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

Методические указания РГЗ №4

.pdf
Скачиваний:
50
Добавлен:
07.03.2015
Размер:
859.75 Кб
Скачать

Решения на сайте matematik-master.ru

Заказ работы zakaz@matematik-master.ru

Стоимость 1 задачи от 40 рублей (по состоянию на январь 2012)

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина"

Кафедра физики

Электромагнетизм Расчѐтно-графическое задание IV

2006

1

Решения на сайте matematik-master.ru

Заказ работы zakaz@matematik-master.ru

Стоимость 1 задачи от 40 рублей (по состоянию на январь 2012)

Составители: В.Х.КОСТЮК Е.Г.РОЗИН ДЕМЬЯНЦЕВА Н.Г.

Редактор: кафедра физики Настоящие задания предназначены для самостоятельной работы

студентов дневной формы обучения и заочного факультета ИГЭУ по теме "Электромагнетизм".

Составлены на основе опыта работы кафедры физики по системе РИТМ

Утверждены цикловой методической комиссией ИФФ

Рецензент кафедра физики ГОУВПО "Ивановский государственный

энергетический университета имени В.И. Ленина"

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Расчѐтно-графическое задание IV

Методические указания

Составители: КОСТЮК ВЛАДИМИР ХАРИТОНОВИЧ РОЗИН ЕВГЕНИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ ДЕМЬЯНЦЕВА НАТАЛЬЯ ГРИГОРЬЕВНА

Редактор Т.В. Соловьева Лицензия ИД № 05285 от 4 июля 2001г. Подписано в печать

2

Решения на сайте matematik-master.ru

Заказ работы zakaz@matematik-master.ru

Стоимость 1 задачи от 40 рублей (по состоянию на январь 2012)

Программа по общему курсу Физики

Раздел "Электромагнетизм". Постоянное магнитное поле

Сила Лоренца. Вектор индукции магнитного поля как силовая характеристика магнитного поля. Силовые линии магнитного поля. Понятие о магнитном потоке. Движение заряженных частиц в постоянном магнитном поле. Эффект Холла. Сила Ампера. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент контурного тока. Момент сил, действующий на контур с током в магнитном поле. Работа момента силы. Энергия контура с током во внешнем магнитном поле и природа этой энергии. Работа по перемещению провода с током в магнитном поле. Закон Био-Саввара-Лапласа. Принцип суперпозиции для вектора индукции магнитного поля. Магнитное поле прямолинейного тока и на оси кругового тока. Взаимодействие параллельных токов. Теорема о циркуляции вектора индукции магнитного поля. Магнитное поле соленоида и тороида. Вещество в магнитном поле. Намагничивание вещества. Вектор намагничивания. Классификация магнетиков. Понятие о связанных токах. Связь между поверхностной плотностью связанных токов и вектором намагничивания. Теорема о циркуляции вектора индукции магнитного поля в магнетике. Вектор напряжѐнности магнитного поля и его связь с вектором намагничивания. Магнитная восприимчивость вещества и его связь с магнитной проницаемостью. Связь вектора индукции магнитного поля с вектором напряжѐнности для однородного изотропного вещества Природа ферромагнетизма, диа- и парамагнетизма. Теорема о магнитном потоке. Свойства магнитных потоков. Граничные условия на поверхности раздела магнетиков.

Электромагнетизм.

Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца. Механизм возникновения ЭДС индукции. Природа сторонних сил. Вихревое электрическое поле. Физические основы получения переменного тока. Явление самоиндукции. Понятие индуктивности проводников. Индуктивность соленоида. Переходные процессы в цепях, содержащих индуктивность. Энергия магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля. Явление взаимной индукции. Коэффициент взаимной индукции. Взаимная индукция двух катушек с общим сердечником. Трансформаторы. Явление магнитоэлектрической индукции. Токи смещения. Плотность токов смещения. Теорема полного тока. Система уравнений Максвелла в интегральной форме.

3

 

 

 

 

Решения на сайте matematik-master.ru

 

 

 

 

 

 

Заказ работы zakaz@matematik-master.ru

 

 

 

 

Стоимость 1 задачи от 40 рублей (по состоянию на январь 2012)

 

 

 

1. ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

 

 

 

В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ

 

 

Сила, действующая на точечный заряд Q в электрическом поле:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F QE ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

напряженность электрического поля.

 

 

 

 

где E

 

 

 

 

 

Работа сил электрического поля по перемещению точечного

заряда Q:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А = Q ( 1 - 2) = Q ,

 

 

 

 

 

 

 

где 1

и 2 потенциалы электрического поля в начальной и конечной

точках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Потенциальная энергия взаимодействия двух точечных зарядов:

W k Q1Q2

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где k = 9 109 м/Ф, r расстояние между зарядами.

 

 

 

 

 

Сила, действующая на точечный заряд Q, движущийся в магнит-

ном поле (сила Лоренца):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fлор Q B ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

индукция магнитного по-

где скорость заряженной частицы, B

ля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Модуль силы Лоренца

 

 

 

 

 

 

 

Fлор= Q B sin ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где угол между вектором скорости и вектором магнитной индук-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ции, причем Fлор

и Fлор B .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

 

 

 

 

 

Задача

1.

Протон,

ускоренный

разностью

потенциалов

 

у

 

 

 

 

 

 

= 100 В, влетает в пло-

 

 

 

 

 

 

 

ский

воздушный конден-

 

 

 

Fэл

 

y

 

 

сатор

параллельно

его

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

пластинам. Длина пластин

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

Q

 

 

y

x

конденсатора

L = 0,2 м,

 

 

 

 

расстояние

между

ними

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

d = 0,05 м. Найти: 1)

сме-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

щение при вылете из кон-

 

 

 

Рис.1-а

 

 

 

 

 

 

 

денсатора

относительно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

первоначального

направ-

ления y; 2)

скорость протона при вылете . Напряжение на конденса-

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

Решения на сайте matematik-master.ru

Заказ работы zakaz@matematik-master.ru

Стоимость 1 задачи от 40 рублей (по состоянию на январь 2012)

торе U = 20 В. Масса протона m = 1,67 10-27 кг, заряд протона

Q = 1,6 10 19 Кл.

Решение.

Рассмотрим движение протона до влета в конденсатор. По теореме о кинетической энергии работа сил электростатического поля:

 

m

2

 

m

н

2

 

A эл

 

0

 

 

 

,

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

где н, 0 начальная и конечная скорости протона в ускоряющем электрическом поле (по условию задачи н = 0).

С другой стороны, она равна Аэл = Q ,

где = ускоряющая разность потенциалов.

Тогда Q m 0 2 . Следовательно, начальная скорость протона

2

при влете в конденсатор

0 2Q . m

Внутри конденсатора на протон действует сила электрического

поля Fэл QE .

Электрическое поле заряженного конденсатора однородное, поэтому напряженность поля равна E=U/d.

Выберем систему координат хоy, как показано на рисунке 1-а. По второму закону Ньютона

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F ma или QE ma .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В проекции на ось оy: QE = ma, т.е.

ускорение протона равно

а = QЕ/m = QU/(md).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Координаты протона в момент времени t равны:

 

 

 

 

 

 

x = 0t – смещение вдоль оси ox;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = at2/2 - смещение вдоль оси оy.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По истечении времени пролета протоном

конденсатора x = L,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = y. Время движения в конденсаторе равно t

L

L

 

 

m

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

2Q

 

Смешение при вылете y

UL2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = 20 0,22/(4 0,05 100) = 0,04 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость протона в момент вылета

 

 

x

2

2

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

Решения на сайте matematik-master.ru

 

 

 

 

 

 

Заказ работы zakaz@matematik-master.ru

 

 

Стоимость 1 задачи от 40 рублей (по состоянию на январь 2012)

где х = 0,

y

UL

 

Q

. Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

d

2m

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

U

2 L2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

2d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1,6 10 19

 

 

 

 

20

2 0.22

 

 

 

 

 

 

27

2 100

 

 

2

 

 

= 1,4 105 м/с.

 

 

 

1,67 10

 

 

 

 

2 0.05

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: y = 0,04 м, = 1,4 105 м/с.

 

 

 

 

 

Задача 2. Из состояния покоя электрон движется по направлению

 

 

h

 

 

 

 

 

 

 

к центру равномерно заряженного шара

 

 

 

 

 

 

 

 

 

радиусом R = 0,1 м, с зарядом Q = 2 НКл.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

Рис. 1-б

 

 

R

 

Начальное расстояние электрона до по-

 

 

 

 

верхности шара h = 2,9 м.

Найти ско-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рость электрона, с которой он прибли-

зится

к

 

поверхности

шара.

Удельный

заряд

электрона

Q1/m = 1,76 1011 Кл/кг.

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По закону сохранения энергии

 

 

 

Wn1 = Wn2 + Wк ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

Wn1

k

Q1Q

,

Wn2

k

Q1Q

начальная и конечная потенциаль-

R h

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ные энергии электорона в электричесом поле заряда Q; Wk = m 2/2 –

кинетическая энергия электрона у поверхности шара, Q1 = -1,6 10-19 Кл

–заряд электрона, m = 9,1 10-31 кг – масса электрона.

 

 

 

Найдем скорость электрона у поверхности шара

 

 

 

Q1

2kQ

( h)

 

.

 

 

 

 

m

 

(R h)R

= 1,76 1011 2 9 109 2 ( 0,9) = 7,6 106 м/с.

(0,1 0,9) 0,1

Ответ: = 7,6 106 м/с.

Задача 3. Протон движется в однородном магнитном поле с ин-

дукцией В = 0,2 Тл. Траектория его движения винтовая линия с радиусом R = 0,1 м и шагом h = 0,5 м. Найти скорость протона. Заряд протона Q = 1,6 10-19 Кл, масса протона m = 1,67 10-27 кг.

6

Решения на сайте matematik-master.ru

Заказ работы zakaz@matematik-master.ru

Стоимость 1 задачи от 40 рублей (по состоянию на январь 2012)

Решение.

Сложное движение протона по винтовой линии можно представить как сумму двух движений: поступательное движение вдоль силовой линии и движение по окружности. Вектор скорости разложим на две составляющие: параллельную и перпендикулярную вектору магнитной индукции:

 

 

 

11

,

II

R

 

h

Рис. 1-в

где

= соs ,

 

= sin . Модуль вектора скорости

2

2 .

11

 

 

11

 

На заряженную частицу (в данном случае протон) в магнитном

поле действует сила Лоренца Fлор = Q B sin . По второму закону Ньютона

Fлор ma .

Сила Лоренца перпендикулярна вектору скорости и направлена к центру окружности, которую описывает протон в магнитном поле.

2

Q Bsin man , т.е Q B m R .

Следовательно, RQB . m

Шаг винтовой траектории h = 11 T,

где T 2 R период вращения протона. Учитывая, что радиус траек-

тории R m , найдем параллельную составляющую скорости

QR

 

 

 

hQB

.

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

2 m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость протона равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

QB

 

h 2

R 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

4 2

 

 

 

 

 

1,6 10 19 0,2

 

 

0,52

0,12

2,4 106 м/с.

1,67

10 27

4 3,142

 

 

 

 

Ответ: = 2,4 106 м/с.

7

Решения на сайте matematik-master.ru

Заказ работы zakaz@matematik-master.ru

Стоимость 1 задачи от 40 рублей (по состоянию на январь 2012)

 

 

Задача 4. В области пространства созданы электрическое поле с

 

 

напряженностью Е = 104 В/м и магнитное поле с ин-

E

 

 

дукцией В = 0,4 Тл. Векторы напряженности электри-

 

 

 

 

 

ческого

поля и индукция магнитного поля взаимно

 

 

 

 

 

Fэл

 

 

перпендикулярны. В каком направлении и с какой ско-

 

 

 

 

 

 

ростью должна двигаться -частица, чтобы ее движе-

 

 

ние было равномерным и прямолинейным.

 

B

Fмаг

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

Рис. 1-г

 

На

-частицу в электрическом поле действует

 

 

 

 

 

 

 

 

сила F'эл QE ,

( Fэл E независимо от направления движения -

частицы). В магнитном поле на -частицу действует сила Лоренца

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fмаг

Q B , ( Fмаг , Fмаг B ). Для равномерного и прямолинейного

движения -частицы необходимо выполнение условия:

 

 

 

Fэл Fмаг

0 .

Это условие выполняется, если силы противоположно направлены и

равны по модулю: QE = Q Bsin . Магнитная сила будет направлена противоположно электрической (по рисунку вниз), если частица дви-

жется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, т.е = 900, sin = 1.

Скорость -частицы

= E/B.

= 104/0,4 = 2,5 103 м/с.

Ответ: =2,5 103 м/с.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.1. Заряженная частица пролетает область однородного электрического ноля протяженностью d за время t. Скорость частицы на входе направлена вдоль силовых линий поля и равна V. Масса частицы m, заряд q. Определить напряженность электрического поля.

υ

 

 

1.2. Прямолинейно движущийся

 

 

электрон влетает в электрическое поле,

 

 

 

υ0

 

 

вид потенциала которого показан на

 

 

 

рис. 1.1. В точке В электрон вылетает

 

 

 

из поля. Изменится ли скорость части-

 

 

 

цы в точке В? Изменяется ли скорость

А

В

X

частицы в точке В и время пролета рас-

 

стояния АВ, если вместо электрона по-

 

Рис. 1.1

 

 

 

летит позитрон?

 

 

 

 

 

 

1.3. Между двумя закрепленны-

ми зарядами в точке А отпускают частицу с зарядом q (рис. 1.2). Рас-

8

Решения на сайте matematik-master.ru

Заказ работы zakaz@matematik-master.ru

Стоимость 1 задачи от 40 рублей (по состоянию на январь 2012)

стояние АВ эта частица проходит за

 

 

время t. За какое время пройдет это +

+q

 

же расстояние частица с зарядом 3q,

A

B

если ее отпустить в точке А? Массы

 

 

частиц одинаковы.

Рис. 1.2

1.4. Электроны, обладающие на

бесконечности скоростью V, падают на металлический изолированный шар радиусом R. На сколько повысится температура шара, если его теплоемкость равна С?

1.5. Какую энергию могут приобрести электроны в электриче-

ском поле лазерного пучка? Амплитуда напряженности поля равна 1011 В/м, частота 3∙1015 с-1.

1.6.Из бесконечности навстречу друг другу с одинаковой скоростью V движутся два электрона. Определить минимальное расстояние, на которое они сблизятся.

1.7.Устройство для получения элек-

тронного пучка с определенной скоростью

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

состоит из плоского конденсатора длиной l,

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

перекрытого с двух сторон экранами с от-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

верстием А и длинным выходным каналом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В (рис. 1.3). На пластины конденсатора

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3

подается переменное напряжение с часто-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

той ω и амплитудой UQ. Расстояние между пластинами d. Какова скорость электронов, выделяемых этим устройством?

1.8. Заряженная сфера в результате взрыва распадается на большое число одинаковых осколков, скорость которых в момент взрыва равна V и направлена вдоль радиуса сферы. Радиус, масса и заряд сферы равны соответственно: R, m, q. Определить максимальную скорость осколков.

1.9.В углах квадрата со стороной a поместили четыре электрона. Под действием электрических сил электроны разлетаются. Определить их скорость на бесконечности.

1.10.В электронном генераторе используется триод, в котором

расстояние между катодом и анодом равно 1 мм. Оценить максимальную частоту колебаний, которую можно получить, используя этот генератор. Напряжение между анодом и катодом равно 200 В.

1.11. а) Определить чувствительность электронно-лучевой трубки осциллографа к напряжению, т.е. смещение пятна на экране, вызванное напряжением 1 В на управляющих пластинах. Длина пластин L, расстояние между ними d L, расстояние от конца пластин до экрана S > L. Ускоряющее напряжение U.

9

Решения на сайте matematik-master.ru

Заказ работы zakaz@matematik-master.ru

Стоимость 1 задачи от 40 рублей (по состоянию на январь 2012)

б) Определить чувствительность электронно-лучевой трубки,

если U = 10 кВ, l = 3 см, L = 30 см, d = 5 мм.

1.12.Внутри плоского воздушного незаряженного конденсатора

спостоянной скоростью падает пылинка. Путь от верхней пластины до нижней она проходит за 10 с. Когда пылинка находится у нижней пластины, на конденсатор подается напряжение 980 В. Спустя 5 с по-

сле этого пылинка достигает верхней пластины. Определить отношение заряда пылинки к ее массе. Расстояние между пластинами конденсатора равно 1 см. Силу сопротивления воздуха считать пропорциональной скорости пылинки.

1.13. Между вертикальными пластинами плоского конденсатора на одинаковом расстоянии от них с постоянной скоростью 0,1 м/с падает пылинка массой 10 г. Конденсатор подключают к источнику напряжения 490 В, и через 10 с пылинка достигает одну из пластин. Определить заряд пылинки. Расстояние между пластинами конденсатора 1 см. Силу сопротивления воздуха считать пропорциональной скорости пылинки.

1.14. Элемент атомной батареи представляет собой сферический конденсатор. На внутреннюю сферу нанесен радиоактивный препарат, испускающий α-частицы со скоростью 2,2∙106 м/с. Определить ЭДС этого элемента. Отношение заряда к массе для α -частицы равно

4,8∙107 Кл/кг.

1.15. Какова максимальная сила электрического взаимодействия между двумя протонами с энергией 106 эВ, летящими во встречных пучках?

 

 

1.16. Электрон со скоростью 109 см/с влетает в плоский конден-

 

 

 

 

 

_

сатор, между пластинами

которого

 

 

 

 

 

поддерживается разность потенциалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

 

425 В (рис. 1.4). Определить макси-

 

 

 

 

мальное удаление h электрона от ниж-

 

 

 

 

 

+

-e

α

 

 

 

ней пластины конденсатора. Отноше-

 

 

 

 

Рис 1.4

 

ние заряда электрона к

его массе

 

 

1,76 1О11 Кл/кг, угол падения электрона а = 300. Расстояние между пластинами 1 см.

1.17. Под действием света с поверхности изолированного металлического шарика радиусом R вырываются электроны, имеющие скорость V. До какого максимального заряда можно таким образом зарядить шарик? Отношение заряда к массе для электрона считать равным γ.

1.18. При каком напряжении зажигается неоновая лампа, если энергия ионизации атома неона равна 21,6 эВ, а средняя длина сво-

10