Раздел I. «Электростатика. Постоянный ток»

Орловский государственный аграрный университет

Кафедра физики

Методические рекомендации к заданиям

для самостоятельной работы студентов инженерных специальностей сельскохозяйственных вузов.

Часть II: «Электричество и электромагнетизм» и «Электромагнитные колебания и волны»

Орёл 2003

Методическое пособие составлено в соответствии с государственным стандартом и может быть использовано при самостоятельной подготовке к модулям, практическим занятиям, экзаменам по физике.

Рецензенты: к.п.н., доцент кафедры теоретической физики ОГУ

Сергеенко Т.Н.

к.ф-м.н., доцент кафедры физики ОГАУ Иващук О.А.

Составили к.п.н., доцент кафедры физика ОГАУ Зубова И.И.

ассистент кафедры физика ОГАУ Гришина С.Ю.

Методическое пособие одобрено и рекомендовано к использованию в учебном процессе на заседании кафедры физики.

(Протокол №_______от_______2003г.)

Методическое пособие одобрено и рекомендовано к использованию в учебном процессе методической комиссией факультета гуманитарных и ЕН дисциплин.

(Протокол №_______от_______2003г.)

Введение

Использование современной инновационной технологии модульного обучения и прикладная направленность фундаментальных знаний позволяют решить задачу профессиональной подготовки студентов инженерных специальностей с/х вузов по курсу физики.

Распределение основных тем по блокам-модулям, предполагает, что каждый из них включает различные виды занятий: лекции, практические и лабораторные работы в сочетании с целенаправленной системой самостоятельной подготовки студентов. Особенностью такой самостоятельной работы является ярко выраженная профессиональная направленность вопросов и задач.

Данное пособие содержит систему заданий к трём основным модулям: «Электростатика. Постоянный ток», «Электромагнетизм» и «Электромагнитные колебания и волны».

Вопросы и задачи могут быть использованы для дифференцированного контроля знаний студентов на любом этапе изучения темы.

Пособие адресовано студентам инженерных специальностей с/х вузов и преподавателям с целью организации самостоятельной работы в процессе изучения курса физики.

Методические рекомендации

к вопросам для самоконтроля:

1. Прежде чем ответить на вопросы раздела, изучите содержание лекции и соответствующие параграфы в рекомендуемой литературе;

2. Выпишите основные формулы, запомните определения и физические законы;

3. Найдите материал к вопросам, вынесенным на самостоятельное изучение, составьте конспект, включающий запись необходимых формул, определений, основных схем и рисунков.

к задачам:

В пособии приведены различные типы текстовых задач: качественные и количественные.

К качественным задачам относятся задачи, при решении которых определяются только качественные зависимости между физическими величинами. В данном пособии такие задачи носят прикладной характер и требуют знаний не только разделов физики, но и техники.

Последовательность решения качественных задач может быть следующей:

1. Ознакомление с условием задачи, его осмысление и усвоение;

2. Анализ содержания задачи, рисунков и схем, выявление её физического смысла.

3. С помощью логических рассуждений, полученных путем применения физических законов к конкретному случаю, сделать вывод.

4. Анализ полученного ответа.

Важным критерием усвоения теоретического материала является умение студентов решать количественные задачи по пройденным темам.

При решении таких задач необходимо выделить следующий алгоритм:

1. Приступая к решению задачи, необходимо ещё раз повторить теоретический материал, относящейся к данной теме;

2. Понять постановку вопроса задачи и создать замысел решения;

3. Кратко записать условия задачи и выразить все величины в «СИ»;

4. Сделать поясняющий рисунок или схему;

5. Выписать необходимые формулы, характеризующие физические законы. Найти связи между искомыми и данными величинами;

6. Решить задачу в «общем» виде;

7. Найти числовое значение величин, при необходимости используя табличные и постоянные значения;

8. Проверить правильность размерность искомой величины и реальность числового ответа.

Если Вы, тем не менее, испытываете затруднение при решении задач необходимо обратиться к методическим пособиям (10,11), в которых представлены уже разобранные похожие задачи.

В разделе I (3.1.1.) приведён ряд задач, в которых требуется выполнить расчёт конденсаторных цепей. В этих задачах, прежде всего, необходимо установить тип соединения. Дальнейший расчёт сводится к применению формул. При последовательном соединении конденсаторов напряжение на батарее равно алгебраической сумме напряжений на отдельных конденсаторах: U = ;

заряд на каждом конденсаторе имеет одинаковую величину и равен полному заряду батареи:

q₁ = q₂ = … = q_n= q_o ;

ёмкость батареи определяется по формуле:

_.

Если конденсаторы соединены параллельно, то общий заряд батареи равен сумме зарядов всех конденсаторов:

q₀ = ;

напряжение на каждом конденсаторе и на всей батарее одинаково:

U₁ = U₂ =… = U_n = U₀;

ёмкость батареи равна сумме соединяемых ёмкостей:

C₀ =

В случаях смешанного соединения конденсаторов необходимо заменить имеющуюся схему другой, эквивалентной данной, такой, чтобы можно было разложить на элементы последовательного и параллельного соединений.

В разделе I (3.3) требуется произвести расчёт разветвленных электрических цепей. Они рассчитаны на применение правил Кирхгофа и целесообразно придерживаться следующей последовательности:

1. Выбрать (произвольно) направление токов во всех участках разветвлённой цепи, отметив их на чертеже стрелками;

2. Записать I правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:

(1),

при составлении уравнения (1) надо соблюдать правило знаков: токи, входящие в узел, считаются положительными, а выходящие из узла – отрицательными; следует иметь в виду, что число независимых уравнений всегда на единицу меньше числа узлов, имеющихся в данной цепи;

3. Выбрать направление обхода контура цепи (в направлении движения часовой стрелки или в противоположном);

4. Составить уравнения для каждого контура, применяя II правило Кирхгофа: для любого замкнутого контура алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков цепи равна алгебраической сумме всех ЭДС, действующих в этом контуре:

(2),

при этом учитывают следующее: токи, совпадающие с направлением обхода контура, записывают со знаком плюс, а противоположно направленные - со знаком минус; положительными считают те ЭДС, у которых при обходе контура сначала встречается отрицательный полюс источника, затем положительный;

5. Составить систему уравнений, решить её известными Вам способами, используя математический аппарат;

6. Проанализировать ответ: если значения токов получаются со знаком минус, то следует их направление поменять на противоположные.

В качестве примера можно рассмотреть разобранные задачи №3.97, 3.98, 3.102 из (10).

При решении задач-рисунков из раздела II необходимо:

1. Знать основные правила определения направления вектора магнитной индукции В(правило «правого винта»);

2. Уметь применять правило «левой руки» для определения направления силы Ампера и силы Лоренца;

3. Знать закон электромагнитной индукции и правило Ленца для определения направления индукционного тока;

Формой контроля за самостоятельной работой является отчёт по соответствующему модулю. Ниже приведён один из вариантов вопросов и задач, предложенный при отчёте по теме «Электромагнетизм»:

1. Как ведёт себя электрический заряд, влетающий в магнитное поле?

2. Запишите и проанализируйте выражения для объёмной плотности энергии электростатического и магнитного полей.

3. Горизонтальное магнитное поле с индукцией 0,48 Тл уравновешивает проводник, по которому течёт ток 23А. Угол между направлениями тока и поля равен 60⁰. Определить длину проводника, если его масса 0,0237кг.

4. В однородном магнитном поле с индукцией 0,2 Тл равномерно с частотой 600мин^-1 вращается рамка, содержащая 1200 витков, плотно прилегающих друг к другу. Площадь рамки 50 см². Ось вращения лежит в плоскости рамки и перпендикулярна линиям магнитной индукции. Определите максимальную ЭДС, индуцируемую в рамке.

5. В поддоне тракторного двигателя для слива масла имеется отверстие, в которое завинчивается намагниченная пробка. Каково её назначение?

Раздел I. «Электростатика. Постоянный ток»

Вопросы для самоконтроля.

1. Дайте понятие электрического заряда и способов электризации тел. Приведите закон сохранения заряда.

2. Приведите модели непрерывного распределения заряда. Дайте определение линейной, поверхностной и объёмной плотности зарядов. Укажите единицы их измерения.

3. Приведите закон Кулона в системе СИ.

4. Охарактеризуйте электростатическое поле. Дайте понятие напряжённости электростатического поля и поля точечного заряда.

5. Сформулируйте принцип суперпозиции электрических полей. Что называется линией вектора напряжённости? Как они проводятся?

6. Как рассчитать напряжённость поля неточечного электрического заряда?

7. Как с помощью силовых линий изображается электрическое поле?

8. Чему равен поток вектора напряжённости через замкнутую поверхность, если алгебраическая сумма зарядов внутри поверхности равна нулю?

9. Используя теорему Остроградского-Гаусса рассчитайте поле: а)бесконечной равномерно заряженной плоскости; б) двух разноименно заряженных бесконечных плоскостей; в) равномерно заряженного шара; г) равномерно заряженной сферы.

10. Что понимают под электрическим диполем? Поле диполя.

11. Что будет с диполем, если его поместить в однородное или неоднородное электрическое поле?

12. Какие поля называются потенциальными? Приведите примеры.

13. Что понимают под потенциалом электростатического поля? Единицы его измерения.

14. Укажите связь между напряжённостью и потенциалом.

15. Что называется эквипотенциальными поверхностями?

16. Как будет меняться потенциальная энергия точечного заряда при его приближении к положительному заряду?

17. Если известно, что напряжённость в какой-то точке поля равна нулю, значит ли это, что потенциал в этой точке тоже равен нулю?

18. Рассчитайте потенциал электрического поля, образованного: а)бесконечной равномерно заряженной плоскостью; б) двумя разноименно заряженными бесконечными плоскостями; в) равномерно заряженным шаром; г) равномерно заряженной сферой; д) бесконечной заряженной нитью.

19. Как распределён заряд в проводнике? Рассмотрите поведение проводника в электростатическом поле. Электрическая защита.

20. Что называется электроёмкостью проводника? Конденсаторы. Электроёмкость плоского конденсатора.

21. Рассчитайте общую ёмкость при последовательном и параллельном соединении конденсаторов.

22. Назовите три основные группы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации.

23. Что называется электрическим смещением? Относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Электрическое поле в веществе.

24. Укажите связь между относительной диэлектрической проницаемостью и диэлектрической восприимчивостью.

25. Какая связь между вектором поляризации и вектором напряжённости.

26. Приведите формулу энергии электростатического поля. Плотность энергии.

27. Что называется электрическим током? Условие существования электрического тока.

28. Дайте определения основным характеристикам электрического тока: силы тока, плотности тока. Единицы измерения их в СИ.

29. Сопротивление проводников. От чего зависит сопротивление?

30. Приведите закон Ома в дифференциальной форме.

31. Приведите закон Ома для участка цепи.

32. Дайте определение ЭДС источника. Единицы ЭДС в СИ.

33. Что называется напряжением на данном участке цепи?

34. Что представляют собой «сторонние» силы и их роль в возникновении постоянного тока? ЭДС гальванического элемента. Приведите закон Ома для полной цепи?

35. Приведите правила Кирхгофа.

36. Дайте определение работе электрического тока и мощности. Единицы работы и мощности электрического тока.

37. Приведите закон Джоуля-Ленца для электрических цепей в дифференциальной и интегральной формах.

38. Что представляет собой электрический ток в вакууме? Охарактеризуйте термоэлектронную эмиссию. Вакуумный диод. Вольтамперная характеристика.

39. Что представляет собой электрический ток в газе? Процессы ионизации и рекомбинации. Вольтамперная характеристика несамостоятельного газового разряда.

40. Охарактеризуйте самостоятельный разряд в газе и его разновидности. Укажите практическое применение самостоятельного разряда в газе. Понятие о плазме.

41. Охарактеризуйте ток в жидкостях. Приведите законы Фарадея для электролиза. Физический смысл числа Фарадея. Практическое применение электролиза.

Качественные задачи

Электростатика

1. В кабине бензовоза имеется надпись: «При наливе и сливе горючего обязательно включите заземление». Почему необходимо соблюдать данное требование?

2. Авиационное топливо в основном электризуется при фильтровании. Изобретение фильтра, при прохождении через который жидкость почти не заряжается, является важной проблемой. Почему такой фильтр должен состоять из двух различных материалов? Какими электрическими свойствами должны обладать эти материалы по отношению к топливу?

3. С какой целью на взрывоопасном производстве приводные ремни должны быть обработаны антистатической (проводящей) пастой, а шкивы заземлены?

4. Может ли в ременной передаче электризоваться только ремень, а шкив оставаться незаряженным? Почему? Считайте, что шкив не заземлен.

5. Трущиеся части машин, например ременная передача, типографская бумага в ротационной машине, пряжа на ткацком станке и т.д., наэлектризовавшись, могут вызвать аварию и неполадки. Для устранения статических зарядов вблизи таких машин устанавливают нейтрализаторы, испускающие лучи, под действием которых молекулы воздуха расщепляются на частицы, одни из которых заряжены положительно, а другие - отрицательно (рис.1). Объясните действие такой защитной установки.

6.

7. В электрическом поле между двумя заряженными пластинами находились в равновесии заряженные шарики ничтожных размеров. После того, как шарики осветили рентгеновскими лучами, они начали падать. Для восстановления равновесия электрическое поле пришлось усилить в два раза. Чем это вызвано?

8. Основной частью телевизора является электроннолучевая трубка, в которой электроны, испускаемые накалённой проволокойК, проходят между заряженными пластинами (рис.3), падают на экран Эи вызывают его свечение. Как должны быть заряжены пластины, чтобы поток электронов отклонялся так, как это изображено на рисунке?