесконечно длинный прямой провод согнут под

Рис. 26

 

 

 

 

прямым углом (см. рис. 26). Сила тока в проводе I =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в точке

10,0 А. Вычислить модуль вектора магнитной индукции BN

N и указать направление вектора. Точка N находится на биссектрисе угла и удалена от вершины угла на 100 мм.

7. Два одинаковых витка радиусом R = 5 см расположены параллельно настолько близко друг к другу, что их центры практически совпадают. По виткам пропускают токи: I1 = 1 мА; I2 = 2 мА. Найти вектор В результирующего поля в центре витков в случаях, когда токи направлены: а) в одну сторону; б) в противоположные стороны.

I

C

R

Рис. 27

8. Прямой провод с током 1 А на одном из участков переходит в полуокружность радиуса R = 12,6 см (рис. 27). Найти индукцию магнитного поля в центре окружности (точка С).

81

9.Над центром кругового витка параллельно его плоскости на расстоянии d = 3 см от неё проходит длинный прямой провод с током

I2 = 5 А. Сила тока в витке I1 = 3 А, его радиус R = 8 см. Определить значение индукции В результирующего магнитного поля в центре витка и показать на рисунке направление вектора В .

10.Длинный изолированный прямой провод с

током образует

посредине петлю в виде

кольца

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

радиусом 15 см

(рис. 28). Индукция магнитного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поля, созданного током в центре кольца,

равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 28

 

 

 

 

 

50 мкТл. Найти силу тока в проводнике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 14. Сила Лоренца. Сила Ампера.

Момент силы, действующий на контур с током в магнитном поле

1.Короткая катушка радиуса R = 10 см содержит 200 витков провода. По катушке пропускают ток силой I = 4,0 А и помещают в однородное магнитное поле с индукцией B = 10 мТл так, что плоскость катушки составляет угол α = 30° с линиями индукции. Определить магнитный момент катушки, а также момент сил, действующих на катушку со стороны магнитного поля.

2.Протон, имеющий кинетическую энергию К = 1,0 МэВ, влетает в земное магнитное поле (В = 16 мкТл) перпендикулярно силовым линиям. Окружность какого радиуса R опишет протон? Столкновениями с молекулами атмосферного воздуха пренебречь.

3.В однородном магнитном поле с индукцией 1,0 Тл находится короткая катушка из 100 витков радиусом 15 см. Плоскость катушки составляет с направлением вектора В угол 60˚. Какой вращающий момент будет действовать на катушку, если по ней пропустить ток силой 10 А?

4.На двух проводящих тонких нитях в магнитном поле (В = 50 мТл) подвешен горизонтальный провод в виде стержня длиной 20 см и массой 20 г. Силовые линии поля проходят горизонтально под углом 30° к направлению тока в стержне. Сила тока I = 10 А. Найти силы натяжения нитей при различных направлениях тока.

5.Определить скорость электрона, движущегося по винтовой линии радиусом R = 5 см и шагом h = 20 см в однородном магнитном поле. Магнитная индукция поля В = 0,10 мТл.

82

6.Электрон, прошедший в ускоряющем поле между точками с разностью потенциалов 10 кВ, движется в однородном магнитном поле с индукцией 500 мТл. Векторы скорости и магнитной индукции взаимно перпендикулярны. Определить момент импульса электрона.

7.Радиусы круговых траекторий альфа-частиц и протонов в магнитном поле оказались равными. Зная кинетическую энергию протонов (Кр = 1 МэВ), определить энергию альфа-частиц Кα.

8.Заряженная частица, обладающая скоростью 2,0 Мм/c, влетела в однородное магнитное поле с индукцией 0,52 Тл и описала дугу окружности радиусом 4,0 см. Найти отношение заряда частицы к её массе и определить (см. прил. 6), какая это частица.

9.Плоская рамка размером 10×10 см2, образованная проводником с током 10 А, расположена в магнитном поле (В = 0,40 Тл) так, что плоскость рамки перпендикулярна линиям индукции поля. Рамку поворачивают относительно оси, лежащей в плоскости рамки. Сила тока поддерживается постоянной. Найти работу, совершаемую при повороте рамки на 45о.

10.Положительно заряженная частица движется под действием электрического (Е = 200 В/см) и магнитного (В = 1,0 мТл) полей, не отклоняясь от прямолинейной траектории. Силовые линии электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны. Определить скорость частицы (модуль и направление).

Задание 15. Электромагнитная индукция

1. Квадратная рамка площадью S = 500 см², имеющая 100 витков медного провода сечением Sп = 2,0 мм², равномерно вращается с частотой 20 об/c в однородном магнитном поле (В = 0,10 Тл). Определить: 1) максимальное значение ЭДС индукции; 2) силу тока в короткозамкнутой рамке в момент времени, когда магнитный поток через поверхность, ограниченную рамкой, достигает максимума.

2.Квадратная проволочная рамка со стороной 5,0 см и сопротивлением 10 мОм находится в однородном магнитном поле 40 мТл. Нормаль к плоскости рамки составляет угол 30о с линиями магнитной индукции. Какой электрический заряд пройдет по рамке, если индукция магнитного поля уменьшится до нуля?

3.Замкнутый проводник в виде квадрата общей длиной L= 40 см и сопротивлением R = 12 мОм расположен в магнитном поле с

83

индукцией B =1,0 Тл. Силовые линии поля перпендикулярны плоскости контура. Найти электрический заряд q, который переместится через поперечное сечение проводника, если, потянув за противоположные углы квадрата, сложить проводник вдвое.

4.Короткая катушка диаметром 4 см, имеющая 400 витков медного провода сечением 1 мм², находится в однородном магнитном поле, индукция которого убывает со скоростью 0,1 Тл/с. Ось катушки ориентирована вдоль силовых линий поля. Концы катушки замкнуты. Определить количество теплоты, выделяющейся в катушке за 1 с.

5.Замкнутый контур сопротивлением 1 Ом находится в однородном магнитном поле, индукция которого 0,01 Тл. Контур деформируется так, что площадь, ограниченная контуром, равномерно уменьшается от 10 до 2 см² в течение 2 с, а его плоскость при этом остаётся перпендикулярной вектору магнитной индукции. Определить силу индукционного тока в контуре.

6.В однородном магнитном поле с индукцией 0,04 Тл вращается проводящий стержень длиной 10 см. Ось вращения перпендикулярна стержню и проходит через один из концов стержня параллельно линиям индукции. При какой частоте вращения на концах стержня возникает разность потенциалов 2 мВ?

7.Виток площадью 10,0 см² расположен перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, изменяющегося по закону В = 0,5 – 0,1t2, где В – магнитная индукция, Тл; t – время, с. Нарисовать график зависимости ЭДС индукции в витке от времени в интервале от 0 до 10 с.

8.Магнитный поток через поверхность, ограниченную проводящим витком радиуса R = 5,0 см, изменяется с 30 до 10 мВб за 2,0 мс. Найти напряжённость Е вихревого электрического поля в витке.

9.Плоский круговой контур, охватывающий площадь 100 см2, расположен в однородном магнитном поле c индукцией 0,2 Тл перпендикулярно силовым линиям. Найти среднее значение ЭДС индукции, возникающей в контуре, если в течение 0,1 с контур перегнуть по диаметру так, что половина плоскости контура станет параллельной силовым линиям поля.

10.Магнитная индукция в зазоре электромагнита, где размещён плоский контур площадью 5 см², меняется по закону: В = 0,01cos2πt, где В – индукция, Тл; t – время, с. Оценить среднее значение ЭДС индукции в контуре в промежутке времени от 0 до 0,25 с.

84

Задание 15. Индуктивность. Энергия магнитного поля

1. При какой силе тока в прямолинейном проводе бесконечной длины на расстоянии r = 50 мм от него объёмная плотность энергии магнитного поля будет равна 2,0 мДж/м3? Если провод согнуть под прямым углом, то какой ток нужно пропустить, чтобы плотность энергии в точке, расположенной на том же расстоянии = r от обеих ветвей проводника, осталась той же?

2.Соленоид имеет длину 60 см и сечение 10 см². При некоторой силе тока, протекающей по обмотке, в соленоиде создается магнитный поток 100 мкВб. Вычислить энергию магнитного поля соленоида.

3.Сила тока в соленоиде, подключаемом к источнику постоянного тока, возрастает от нуля до 10 А за 20 мкс. При этом создаётся ЭДС самоиндукции, среднее значение которой 150 В. Какова индуктивность соленоида?

4.Определить число витков катушки индуктивностью 0,50 мГн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Катушка намотана в один слой на немагнитный

 

I

 

каркас длиной 60 см и диаметром 2,0 см.

 

мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Зависимость

силы тока

в катушке

индуктив-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ностью 0,2 Гн

показана на

диаграмме

(рис. 29).

40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определить ЭДС, индуцируемую в катушке.

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Ток, протекающий через катушку индуктивности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L = 0,02 Гн, изменяется по закону I = 0,5sin314t, где

0

 

 

 

5

 

 

 

10 t, мc

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 29

I – сила тока, А; t – время, с. Построить график

зависимости ЭДС индукции (t), возникающей в катушке, от времени

винтервале 0 ≤ t ≤ 0,02 с.

7.Индукция магнитного поля внутри соленоида при силе тока в обмотке I = 2 А составляет В = 10 мТл. площадь сечения соленоида

S = 5 см²; число витков катушки N = 1200 витков. Какова индуктивность соленоида?

8. Сила тока в катушке индуктивностью 0,25 Гн изменяется по закону I = 2,0 – 40t2, где I – сила тока, А; t – время, с. Изобразить графически зависимость ЭДС самоиндукции в катушке от времени и оценить среднее значение ЭДС в интервале от 0 до 0,2 с.

9. Обмотка из 500 витков тонкого провода имеет вид кольца радиусом 20 см. Сила в проводнике равна 1 А. Оценить объёмную плотность энергии магнитного поля в центре кольца.

85

10. Короткая катушка с током 1 А растягивается в спираль так, что индуктивность равномерно уменьшается от 10 до 2 мГн в течение 0,5 с. Определить ЭДС самоиндукции в катушке, считая, что сила тока в катушке поддерживается постоянной.

3. Колебания и волны

Кинематика гармонических колебаний

Пример 1. Уравнение движения материальной точки имеет

вид х = 4 sin(10πt), где х – смещение точки, см; t – время, с. Найти моменты времени, ближайшие к началу отсчёта, но не равные нулю, в которые достигаются максимальные значения модуля скорости и модуля ускорения. Показать соответствующие точки на графиках υx(t) и ax(t).

t*=? t**=?

Решение. Дифференцируя уравнение х(t), найдём

υ(t)=? а(t)=? скорость и ускорение:

υx, ax

 

υx(t) ax(t)

А = 4·10-2 м

 

dxx

 

 

 

t**Т

ω = 10π c

-1

υx =

= 0,4 π cos(10 πt );

 

 

 

dt

 

 

 

φ0 = 0

 

 

 

 

 

0 A B C D

υ* = υm

 

ax =

d υx

=4 π

2

sin (10 π t ),

a** = am

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где υх – проекция скорости данной точки на ось

 

t* T

Х, м/с; t – время, с; ах – проекция ускорения на

 

Рис. 30

ось Х, м/с2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 30 сплошной линией показан график скорости

υx (t), а

штриховой линией – график ускорения аx (t).

Экстремумы функции

υx (t) достигаются в те моменты времени, когда косинус приобретает наибольшие по модулю значения:

cos(10 πt )=±1 => 10π t n π => t = ± 0,1n, где t – время, с; n – целое число, n = 0, 1, 2, … .

Отбрасывая отрицательные значения t и учитывая, что t* ≠ 0 (по условию), получаем t = 0,1 c; 0,2 с; 0,3 с; … . Моменты времени, когда модуль скорости достигает максимума, следуют с интервалом 0,1 с.

По известной из условия угловой частоте ω = 10π с-1 найдём период колебаний T = 2ωπ , Т = 0,2 с. Сравнивая с полученными

значениями времени t, видим, что максимумы модуля скорости следуют через половину периода.

86

На оси t диаграммы (рис. 30) отмечен ближайший к началу отсчёта момент времени, когда модуль скорости |υх| достигает максимума, t* = 0,1 с, то есть t* = ½T .

Аналогично находим, что максимумы величины |ах| достигаются также через половину периода, в те моменты времени, когда выполняется условие

sin(10 πt ) =±1 => 10 π t = (2 n+1)π/2 ,

где t – время, с; n = 0, 1, 2, … .

t = (2 n +1)/20; t = 0,05; 0,15; 0,25; … с.

Ближайший к началу отсчёта момент времени t**, когда модуль ускорения достигает максимума, t** = 0,05 с, или t** = ¼T.

Пример 2. Колебания

в

контуре совершаются по закону

u = 50∙cos104πt, где

u

– напряжение на обкладках кон-

денсатора колебательного контура, В; t – время, с. Электроёмкость конденсатора С = 0,10 мкФ. Найти закон изменения силы тока в цепи i(t) и амплитуду силы тока.

i(t) =? I

m=?

Решение. По определению электроёмкость конден-

сатора равна отношению заряда q к напряжению u на

Um = 50 В

ω = π·104 c-1

его обкладках: С =

q

=> q = C u .

 

φ0 = 0

 

u

С = 0,10·10-6 Ф

Заряд конденсатора изменяется по закону

 

 

q =C U m cosω t , или q = 0,10 106 50cos104 π t , где q – заряд, Кл; Um – амплитуда напряжения, В; t – время, с.

Сила тока в контуре равна производной заряда по времени:

i = dq ;

i =−5 106 104 π sin 104 πt ,

dt

 

где i – сила тока, А; t – время, с.

Ток достигает наибольшей (по модулю) силы, когда значение синуса равно ±1. Анализируя полученную функцию i(t), находим амплитудное значение силы тока I m= 0,05π A = 0,16 A.

Ответы. Закон изменения силы тока

i =−0,05π sin104 πt , где i – сила тока, А; t – время, с.

Амплитуда силы тока Im = 0,16 A.

87

Сложение колебаний

Пример 3. На вход Y осциллографа подано электрическое нап-

ряжение uy = 3cos10πt, а на вход X – ux = 4cos(10πt + π/2), где uy и ux напряжения, В; t – время, с. Смещения электронного луча на экране: у = kyuy и х = kxux, где у и х – отклонения луча по вертикали и по горизонтали, см; ky = kx. = 2 см/В – кооэффициенты пропорциональности между напряжением и смещением луча. Зарисовать траекторию луча с соблюдением масштаба.

Решение. Запишем уравнения колебаний луча в виде

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

π

x

 

 

π

 

 

 

 

 

 

2 3 = sin(10 π t + 2 );

2 4

=cos(10 π t

+ 2 ).

 

 

 

 

Возведём оба уравнения в квадрат и сложим их:

 

 

 

 

 

 

y2

+ x2

=sin2 (10π t +

π )+cos2

(10πt +

π ).

 

 

 

 

 

 

62

82

 

 

 

2

 

 

2

 

y

 

 

 

В результате получим уравнение эллипса

 

 

 

 

 

 

 

y

2

+ x

2

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

=1,

 

 

 

 

 

4-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-

 

 

 

полуоси

 

62

 

82

вертикали

и

8

6

4

2

2

4

6

которого

 

 

по

по

 

 

–2-

 

 

 

горизонтали равны 6 и 8 см, соответственно.

 

 

–4-

 

 

 

 

 

–6-

 

 

 

Траектория луча показана на рис. 31.

 

 

 

Рис. 31

 

 

Пример 4. Складываются два гармонических колебания

одного направления с одинаковыми периодами. Амплитуды колебаний: А1 = 2,0 см и А2 = 3,0 см; начальные фазы φ01= π/2 и φ02= π/3. Определить амплитуду и начальную фазу результирующего колебания. Записать его уравнение и построить векторную диаграмму амплитуд.

A =?

φ0

=? ω=?

 

Первый способ решения (аналитический).

А1

= А2 = 0,02 м

Для вычисления амплитуды и начальной фазы

Т1

= Т2

результирующего колебания используем формулы,

φ01= π/2 рад

приведённые на с. 27 :

φ02

= π/3 рад

A2= A12 + A22 + 2 A1 A2 cos(φ02φ01) и

 

 

 

 

 

tgφ0= A1 sin φ01 + A2 sin φ02 .

A1 cosφ01 + A2 cosφ02 Подставляя числовые значения, получим

A2= 2,02 +3,02 + 2 2,0 3,0 cos(π/2−π/3); A= 4,8 см.

88

tgφ0=

2 1 +3 0,866

=

3,07;

φ0 = 72

o

= 1,3 рад.

 

 

 

0 +3 0,5

 

 

 

 

 

 

Второй способ

решения

(графический). В прямоугольной

системе X0Y с помощью линейки и транспортира строим векторную диаграмму (рис. 32). Из начала координат под углом 90° к оси Х

проведём вектор A1 – направленный отрезок, длина которого в выбранном масштабе соответствует модулю вектора. Из той же точки

y

 

 

 

 

в том же масштабе строим вектор

 

под углом 60° к

 

 

 

A

 

 

 

A2

 

 

 

 

 

 

 

оси Х. Складывая векторы по правилу параллело-

 

 

 

 

 

 

грамма, получаем вектор амплитуды A результи-

A1

 

 

φ

 

 

рующего колебания. Модуль вектора

A равен длине

 

 

 

A2

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

диагонали с учётом масштаба. Измерив угол между

 

 

 

φ02

 

 

 

 

φ

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

01

 

 

вектором A и осью Х, найдём начальную фазу φ0

 

 

Рис. 32

 

 

результирующего колебания.

 

 

Гармонические осцилляторы

Пример 5. Однородный диск радиуса R подвешивают двумя

различными способами. В первом случае ось, относительно которой могут совершаться колебания, проходит через образующую диска перпендикулярно его плоской поверхности; во втором – параллельно оси симметрии диска на расстоянии R/2 от неё. Доказать, что периоды колебаний физического

маятника, получаемого такими способами, одинаковы в том и другом случае.

 

Т

2/Т1= ?

Решение. Период физического маятника T =2 π

 

 

J

,

 

d2

mgd

 

= R/2

 

 

 

d1

= R

где J – момент инерции тела относительно оси, проходящей

г

 

через точку подвеса; m – масса тела; g – ускорение свободного падения; d – расcтояние от точки подвеса до центра тяжести. По

теореме Штейнера J =J C + md2 , где JC = ½ mR2 – момент инерции

диска относительно оси, проходящей через центр тяжести перпендикулярно плоскости диска. Таким образом, период колебаний исследуемого маятника

T =2 π ½ mR2 + md 2 . mgd

89

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]