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

Заряды +4 µC и +5 µC находятся на расстоянии 80 cm друг от друга. На каком расстоянии x от заряда +4 µC на отрезке между ними напряжённость электрического поля равна нулю?

q₁ = +4 µCq₂ = +5 µCd = 80 cm

x = cm

2.Закон Кулона и электрическое полеСложная

Два одинаковых маленьких шарика массой 8 g каждый подвешены в одной точке на изолирующих нитях длиной 30 cm. Им сообщают равные заряды, и каждая нить устанавливается под углом 15° к вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите заряд q каждого шарика в nC. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 8 gL = 30 cmθ = 15°g = 9,81 m/s²

q = nC

3.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 9 VR₁ = 15 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 15 Ω

I_R1 = A

4.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 15 VR₁ = 12 ΩR₂ = 30 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 2 ΩR₅ = 20 ΩR₆ = 4 Ω

I_R1 = A

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 напряжение на конденсаторе v_C в момент t = 120 ms.

V_s = 20 VR₁ = 6,8 kΩR₂ = 10 kΩC = 10 µFt = 120 ms

v_C = V

6.Переходные процессы RC и RLСложная

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 7,2 V, ровно через 1000 ms после старта. При C = 10 µF найдите необходимое сопротивление R.

V_s = 12 VV_th = 7,2 VT = 1000 msC = 10 µF

R = kΩ

7.Магнитные поля и индукцияСредняя

Протон движется со скоростью 3 × 10⁶ m/s перпендикулярно однородному магнитному полю 0,25 T. Найдите радиус r его круговой траектории.

m = 1,673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cv = 3 × 10⁶ m/sB = 0,25 T

r = cm

8.Магнитные поля и индукцияСложная

Катушка из 50 витков размером 15 cm × 10 cm вращается в однородном поле 0,1 T вокруг оси, перпендикулярной полю. С какой скоростью n (в оборотах в минуту) она должна вращаться, чтобы действующее значение ЭДС составляло 9,996 V?

N = 50A = 15 cm × 10 cmB = 0,1 TE_rms = 9,996 V

n = rpm

9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя

Резистор и катушка включены параллельно в сеть 24 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 50 mH

|Z| = Ω

10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная

Последовательный RLC-контур питается от источника 2 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение V_L на катушке.

V = 2 V (rms)R = 5 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF

V_L = V

3Растворы

1.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: x = 37,77 cm

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

Равные поля

4/x² = 5/(80 − x)²

(80 − x)/x = √(5/4) = 1,118

Положение

x = 80/(1 + 1,118) = 37,77 cm

Ответ

x = 37,77 cm

Нулевая точка всегда ближе к меньшему заряду.

2.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: q = 237,5 nC

Электрическая сила из условия равновесия

Горизонтальная составляющая натяжения уравновешивает F, вертикальная — m·g.

F = m·g·tan θ = 0,008·9,81·tan 15° = 0,02103 N

Расстояние между шариками

r = 2·L·sin θ = 2·0,3·sin 15° = 0,1553 m

Заряд

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,1553·√(0,02103/8,99 × 10⁹) = 2,375 × 10⁻⁷ C = 237,5 nC

Ответ

q = 237,5 nC

3.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 0,4588 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 = 5 + 15 = 20 Ω

R₂ ∥ 20 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω

R_eq = R₁ + 4,615 = 15 + 4,615 = 19,62 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 = 9/19,62 = 0,4588 A

Ответ

I_R1 = 0,4588 A

4.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 0,8233 A

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 20 + 4 = 24 Ω

R₄ ∥ 24 = 1,846 Ω

R₃ + 1,846 = 7,846 Ω

R₂ ∥ 7,846 = 6,22 Ω

R_eq = R₁ + 6,22 = 12 + 6,22 = 18,22 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 = 15/18,22 = 0,8233 A

Ответ

I_R1 = 0,8233 A

5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_C = 11,29 V

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 = 6,8·10/(6,8 + 10) = 4,048 kΩ

v_C(∞) = 20·10/(6,8 + 10) = 11,9 V

Постоянная времени

τ = R_th·C = 4,048·10 = 40,48 ms

Кривая заряда

v_C(t) = 11,9·(1 − e^−120/40,48) = 11,29 V

Ответ

v_C = 11,29 V

6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: R = 109,1 kΩ

Требуемая постоянная времени

7,2 = 12·(1 − e^−1000/τ) → τ = 1000/ln(12/(12 − 7,2))

τ = 1000/0,9163 = 1091 ms

Сопротивление

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

R = τ/C = 1091/10 = 109,1 kΩ

Ответ

R = 109,1 kΩ

7.Магнитные поля и индукция

Ответ: r = 12,53 cm

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).

Баланс сил

Магнитная сила всегда перпендикулярна скорости, поэтому она искривляет траекторию в окружность.

|q|vB = mv²/r → r = mv/(|q|B)

Радиус

r = 1,673 × 10⁻²⁷·3 × 10⁶/(1,602 × 10⁻¹⁹·0,25) = 0,1253 m = 12,53 cm

Ответ

r = 12,53 cm

8.Магнитные поля и индукция

Ответ: n = 1800 rpm

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).

Амплитудная ЭДС

E₀ = √2·E_rms = 14,14 V

Угловая скорость

ω = E₀/(NBA) = 14,14/(50·0,1·0,015) = 188,5 rad/s

Обороты в минуту

n = 60·188,5/(2π) = 1800 rpm

Ответ

n = 1800 rpm

9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: |Z| = 17,64 Ω

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|.

Реактивное сопротивление

X_L = ωL = 2π·60·0,05 = 18,85 Ω

Токи ветвей

Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.

I_R = V/R = 24/50 = 0,48 A

I_X = V/X_L = 24/18,85 = 1,273 A

Общий ток

Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.

I = √(I_R² + I_X²) = √(0,48² + 1,273²) = 1,361 A

Полное сопротивление

|Z| = V/I = 24/1,361 = 17,64 Ω

Ответ

|Z| = 17,64 Ω

10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: V_L = 26,09 V

Резонанс

При резонансе реактивные сопротивления компенсируются, поэтому полное сопротивление равно просто R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·4,7·10⁻⁶) = 3262 rad/s

I = V/R = 2/5 = 0,4 A

Напряжение на катушке

X_L = ω₀L = 3262·0,02 = 65,23 Ω

V_L = I·X_L = 0,4·65,23 = 26,09 V

Ответ

V_L = 26,09 V

Это в Q = 13,05 раз больше напряжения источника.

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