Физика 2: Электричество и магнетизм: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (10) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Закон Кулона и электрическое поле

Закон Кулона: F = k·|q₁q₂|/r²
Поле точечного заряда: E = k·|q|/r²
Постоянная: k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
Сила, действующая на заряд: F = q·E

Последовательные и параллельные резисторы

Последовательное соединение резисторов: R_eq = R₁ + R₂ + …
Параллельное соединение резисторов: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Два параллельно: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Закон Ома: V = I·R
Мощность: P = V·I = I²R = V²/R

Метод

Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
После каждого шага перерисовывайте схему.
Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени: τ = RC | τ = L/R
Отклик: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Конденсатор на постоянном токе: разрыв; v_C не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе: короткое замыкание; i_L не может измениться скачком
Установившийся режим: t ≈ 5τ

Метод

Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

Магнитные поля и индукция

Длинный прямой провод: B = μ₀I/(2πr)
Центр плоской катушки: B = μ₀NI/(2R)
Длинный соленоид: B = μ₀nI, n = N/L
Постоянная: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Сила, действующая на провод: F = BIL·sin θ
Сила, действующая на заряд: F = |q|vB·sin θ
Движение по окружности: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Параллельные провода: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
Поток: Φ = BA·cos θ
Закон Фарадея: ε = −N·ΔΦ/Δt
Движущийся стержень: ε = BLv
Генератор: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
Индуктивность: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
Взаимная индуктивность: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
Селектор скоростей и спектрометр: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Метод

Переведите каждую величину в единицы СИ: cm в m, cm² в m², mT и µT в T.
Выберите правильную формулу: B = μ₀I/(2πr) для провода, μ₀NI/(2R) для центра катушки, μ₀nI внутри соленоида; F = BIL·sin θ или |q|vB·sin θ для сил.
Для индукции найдите изменение потока ΔΦ = Δ(BA·cos θ) и используйте ε = N·ΔΦ/Δt, либо ε = BLv для движущегося стержня и NBAω для вращающейся катушки.
Направления находите отдельно по правилам правой руки, а для индукционных токов — по правилу Ленца.

Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Полные сопротивления: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Угловая частота: ω = 2πf
Модуль и угол: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексной форме: V = I·Z

Метод

Переведите частоту: ω = 2πf.
Найдите каждое реактивное сопротивление: X_L = ωL и X_C = 1/(ωC).
Складывайте сопротивления как у резисторов, с Z = R + jX.
Найдите модуль |Z| = √(R² + X²) и угол φ = atan(X/R), затем примените закон Ома для комплексных амплитуд.

2Тренировочные задачи

1.Закон Кулона и электрическое полеСредняя

Заряд +3 µC и заряд +4 µC находятся на расстоянии 20 cm друг от друга. Точка P лежит на прямой между ними на расстоянии 12 cm от первого заряда. Найдите модуль напряжённости электрического поля E в точке P.

q₁ = +3 µCq₂ = +4 µCr₁ = 12 cmr₂ = 8 cm

E = N/C

2.Закон Кулона и электрическое полеСложная

Три положительных точечных заряда находятся в вершинах прямоугольного треугольника: q₃ = 8 µC — в вершине прямого угла, q₁ = 8 µC — на расстоянии 6 cm от неё вдоль одного катета, q₂ = 3 µC — на расстоянии 4 cm от неё вдоль другого катета. Найдите модуль результирующей электрической силы F, действующей на q₃.

q₁ = 8 µCq₂ = 3 µCq₃ = 8 µCr₁₃ = 6 cmr₂₃ = 4 cm

F = N

3.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите ток I_R2 через R₂.

V₁ = 12 VR₁ = 20 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 8 Ω

I_R2 = A

4.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите эквивалентное сопротивление R_eq, которое видит источник V₁.

V₁ = 24 VR₁ = 12 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 8 ΩR₆ = 6 Ω

R_eq = Ω

5.Переходные процессы RC и RLСредняя

Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите постоянную времени τ цепи после замыкания ключа.

V_s = 9 VR₁ = 4,7 kΩR₂ = 1 kΩC = 22 µF

τ = ms

6.Переходные процессы RC и RLСложная

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 10 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе v_C в момент t = 100 ms.

V_s = 24 VR = 1 kΩC = 47 µFv_C(0) = 10 Vt = 100 ms

v_C = V

7.Магнитные поля и индукцияСредняя

По проводу идёт ток вверх по странице в однородном магнитном поле, направленном в плоскость страницы. Нажмите на направление магнитной силы, действующей на провод.

I: вверх по страницеB: в плоскость страницы

1вверх по странице
2вправо
3вниз по странице
4влево

8.Магнитные поля и индукцияСложная

Ток в катушке индуктивностью 40 mH равномерно меняется от 2,5 A до 2 A за 2 ms. Найдите модуль ЭДС самоиндукции ε.

L = 40 mH2,5 A → 2 AΔt = 2 ms

ε = V

9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя

Последовательная цепь RLC подключена к сети 100 V (действующее значение), 50 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 47 µF

cos φ =

10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная

Резистор R₁ включён последовательно с параллельным соединением R₂ и конденсатора C в сеть 100 V (действующее значение), 500 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR₁ = 50 ΩR₂ = 100 ΩC = 2,2 µF

I = A

3Растворы

1.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: E = 3,746 × 10⁶ N/C

Закон Кулона: два точечных заряда притягиваются или отталкиваются с силой F = k·|q₁·q₂|/r², где k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Напряжённость поля точечного заряда E = k·|q|/r²; поле направлено от положительного заряда и к отрицательному. Силы и поля от нескольких зарядов складываются как векторы.

Поле каждого заряда

E₁ = k·3 × 10⁻⁶/0,12² = 1,873 × 10⁶ N/C

E₂ = k·4 × 10⁻⁶/0,08² = 5,619 × 10⁶ N/C

Направления и сумма

Оба заряда положительны: в точке P их поля направлены от соответствующего заряда, то есть в противоположные стороны.

E = |1,873 × 10⁶ − 5,619 × 10⁶| = 3,746 × 10⁶ N/C

Ответ

E = 3,746 × 10⁶ N/C

2.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: F = 209,1 N

Каждая сила, действующая на q₃

F₁ = k·8·8 × 10⁻¹²/0,06² = 159,8 N

F₂ = k·3·8 × 10⁻¹²/0,04² = 134,8 N

Векторная сумма

F = √(159,8² + 134,8²) = 209,1 N

Ответ

F = 209,1 N

3.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R2 = 0,4681 A

Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R₃ + R₄ = 3 + 8 = 11 Ω

R₂ ∥ 11 = 2·11/(2+11) = 1,692 Ω

R_eq = R₁ + 1,692 = 20 + 1,692 = 21,69 Ω

Ток источника

Источник видит только R_eq, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 12/21,69 = 0,5532 A

Ток через R₂

Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 12 − 0,5532·20 = 0,9362 V

I_R2 = V_A/R₂ = 0,9362/2 = 0,4681 A

Ответ

I_R2 = 0,4681 A

4.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: R_eq = 15,07 Ω

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 8 + 6 = 14 Ω

R₄ ∥ 14 = 8,235 Ω

R₃ + 8,235 = 13,24 Ω

R₂ ∥ 13,24 = 3,072 Ω

R_eq = R₁ + 3,072 = 12 + 3,072 = 15,07 Ω

Ответ

R_eq = 15,07 Ω

5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: τ = 18,14 ms

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Эквивалентная схема Тевенина со стороны конденсатора

Закоротите источник, чтобы найти R_th; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.

R_th = R₁ ∥ R₂ = 4,7·1/(4,7 + 1) = 0,8246 kΩ

v_C(∞) = 9·1/(4,7 + 1) = 1,579 V

Постоянная времени

τ = R_th·C = 0,8246·22 = 18,14 ms

Ответ

τ = 18,14 ms

6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_C = 22,33 V

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.

v_C(0) = 10 V, v_C(∞) = V_s = 24 V

τ = R·C = 1 kΩ · 47 µF = 47 ms

v_C(t) = 24 + (10 − 24)·e^−t/τ

Напряжение в заданный момент

v_C(100) = 24 + (−14)·e^−100/47 = 22,33 V

Ответ

v_C = 22,33 V

7.Магнитные поля и индукция

Ответ: влево

Магнитные силы: на прямой провод с током I в поле B действует сила F = BIL·sin θ, а на движущийся заряд — F = |q|vB·sin θ, где θ — угол между током (или скоростью) и B. Сила перпендикулярна им обоим: направьте пальцы правой руки вдоль I или v, согните их к B, и большой палец покажет F для положительного заряда; для отрицательного заряда направление меняется на противоположное. Поскольку F перпендикулярна v, заряд, движущийся поперёк однородного поля, движется по окружности: |q|vB = mv²/r даёт r = mv/(|q|B) и период T = 2πm/(|q|B), не зависящий от скорости. Два параллельных провода притягиваются при токах в одном направлении: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Правило правой руки

Направьте пальцы вдоль тока или скорости и согните их к B; большой палец покажет силу, действующую на положительный заряд.

I: вверх по странице, B: в плоскость страницы

Направление силы

влево

Ответ

F: влево

8.Магнитные поля и индукция

Ответ: ε = 10 V

Электромагнитная индукция: поток через контур равен Φ = BA·cos θ, где θ — угол между B и нормалью к контуру. Закон Фарадея: изменение потока наводит в катушке из N витков ЭДС ε = −N·dΦ/dt, а правило Ленца гласит, что индукционный ток течёт так, что его собственное поле противодействует изменению. Стержень, движущийся поперёк поля, даёт ε = BLv. Катушка, вращающаяся с угловой скоростью ω, даёт e = NBAω·sin ωt с амплитудой NBAω. Самоиндукция: ε = −L·di/dt, где L = μ₀N²A/l для длинного соленоида, а запасённая энергия равна W = ½LI². Две связанные катушки: ε₂ = −M·di₁/dt, где M = k√(L₁L₂).

ЭДС самоиндукции

ЭДС противодействует изменению тока (Ленц), поэтому её знак противоположен ΔI; по модулю она равна L·|ΔI|/Δt.

ε = L·ΔI/Δt = 0,04·0,5/0,002 = 10 V

Ответ

ε = 10 V

9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: cos φ = 0,3818

Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.

Реактивные сопротивления

X_L = 31,42 Ω, X_C = 67,73 Ω

Полное сопротивление

|Z| = √(15² + (−36,31)²) = 39,29 Ω

Коэффициент мощности

cos φ = R/|Z| = 15/39,29 = 0,3818

Цепь ёмкостная, поэтому коэффициент мощности опережающий.

Ответ

cos φ = 0,3818

10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,7897 A

Реактивное сопротивление

X_C = 1/(2π·500·2,2·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Параллельное соединение

Умножьте числитель и знаменатель на комплексно сопряжённое число, чтобы разделить Z_p на действительную и мнимую части.

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 67,67 − j46,77 Ω

Полное сопротивление цепи

Z = 50 + 67,67 − j46,77 = 117,7 − j46,77 Ω

|Z| = √(117,7² + 46,77²) = 126,6 Ω

Ток

I = V/|Z| = 100/126,6 = 0,7897 A

Ответ

I = 0,7897 A

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism