ФИЗИКА / МУКР-2-оч-заоч-280700.62

Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Камский институт гуманитарных и инженерных технологий»

Факультет «Нефти и газа» Кафедра «Математические и естественнонаучные дисциплины»

Е.Л. Бусыгина

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению контрольной работы

по дисциплине «ФИЗИКА» Часть 2: Электричество и магнетизм. Колебания и волны

Для студентов очно-заочной формы обучения направления подготовки

280700.62 «Техносферная безопасность»

Ижевск 2012

ВВЕДЕНИЕ

Помимо аудиторной работы с преподавателем для студента очнозаочного отделения основной формой обучения является самостоятельная работа над учебным материалом. Для облегчения этой работы в течение всего семестра организуется чтение лекций, проведение практических занятий и прохождение лабораторного практикума. Поэтому процесс изучения физики состоит из следующих этапов:

1)проработка лекционного материала;

2)самостоятельная работа над учебниками и учебными пособиями;

3)выполнение домашних контрольных работ;

4)выполнение и защита работ лабораторного практикума;

5)сдача зачетов и экзаменов.

При самостоятельной работе над учебным материалом необходимо:

1)составлять конспект, в котором записывать законы и формулы, выражающие эти законы, определения основных физических понятий и сущность физических явлений и методов исследования;

2)изучать курс физики систематически, т.к. в противном случае материал будет усвоен поверхностно;

3)стараться пользоваться каким-то одним учебником или учебным пособием (или ограниченным числом пособий), чтобы не утрачивалась логическая

связь между отдельными вопросами изучаемого раздела курса. Контрольная работа позволяет закрепить теоретический материал.

Решение задач в контрольной работе является проверкой степени усвоения студентом теоретического курса, а рецензии на работу помогают ему доработать и правильно освоить изучаемые модули курса физики. Перед выполнением контрольной работы студенту необходимо внимательно ознакомиться с примерами решения задач по данной контрольной работе, уравнениями и формулами, а также со справочными материалами. Прежде чем приступить к решению той или иной задачи, студент должен хорошо понять ее содержание и поставленные в ней вопросы.

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ РАБОТЫ

При выполнении контрольной работы необходимо соблюдать следующие правила:

•необходимо правильно выбрать вариант контрольной работы: номер варианта соответствует двум последним цифрам студенческого билета (зачетной книжки);

•контрольную работу выполнять в тетради либо на листах формата А4;

•на титульном листе указывать номер контрольной работы, номер варианта, наименование дисциплины, фамилию и инициалы студента, шифр специальности и номер группы;

•контрольную работу следует выполнять аккуратно, оставляя поля для замечаний рецензента;

•задачу своего варианта переписывать полностью без сокращений, а заданные физические величины выписать отдельно, при этом все числовые величины должны быть переведены в систему СИ;

•для пояснения решения задачи, где это нужно, аккуратно сделать чертеж;

•решение задач и используемые формулы должны сопровождаться краткими пояснениями, в пояснениях к задаче необходимо указывать те основные формулы и законы, на которых базируется решение задачи;

•решение задачи необходимо сначала сделать в общем виде, т.е. только в буквенных обозначениях, поясняя применяемые при написании формул буквенные обозначения; при получении расчетной формулы, которая нужна для решения конкретной задачи, обязательно приводить ее вывод;

•вычисления следует проводить путем подстановки заданных числовых величин в расчетную формулу; все числовые значения величин, необходимые для решения данной задачи, должны быть выражены в системе СИ;

•проверить единицы измерения величин по расчетной формуле и тем самым подтвердить ее правильность;

•константы (постоянные) физических величин и другие справочные данные выбираются из таблиц;

•при вычислениях используйте калькулятор, точность расчета определяется числом значащих цифр исходных данных;

•в контрольной работе следует указывать учебники и учебные пособия, которые использовались при решении задач;

•если контрольная работа преподавателем не зачтена, то необходимые дополнения и исправления следует выполнять в той же тетради в конце работы; исправления в тексте незачтенной задачи не допускаются;

•буквенные обозначения величин, используемые при решении задач, должны соответствовать общепринятым;

•контрольная работа сдается на проверку не позднее, чем за месяц до начала экзаменационной сессии; сдача работ в период сессии не допускается.

Контрольные работы, представленные без соблюдения указанных правил, а также работы, выполненные не по своему варианту, рассматриваться не будут. При возвращении работы на повторное рецензирование обязательно представлять работу с первой рецензией.

ВАРИАНТЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

ВАРИАНТ 1

1.Определить линейную плотность бесконечно длинной заряженной нити,

если работа сил поля по перемещению заряда Q =1 нКл с расстояния r1 =10 см до r2 = 5 см в направлении, перпендикулярном нити, равна 0,1 мДж.

2.Определить внутреннее сопротивление r источника тока, если во внешней

цепи при силе тока I1=5 А выделяется мощность P1=10 Вт, а при силе тока I2=8 А — мощность P2=12 Вт.

3.Концентрация электронов проводимости в металле равна 2,5 1022 см–3.

Определить среднюю скорость их упорядоченного движения при плотности тока 1 А/мм2.

4.Определить магнитную индукцию на оси тонкого проволочного кольца радиусом 10 см, по которому течет ток 10 А, в точке, расположенной на расстоянии 15 см от центра кольца.

5.Круглая рамка с током площадью 20 см2 закреплена параллельно магнитному полю (В=0,2 Тл), и на нее действует вращающий момент 0,6

мН м. Рамку освободили, после поворота на 90° ее угловая скорость стала 20 с–1. Определить: 1) силу тока, текущего в рамке; 2) момент инерции рамки относительно ее диаметра.

6.В однородном магнитном поле, индукция которого 0,5 Тл, равномерно с частотой 300 мин–1 вращается катушка, содержащая 200 витков, плотно

прилегающих друг к другу. Площадь поперечного сечения катушки 100 см2. Ось вращения перпендикулярна оси катушки и направлению магнитного поля. Определить максимальную э.д.с., индуцируемую в катушке.

7.По обмотке соленоида индуктивностью 1 мГн, находящегося в

диамагнитной среде, течет ток 2 А. Соленоид имеет длину 20 см, площадь поперечного сечения 10 см2 и 400 витков. Определить внутри соленоида: 1) магнитную индукцию; 2) намагниченность.

8.За время, за которое система совершает 100 полных колебаний, амплитуда уменьшается в три раза. Определить добротность системы.

9.Средняя квадратичная скорость молекул двухатомного газа при некоторых

условиях составляет 461 м/с. Определить скорость распространения звука при тех же условиях.

10.В вакууме вдоль оси х распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда напряженности электрического поля волны составляет 18,8 В/м. Определить интенсивность волны, т.е. среднюю энергию, приходящуюся за единицу времени на единицу площади, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны.

ВАРИАНТ 2

1.Свободные заряды равномерно распределены с объемной плотностью ρ =10 нКл/м3 по шару радиусом R = 5 см из однородного изотропного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε=6. Определить напряженности электростатического поля на расстояниях r1 = 2 см и r2 = 10 см от центра шара.

2.Три источника тока с э.д.с. E1=1,8 В, E2=1,4 В и E3=1,1 В соединены накоротко одноименными полюсами. Внутреннее сопротивление первого источника r1=0,4 Ом, второго — r2=0,6 Ом. Определить внутреннее сопротивление третьего источника, если через первый источник идет ток I1=1,13 A.

3.Работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эВ. Определить, во сколько раз увеличится плотность тока насыщения при повышении температуры от 2000 до 2500 К.

4.Два бесконечных прямолинейных параллельных проводника с одинаковыми токами, текущими в одном направлении, находятся друг от друга на расстоянии R. Чтобы их раздвинуть до расстояния 3R, на каждый сантиметр длины проводника затрачивается работа A=220 нДж. Определить силу тока в проводниках.

5.Круглая рамка с током площадью 20 см2 закреплена параллельно магнитному

полю (В=0,2 Тл), и на нее действует вращающий момент 0,6 мН м. Рамку освободили, после поворота на 90° ее угловая скорость стала 20 с–1. Определить: 1) силу тока, текущего в рамке; 2) момент инерции рамки относительно ее диаметра.

6.Кольцо из алюминиевого провода (ρ=26 нОм м) помещено в магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции. Диаметр кольца 20 см, диаметр провода 1 мм. Определить скорость изменения магнитного поля, если сила тока в кольце 0,5 А.

7.Алюминиевый шарик радиусом 0,5 см помещен в однородное магнитное поле

(B0 = 1 Тл). Определить магнитный момент, приобретенный шариком, если магнитная восприимчивость алюминия 2,1 10–5.

8.Колебательный контур содержит катушку индуктивностью 25 мГн, конденсатор емкостью 10 мкФ и резистор сопротивлением 1 Ом. Заряд на

обкладках конденсатора Qm=1 мКл. Определить: 1) период колебаний контура; 2) логарифмический декремент затухания колебаний; 3) уравнение зависимости изменения напряжения на обкладках конденсатора от времени.

9.Поезд проходит со скоростью 54 км/ч мимо неподвижного приемника и подает звуковой сигнал. Приемник воспринимает скачок частоты ∆ν = 54 Гц. Принимая скорость звука равной 340 м/с, определить частоту тона звукового

сигнала гудка поезда.

10.В вакууме вдоль оси х распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда напряженности электрического поля волны составляет 18,8 В/м. Определить интенсивность волны, т.е. среднюю энергию, приходящуюся за единицу времени на единицу площади, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны.

ВАРИАНТ 4

1.На некотором расстоянии от бесконечной равномерно заряженной плоскости с поверхностной плотностью σ =1,5 нКл/см2 расположена круглая пластинка. Плоскость пластинки составляет с линиями напряженности угол α=45°. Определить поток вектора напряженности через эту пластинку, если ее радиус r=10 см.

2.Плоский воздушный конденсатор емкостью С=10 пФ заряжен до разности потенциалов U=1 кВ. После отключения конденсатора от источника напряжения расстояние между пластинами конденсатора было увеличено в два раза. Определить: 1) разность потенциалов на обкладках конденсатора после их раздвижения; 2) работу внешних сил по раздвижению пластин.

3.Работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эВ. Определить, во сколько раз увеличится плотность тока насыщения при повышении температуры от 2000 до 2500 К.

4.Протон, ускоренный разностью потенциалов 0,5 кВ, влетая в однородное магнитное поле с индукцией 0,1 Тл, движется по окружности. Определить радиус этой окружности.

5.Циклотрон ускоряет протоны до энергии 10 МэВ. Определить радиус дуантов циклотрона при индукции магнитного поля 1 Тл.

6.В однородном магнитном поле, индукция которого 0,5 Тл, равномерно с частотой 300 мин–1 вращается катушка, содержащая 200 витков, плотно

прилегающих друг к другу. Площадь поперечного сечения катушки 100 см2. Ось вращения перпендикулярна оси катушки и направлению магнитного поля. Определить максимальную э.д.с., индуцируемую в катушке.

7.По круговому контуру радиусом 50 см, погруженному в жидкий кислород, течет ток 1,5 А. Определить намагниченность в центре этого контура, если магнитная восприимчивость жидкого кислорода 3,4 10–3.

8.Полная энергия гармонически колеблющейся точки равна 30 мкДж, а максимальная сила, действующая на точку, равна 1,5 мН. Написать уравнение движения этой точки, если период колебаний равен 2 с, а начальная фаза π/3.

9.В цепь переменного тока частотой 50 Гц включена катушка длиной 50 см и

площадью поперечного сечения 10 см2, содержащая 3000 витков. Определить активное сопротивление катушки, если сдвиг фаз между напряжением и током составляет 60°.

10.Два параллельных провода, одни концы которых изолированы, а другие индуктивно соединены с генератором электромагнитных колебаний, погружены в спирт. При соответствующем подборе частоты колебаний в системе возникают стоячие волны. Расстояние между двумя узлами стоячих волн на проводах равно 0,5 м. Принимая диэлектрическую проницаемость спирта ε = 26, а его магнитную проницаемость µ =1, определить частоту колебаний генератора.

ВАРИАНТ 5

1.Кольцо радиусом r=10 см из тонкой проволоки равномерно заряжено с линейной плотностью τ =10 нКл/м. Определить напряженность поля на оси, проходящей через центр кольца в точке А. удаленной на расстояние а =20 см от центра кольца.

2.Разность потенциалов между пластинами конденсатора U=200 В. Площадь каждой пластины S=100 см2, расстояние между пластинами d=1 мм,

пространство между ними заполнено парафином (ε = 2). Определить силу притяжения пластин друг к другу.

3.Работа выхода электрона из металла равна 2,5 эВ. Определить скорость вылетающего из металла электрона, если он обладает энергией 10–18Дж.

4.По проводу, согнутому в виде квадрата со стороной, равной 60 см, течет постоянный ток 3 А. Определить индукцию магнитного поля в Центре квадрата.

5.Определить, при какой скорости лучок заряженных частиц, проходя перпендикулярно область, в которой созданы однородные поперечные электрическое и магнитное поля с E=10 кВ/м и В= 0,2 Тл, не отклонятся.

6.Определить, сколько витков проволоки, вплотную прилегающих друг к другу, диаметром 0,3 мм с изоляцией ничтожно малой толщины надо намотать на картонный цилиндр диаметром 1 см, чтобы получить однослойную катушку с индуктивностью 1 мГн.

7.По обмотке соленоида индуктивностью 1 мГн, находящегося в

диамагнитной среде, течет ток 2 А. Соленоид имеет длину 20 см, площадь поперечного сечения 10 см2 и 400 витков. Определить внутри соленоида: 1) магнитную индукцию; 2) намагниченность.

8.При подвешивании грузов массами m1 = 500 г и m2 = 400 г к свободным пружинам последние удлинились одинаково (∆l =15 см). Пренебрегая массой пружин, определить: 1) периоды колебаний грузов; 2) который из грузов при одинаковых амплитудах обладает большей энергией и во сколько раз.

9.Генератор, частота которого составляет 32 кГц и амплитудное значение напряжения равно 120 В, включен в резонирующую цепь, емкость которой 1 нФ. Определить амплитудное значение напряжения на конденсаторе, если активное сопротивление цепи 5 Ом.

10.В вакууме вдоль оси х распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда напряженности электрического поля волны составляет 18,8 В/м. Определить интенсивность волны, т.е. среднюю энергию, приходящуюся за единицу времени на единицу площади, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны.

ВАРИАНТ 6

1.Шар радиусом R=10 см заряжен равномерно с объемной плотностью ρ =5 нКл/м3. Определить напряженность электростатического поля: 1) на

расстоянии r1=2 см от центра шара; 2) на расстоянии r2=12 см от центра шара. Построить зависимость Е(r).

2.По медному проводнику сечением 1 мм2 течет ток; сила тока 1 А. Определить среднюю скорость упорядоченного движения электронов

вдоль проводника, предполагая, что на каждый атом меди приходится один свободный электрон. Плотность меди 8,9 г/см3.

3.Воздух между пластинами плоского конденсатора ионизируется

рентгеновским излучением. Сила тока, текущего между пластинами, 10 мкА. Площадь каждой пластины конденсатора равна 200 см2, расстояние между ними 1 см, разность потенциалов 100 В. Подвижность

положительных ионов b+=1,4 см2/(В с) и отрицательных b–=1,9 см2/(В с); заряд каждого иона равен элементарному заряду. Определить концентрацию пар ионов между пластинами, если ток далек от насыщения.

4.Определить магнитную индукцию на оси тонкого проволочного кольца радиусом 10 см, по которому течет ток 10 А, в точке, расположенной на расстоянии 15 см от центра кольца.

5.Циклотрон ускоряет протоны до энергии 10 МэВ. Определить радиус дуантов циклотрона при индукции магнитного поля 1 Тл.

6.Определить, через сколько времени сила тока замыкания достигнет 0,98 предельного значения, если источник тока замыкают на катушку сопротивлением 10 Ом и индуктивностью 0,4 Гн.

7.Алюминиевый шарик радиусом 0,5 см помещен в однородное магнитное

поле (B0 = 1 Тл). Определить магнитный момент, приобретенный шариком, если магнитная восприимчивость алюминия 2,1 10–5.

8.Физический маятник представляет собой тонкий однородный стержень длиной 25 см. Определить, на каком расстоянии от центра масс должна быть точка подвеса, чтобы частота колебаний была максимальной.

9.Колебательный контур содержит катушку индуктивностью 5 мГн и конденсатор емкостью 2 мкФ. Для поддержания в колебательном контуре незатухающих гармонических колебаний с амплитудным значением напряжения на конденсаторе 1 В необходимо подводить среднюю мощность 0,1 мВт. Считая затухание колебаний в контуре достаточно

малым, определить добротность данного контура.

10.Электромагнитная волна с частотой 4 МГц переходит из немагнитной среды с диэлектрической проницаемостью ε =3 в вакуум. Определить приращение ее длины волны.