3

ФИЗИКА

Методические указания к выполнению контрольной работы

№3

Новосибирск-1999

Настоящие методические указания предназначены для студентов института дистанционного образования. В них рассматриваются две темы раздела «Электростатика» и раздел «Постоянный ток».

Материал изложен следующим образом. Даны определения основных физических величин и соотношения между ними. Рассмотрена классификация задач и возможные способы их решения. Приведены таблица вариантов, условия задач для самостоятельного решения и ответы к ним.

Составители канд. пед. наук, доц. Э.Б.Селиванова, канд. тех. наук, доц. В.Я.Чечуев, канд. физ.-мат. наук, доц. С.И.Вашуков, канд. тех. наук, доц. В.В.Христофоров, асс. А.А.Погорельская, асс. Л.М.Родникова.

Рецензенты

Работа подготовлена кафедрой общей физики

Контрольная работа № 3 включает семь задач по разделам «Электростатика» и «Постоянный ток». Для изучения этих разделов рекомендуется использовать следующую литературу.

1.Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1982-1998.

2.Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1990.

3.Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1985.

4.Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. - М.: Высшая школа, 1983.

5.Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 1979.

Кроме выполнения и защиты контрольных работ, в период сессии студенты института дистанционного образования выполняют и защищают лабораторные работы по изучаемым разделам физики.

Напоминаем основные требования, предъявляемые к оформлению контрольных работ: условия задач следует переписать полностью, затем нужно сделать краткую запись условия, используя единицы СИ, получить решение в общем виде, проверить размерность результата и только после этого делать вычисления. Если используемые формулы не являются физическими законами, то необходимо их вывести. При расчетах соблюдайте правила приближенных вычислений.

Вопросы, выносимые на экзамен по разделам «Электростатика», «Постоянный ток».

1.Элементарный заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.

2.Электрическое поле. Напряженность поля. Принцип суперпозиции для вектора напряженности. Силовые линии.

3.Поток вектора напряженности Теорема Гаусса.

4.Вычисление напряженности электрического поля бесконечной заряженной плоскости.

5.Работа сил электрического поля. Циркуляция вектора напряженности. Потенциал. Потенциал поля точечного заряда. Принцип суперпозиции для потенциала.

6.Электрический диполь. Диполь в однородном электрическом поле.

7.Связь между напряженностью и потенциалом.

8.Взаимное расположение эквипотенциальных поверхностей и силовых линий.

9.Электрическое поле внутри и снаружи проводника.

10.Электрическая емкость. Конденсаторы. Соединение конденсаторов. 11.Энергия системы зарядов. Энергия заряженного проводника и конденсатора.

Энергия электрического поля.

В большинстве макроскопических явлений участвует громадное число элементарных электрических зарядов. Так на каждой из обкладок плоского конденсатора емкостью 10 мкФ при разности потенциалов 100В содержится около 7 1015 нескомпенсированных элементарных зарядов. При этом их дискретность никак не проявляется. Поэтому можно считать, что заряд как бы непрерывно распределен на обкладках. Различают объемную, поверхностную и линейную плотности зарядов.

Объемной плотностью называется отношение заряда Q к объему V, в которой этот заряд находится:

физически малый объем, но не бесконечно малый в математическом смысле. Физически малый - это значит, что его положение в пространстве достаточно точно характеризуется координатами какой-то точки, расположенной внутри него. Однако в этом объеме должно находиться такое достаточно большое количество элементарных зарядов, чтобы небольшое изменение их числа не приводило к существенному изменению плотности, вычисляемой по формуле

(1).

где S - бесконечно малая в физическом смысле площадь, по которой распределяется заряд. Линейная плотность зарядов - это отношение заряда к бесконечно малой в физическом смысле длине, по которой распределен заряд:

Взаимодействие между покоящимися электрическими зарядами

Для точечных зарядов взаимодействие описывается экспериментальным законом Кулона, который в системе СИ для зарядов, находящихся в вакууме, имеет вид

где q1 и q2 - модули взаимодействующих зарядов; r12 - радиус-вектор,

определяющий положение заряда q1 в поле точечного заряда q2.

F12 - сила, действующая на заряд q1 со стороны заряда q2. На заряд q2 со

стороны заряда q1 действует сила F21 F12 .

Электрическое поле

Взаимодействие между покоящимися зарядами осуществляется через электрическое поле, создаваемое каждым из зарядов в окружающем его пространстве. Силовой характеристикой электрического поля является величина, называемая напряженностью. В данной точке она определяется как отношение силы, с которой поле действует на точечный заряд, помещенный в точку, к величине этого заряда:

q

Из (5) следует, что направление вектора E совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. Основная задача электростатики: по величине и местонахождению зарядов, создающих поле, определить значения

E в разных точках пространства. Эта задача может быть решена либо с помощью принципа суперпозиции, либо с помощью теоремы Гаусса.

Принцип суперпозиции

т.е. напряженность поля любого числа точечных зарядов в данной точке равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности в этой точке. Принципом суперпозиции удобно пользоваться при расчете поля сравнительно небольшого числа дискретных зарядов. В случае непрерывного распределения зарядов расчет поля с помощью этого универсального метода становится громоздким. В этом случае часто удобнее воспользоваться теоремой Гаусса. Она формулируется следующим образом: поток вектора напряженности электрического поля через любую воображаемую замкнутую поверхность S равен в вакууме отношению алгебраической суммы зарядов, заключенных внутри этой поверхности, к электрической постоянной о:

зарядами, но при таком их распределении, которое возникает в присутствии диэлектрика.

Для изотропных диэлектриков любого типа поляризованность связана с напряженностью поля в той же точке простым соотношение

где: - диэлектрическая восприимчивость. Подставив (11) в (10), получим

Величина показывает, во сколько раз ослабляется электрическое поле внутри однородного диэлектрика по сравнению с полем в вакууме.

Граничные условия

Граничными условиями называется связь между векторами поля по разные стороны поверхности, разграничивающей две области. Пусть разделяемыми областями являются два диэлектрика с относительными

диэлектрическими проницаемостями 1 и 2 . Тогда для проекций векторов и

D на направления нормали и касательной к поверхности раздела, на которой отсутствуют сторонние заряды, выполняются следующие соотношения:

Из (11) и (12) следует, что силовые линии преломляются на границе раздела между диэлектриками. На рис. 2,а показан пример преломления силовых линий

Из (13) следует, что густота силовых линий меняется при переходе через границу раздела двух диэлектриков.

2. Классификация задач и пути из решения

Задачи этой темы можно разделить на четыре типа:

1.Задачи, в которых рассматривается взаимодействие точечного и распределенного зарядов.

2.Задачи, в которых рассматривается взаимодействие точечного и распределенного зарядов.

3.Задачи, в которых требуется определить напряженность электрического поля по известным величинам и распределению зарядов.

4.Задачи, в которых рассматривается взаимодействие распределенных

зарядов.

Среди задач первого типа интерес представляют задачи, в которых взаимодействующие точечные заряды находятся в состоянии равновесия. Они решаются путем применения закона Кулона и принципа суперпозиции. При этом последовательность операций должна быть следующей:

1.Сделать рисунок и провести идеализацию рассматриваемой в задаче физической системы.

2.Выбрать какой-либо заряд и указать на рисунке действующие на него

силы.

3. Для выбранного заряда записать в векторной форме уравнение Fi 0,

где Fi - силы, действующие на выбранный заряд.

4.Спроектировав полученное выше векторное уравнение на выбранное направление, получить уравнение в скалярной форме. За выбранное обычно принимается направление, вдоль которого силы действуют в противоположных направлениях.

5.Подставить в полученное выше скалярное уравнение выражения для сил по закону Кулона и, исходя из геометрических соображений, преобразовать его таким образом, чтобы осталась только одна неизвестная величина.

6.Решить уравнение с одним неизвестным.

Задачи второго типа могут быть решены двумя методами.

Первый состоит в применении закона Кулона и принципа суперпозиции. Второй заключается в нахождении любым путем напряженности поля, создаваемого распределенным зарядом в точке, где находится точечный заряд q

, и вычислении силы из соотношения F q , т.е. по существу сводится к решению задачи третьего типа, а потому отдельно мы его рассматривать не будем.

При решении задач первым методом можно руководствоваться следующим алгоритмическим предписанием:

1.Сделать рисунок и провести идеализацию рассматриваемой в задаче физической системы.

2.Разделить заданный линейный, поверхностный или объемный заряд на

такие элементы, чтобы находящийся на них заряд соответственно dl, dS

иdV можно было считать точечным.

3.Выбрать какой-либо из элементов и по закону Кулона записать выражение для силы, действующей с его стороны на заданный точечный заряд.

4.Указать вектор этой силы на рисунке и разложить его на перпендикулярную (по отношению к распределенному заряду) и параллельную составляющие. Для каждой из составляющих записать закон Кулона.

5.Выбрать переменную интегрирования и определить пределы, в которых она изменяется. При этом за переменную интегрирования следует принимать

dV относительно точечного заряда.

6.Из геометрических соображений выразить величины, входящие в уравнения для перпендикулярной и параллельной составляющих, через известные и переменную интегрирования и полученный результат подставить в эти уравнения.