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

Задачник Горбатый Овчинников

.pdf
Скачиваний:
7237
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
3.59 Mб
Скачать
Рис. 15.10

15.15.В колебательном контуре, состоящем из плоского конденсатора и катушки индуктивности, происходят свободные незатухающие колебания, при которых амплитуда колебаний напряжения равна U0. В момент времени, когда напряжение на конденсаторе было равно U, расстояние между обкладками конденсатора быстро (по сравнению с периодом колебаний) уменьшают в n раз. Определите амплитуду U1 новых колебаний напряжения на конденсаторе.

15.16.В колебательном контуре, состоящем из плоского конденсатора и катушки индуктивности, происходят свободные незатухающие колебания, при которых амплитуда колебаний тока равна I0. В конденсаторе расположена диэлектрическая пластина с диэлектрической проницаемостью , полностью заполняющая пространство между обкладками. В момент времени, когда в контуре протекал ток I, пластину быстро (по сравнению с периодом колебаний) удаляют из конденсатора. Определите амплитуду I1

новых колебаний тока в контуре.

15.17.На длинный соленоид вблизи его середины намотана короткая катушка из

N = 100 витков радиуса r = 2 см, выводы которой подключены к конденсатору. По обмотке соленоида течет постоянный ток, создающий внутри него практически однородное магнитное поле индукции B, параллельное оси соленоида. После быстрого выключения тока через соленоид напряжение на конденсаторе начинает периодически изменяться с частотой = 104 с–1 и амплитудой Um = 10 В. Определите индукцию B .

Сопротивлением катушки пренебречь.

Затухающие колебания

15.18.Конденсатор емкостью С = 2 мкФ, заряженный до напряжения U0 = 50 В,

начинает разряжаться через катушку индуктивностью L = 2 мГн. Спустя некоторое время после начала разряда мгновенные значения напряжения на конденсаторе и тока в катушке

были

равны U = 30 В и I = 1 А.

Определите количество

теплоты Q, выделившееся в

электрической цепи за это время.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15.19.

В

колебательном

контуре

происходят

свободные

 

 

 

 

 

колебания. В момент времени, когда напряжение на конденсаторе

 

 

 

 

 

U = 4 В,

а ток

в контуре I = 10 мА, параллельно колебательному

 

 

 

 

 

контуру подключают резистор (замыкают ключ

K в схеме на рис.

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15.10). Какое количество теплоты Q выделится

на резисторе после

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

R

этого?

Емкость

конденсатора

C = 1 мкФ,

индуктивность катушки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L = 0,1 Гн. Сопротивлением катушки пренебречь.

121

15.20. В колебательном контуре происходят свободные затухающие колебания. На рис. 15.11 приведены графики зависимости от времени напряжения на конденсаторе (сплошная кривая) и тока

(штриховая) в контуре. Считая известной емкость конденсатора C = 1 мкФ,

определите: а) индуктивность катушки,

б) коэффициент затухания,

в) логарифмический декремент затухания, г)

контура.

15.21. На рис. 15.12 приведен график зависимости тока в колебательном контуре от напряжения на конденсаторе. Определите логарифмический декремент затухания .

U, В; I, мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1.0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t, мкс

 

 

 

 

 

 

Рис. 15.11

 

 

 

 

 

 

 

добротность, д) активное сопротивление

I, мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-0.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-0.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-0.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-0.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

 

0.4

0.6

0.8

1.0 U, В

 

 

 

 

 

 

Рис. 15.12

 

 

 

 

 

 

15.22. В колебательном контуре с емкостью C и индуктивностью L происходят свободные затухающие колебания, при которых ток изменяется со временем по закону

I Im exp( t)sin t . Найдите напряжение на конденсаторе в зависимости от времени и в

момент t = 0.

15.23.На сколько процентов отличается частота свободных колебаний тока в колебательном контуре с добротностью Q = 5 от собственной частоты 0 колебаний в этом контуре?

15.24.Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью C = 4 мкФ и катушки индуктивностью L = 2 мГн с активным сопротивлением R = 10 Ом. Найдите отношение энергии магнитного поля катушки к энергии электрического поля конденсатора в момент максимума тока.

122

15.25.

Колебательный

контур

 

имеет

емкость C = 10 мкФ,

индуктивность

L = 25 мГн и активное сопротивление R = 1 Ом. Через сколько колебаний амплитуда тока

в этом контуре уменьшится в e раз?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.26. В схеме, изображенной на рис.15.13, ЭДС источника ε = 2 В,

 

 

 

его внутреннее сопротивление r = 9 Ом, емкость конденсатора

 

 

 

C =

10

мкФ,

индуктивность

катушки

L

= 100 мГн

и

 

L

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сопротивление резистора R = 1 Ом. В некоторый момент ключ

 

 

C

K разомкнули. Найдите

энергию

колебаний

в

контуре:

а)

 

K

 

 

 

ε , r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

непосредственно

после

размыкания

ключа;

б) через

время

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 15.13

t = 0,3 с после размыкания ключа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.27. Колебательный контур содержит конденсатор с утечкой. Емкость конденсатора C,

его активное сопротивление R, индуктивность катушки L. Сопротивление провода

катушки пренебрежимо мало. Найдите: а) частоту затухающих колебаний такого

контура; б) его добротность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.28. В

контуре,

добротность

которого

Q = 50 и

собственная

частота

колебаний

0 = 5,5 кГц,

возбуждаются

затухающие

колебания.

Через

сколько

времени

уменьшится в n = 2 раза: а) амплитуда колебаний тока в контуре; б) энергия,

запасенная в контуре?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

123

16. Переменный ток

Вопросы

1. Конденсатор подключили к источнику синусоидального напряжения постоянной амплитуды. С ростом частоты амплитуда тока через конденсатор:

А)

увеличивается

 

 

Б)

уменьшается

 

 

В)

может как увеличиваться, так и уменьшаться

 

 

Г)

равна нулю

 

 

2. К источнику синусоидального напряжения подключены соединенные последовательно

резистор сопротивлением R и конденсатор емкостью C.

Если ток в цепи изменяется по

закону i Im cos t , то в момент времени t напряжение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А)

 

 

I

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uC

 

cos( t / 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

на конденсаторе

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б)

на резисторе

uR (Im R) cos t

 

 

 

В)

 

 

 

 

 

I

m

 

 

 

 

 

 

u Im R

 

cos( t )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

на клеммах источника

 

 

 

 

C

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где 0 / 2

 

 

3. К источнику синусоидального напряжения подключены соединенные последовательно резистор сопротивлением R и конденсатор емкостью C. Если I m - амплитуда колебаний

тока в цепи, UCm ,

U Rm , U m -

амплитудные значения напряжений на конденсаторе,

резисторе и клеммах источника,

uC (t) , uR (t) , u(t) - мгновенные значения этих

напряжений, - циклическая частота, то:

 

 

 

 

 

 

А)

u(t) uC (t) uR (t)

 

 

Б)

Um UCm URm

 

 

 

В)

 

 

 

 

 

 

 

 

U

m

U 2

U 2

 

 

 

 

 

 

Cm

Rm

 

 

 

Г)

UCm Im / C

 

 

 

Д)

U Rm Im R

 

 

 

4. К источнику синусоидального напряжения подключены соединенные последовательно конденсатор и резистор. Если UC , U R и U - эффективные (действующие) значения напряжений на конденсаторе, резисторе и на клеммах источника, то:

А)

U UR UC

Б)

U UR UC

В)

U UR UC

 

124

5. К источнику синусоидального напряжения подключены соединенные последовательно резистор сопротивлением R и конденсатор емкостью C. Если ток в цепи изменяется по

закону i Im cos t ,

а напряжение на

клеммах источника

u Um cos( t ) , то средняя

мощность переменного тока:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А)

на резисторе

PR Im2 R / 2 Iэфф2

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б)

на конденсаторе

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PC Im (1/ C)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В)

на всей RC - цепи

P PC PR

 

 

 

 

 

 

 

 

Г)

на всей RC - цепи

P (ImUm / 2)cos IэффUэфф cos

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

Uэфф Um /

2

,

Iэфф Im / 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

Катушку подключили к источнику синусоидального напряжения постоянной

амплитуды. С ростом частоты амплитуда тока через катушку:

 

 

 

 

 

 

 

А)

увеличивается

 

 

 

 

 

 

 

 

Б)

уменьшается

 

 

 

 

 

 

 

 

В)

не изменяется

 

 

 

 

 

 

 

 

Г)

может как увеличиваться, так и уменьшаться

 

 

 

 

 

 

7.

К источнику синусоидального напряжения подключены соединенные последовательно

резистор сопротивлением R и катушка индуктивностью L (ее активное сопротивление пренебрежимо мало). Если ток в цепи изменяется по закону i Im cos t , то в момент времени t напряжение:

А)

на катушке

uL Im L cos( t / 2)

Б)

на резисторе

uR (Im R) cos t

В)

 

 

 

 

 

на клеммах источника

u u2

u2

 

 

L

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. К источнику синусоидального напряжения подключены соединенные последовательно

резистор сопротивлением R и катушка индуктивностью L (ее активное сопротивление пренебрежимо мало). Если I m - амплитуда колебаний тока в цепи, U Lm , U Rm , U m -

амплитудные значения напряжений на катушке, резисторе и клеммах источника, uL (t) ,

uR (t) , u(t) - мгновенные значения этих напряжений, - циклическая частота, то:

А)

u(t) uL (t) uR (t)

Б)

Um U Lm U Rm

В)

 

 

 

 

 

 

U

m

U 2

U 2

 

 

 

Lm

Rm

Г)

U Lm Im L

 

 

 

 

 

125

 

 

9. К источнику синусоидального напряжения подключены соединенные последовательно

катушка с пренебрежимо малым активным сопротивлением, конденсатор и резистор. Если

U R

,

U L

,

UC

и

U

- эффективные

значения

напряжений на

резисторе,

на

катушке,

на

 

 

 

 

конденсаторе и на клеммах генератора, то:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А)

 

U UR UL UC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б)

 

U UR UL UC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В)

 

U U 2

(U

C

U

L

)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. К

 

источнику

синусоидального

Iэфф , мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

напряжения

подключены

соединенные

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

последовательно

катушка

и

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

конденсатор. На графике рис. 16.1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приведена

зависимость

эффективного

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

4

 

6

 

8

, кГц

 

значения тока в цепи от частоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

переменного напряжения. Эффективное

 

 

 

 

 

Рис. 16.1

 

 

 

 

значение

напряжения

на

клеммах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

источника при изменении частоты поддерживалось постоянным:

U эфф

 

1,2 В.

 

 

 

 

 

 

Определите активное сопротивление катушки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задачи

RC- и RL-цепи

16.1. К источнику синусоидального напряжения частоты подключены соединенные последовательно резистор сопротивлением R и конденсатор емкостью C.

Эффективное значение напряжения на резисторе равно UR. Найдите эффективное значение U напряжения на клеммах источника.

16.2. К источнику синусоидального напряжения частоты подключены соединенные последовательно резистор сопротивлением R и катушка индуктивностью L.

Эффективное значение напряжения на катушке равно UL. Найдите эффективное значение U напряжения на клеммах источника.

16.3. Последовательно

соединенные конденсатор и резистор сопротивлением

R = 110 Ом подключены

к источнику синусоидального напряжения с амплитудой

Um = 110 В. При этом амплитуда тока в цепи Im = 0,5 А. Найдите разность фаз между током и напряжением источника.

126

16.4. Конденсатор

и электрическая

лампочка соединены

последовательно

и

подключены

к

источнику

синусоидального

напряжения

частоты

= 50

Гц.

Эффективное значение напряжения на клеммах источника Uэфф = 440 В, напряжение

на лампочке

UЛэфф = 220 В,

а ток

в цепи

Iэфф = 1 А. Чему равна

емкость

С

конденсатора? Чему равен сдвиг фаз между током и напряжением на клеммах

генератора?

 

 

16.5. Катушка подключена к

источнику синусоидального

напряжения частоты

= 50 Гц. Измерения показали,

что максимум силы тока в

катушке «отстает» от

максимума приложенного к ней напряжения на = 2,5 миллисекунды. Найдите по этим данным индуктивность L катушки, если ее активное сопротивление R = 100 Ом.

16.6. К источнику

синусоидального

напряжения подключены

соединенные

последовательно

резистор

сопротивлением

R = 100 Ом и конденсатор емкостью

C = 0,2 мкФ.

Ток

в

цепи

изменяется

по

закону

i Im cos(2 t) ,

где

I m 10 мА,

= 10 кГц.

Определите напряжение u

на

клеммах

источника в

момент времени

t = 16,7 мкс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RLC-цепь

16.7. К источнику синусоидального напряжения частоты подключены последовательно соединенные резистор сопротивлением R, катушка индуктивностью L и конденсатор емкостью C. Эффективное значение напряжения на конденсаторе равно UС. Найдите эффективное напряжение U на клеммах источника. Активным сопротивлением катушки пренебречь.

16.8.Соединенные последовательно конденсатор емкостью C = 2 мкФ, катушка индуктивностью L = 2 Гн и резистор сопротивлением R = 1 кОм подключены к источнику синусоидального напряжения с эффективным значением Uэфф = 36 В и частотой = 50 Гц. Найдите эффективные значения тока и напряжений на конденсаторе, катушке и резисторе.

16.9.Конденсатор емкостью С, резистор сопротивлением R и катушка индуктивностью L соединены последовательно и подключены к источнику синусоидального напряжение. Эффективное значение напряжения на клеммах

источника Uэфф = 35 В. Найдите эффективное напряжение UС на конденсаторе, если эффективные напряжения на катушке и на резисторе одинаковы и равны 4.UС.

Определите фазовый сдвиг между колебаниями тока и напряжением на клеммах источника. Активным сопротивлением катушки пренебречь.

127

16.10.Электрическая лампочка включена в сеть переменного тока частоты = 50

Гц последовательно с катушкой, индуктивность которой L = 1 Гн. Когда последовательно с лампочкой и катушкой включили конденсатор, оказалось, что лампочка горит с той же яркостью, что и без конденсатора. Определите его емкость C. 16.11. Соединенные последовательно конденсатор емкостью C, катушка индуктивностью L и резистор сопротивлением R подключены к источнику синусоидального напряжения постоянной амплитуды, частоту которого можно изменять. Определите частоту, при которой становится максимальным эффективное напряжение: а) на конденсаторе; б) на катушке. Активным сопротивлением катушки пренебречь.

Мощность

16.12.Катушка включена в цепь переменного тока напряжением Uэфф = 20 В и частотой = 50 Гц. Найдите индуктивность L катушки и ее активное сопротивление R, если известно, что в катушке выделяется средняя тепловая мощность P = 400 Вт, а сдвиг фаз между напряжением и током = 600.

16.13.Найдите добротность Q колебательного контура с емкостью C = 2 мкФ и индуктивностью L = 5 мГн, если на поддержание в нем незатухающих колебаний с амплитудой напряжения на конденсаторе Um = 1 В необходимо подводить среднюю мощность P = 0,1 мВт. Затухание колебаний в контуре мало.

16.14.Какую среднюю мощность P должен потреблять колебательный контур с активным сопротивлением R = 0,45 Ом, чтобы в нем поддерживались незатухающие гармонические колебания с амплитудой тока Im = 30 мА?

16.15.Колебательный контур содержит конденсатор емкостью C = 1,2 нФ и катушку индуктивностью L = 6 мкГн и активным сопротивлением R = 0,5 Ом. Какую среднюю мощность P нужно подводить к контуру, чтобы поддерживать в нем незатухающие гармонические колебания с амплитудой напряжения на конденсаторе

Um = 10 В?

16.16.

Катушка с

индуктивностью

L = 0,7 Гн

и активным сопротивлением

r = 20 Ом

соединена

последовательно

с резистором

сопротивлением R, и между

концами этой цепи приложено синусоидальное напряжение с действующим значением U = 220 В и частотой = 314 c–1. При каком значении сопротивления R в

цепи будет выделяться максимальная тепловая мощность? Чему она равна?

16.17. В колебательный контур с добротностью Q = 100 включен последовательно источник синусоидальной ЭДС с постоянной амплитудой напряжения. При некоторой

128

частоте внешнего напряжения тепловая мощность, выделяемая в контуре, оказывается максимальной. На сколько процентов следует изменить эту частоту, чтобы выделяемая мощность уменьшилась в n = 2 раза?

16.18. Цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора сопротивлением R = 0,16 кОм и катушки с активным сопротивлением, подключили к сети с действующим напряжением U = 220 В. Найдите тепловую мощность PL,

выделяемую на катушке, если действующие напряжения на резисторе R и катушке равны соответственно UR = 80 В и UL = 180 В.

16.19.Найдите добротность Q колебательного контура, в который последовательно включен источник синусоидального напряжения, если при резонансе тока амплитуда напряжения на конденсаторе в n раз превышает амплитуду напряжения на источнике.

16.20.Последовательно соединенные конденсатор емкости C = 45 мкФ и катушка с активным сопротивлением подключены к источнику синусоидального напряжения постоянной амплитуды. При частотах 1 = 1,5 кГц и 2 = 2,5 кГц амплитуда тока в контуре оказалась одинаковой. Найдите индуктивность L катушки.

129

17. Ток смещения. Система уравнений Максвелла

Вопросы

1. Рассмотрим конденсатор с пластинами круглой формы,

который заряжается током I. Магнитное поле в некоторой точке Р

можно вычислить при помощи теоремы о циркуляции вектора B ,

выбрав в качестве контура окружность радиуса r , проходящую через точку P, как показано на рис. 17.1. Согласно этой теореме

B2 r 0 Iвну тр, где

P

S2 r

I

S1

Рис. 17.1

А)

 

 

 

 

Iвну тр jпр ds

I

 

 

 

 

S1

 

 

- ток проводимости через плоскую поверхность S1

 

 

 

 

Б)

 

 

 

 

Iвну тр jпр ds

0

 

 

 

 

S2

 

 

- ток проводимости через куполообразную поверхность S2

 

 

 

 

В)

 

 

 

 

Iвну тр ( jпр jсм )ds I

 

 

S1

 

 

- полный ток (проводимости и смещения) через

 

 

 

 

 

плоскую поверхность S1

Г)

 

 

 

 

Iвну тр ( jпр jсм)ds I

 

 

S2

 

 

- полный ток (проводимости и смещения) через

 

 

 

 

 

куполообразную поверхность S2

 

 

 

 

 

2. Плоский конденсатор с круглыми обкладками подключен к источнику переменного

напряжения. Магнитное поле между обкладками:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А)

равно нулю

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Б)

отлично от нуля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Теорема о циркуляции rotH

j , где j – плотность тока проводимости,

H B / 0 , в

случае переменных токов противоречит:

 

 

 

 

 

 

 

А)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теореме Гаусса для вектора B : divB 0

 

 

 

 

 

Б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теореме Гаусса для вектора D : divD

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

закону электромагнитной индукции: rotE B / t

 

 

 

 

В)

 

 

 

 

/ t 0

 

 

 

 

 

закону сохранения заряда: divj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

130