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

Три точечных заряда лежат на одной прямой: −4 µC слева, −5 µC справа на расстоянии 10 cm и +1 µC между ними, на расстоянии 2,5 cm от левого заряда. Найдите модуль результирующей электрической силы F, действующей на средний заряд. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q_L = −4 µCq_R = −5 µCq_M = +1 µCr_L = 2,5 cmr_R = 7,5 cm

F = N

2.Закон Кулона и электрическое полеСложная

Два одинаковых маленьких шарика массой 10 g каждый подвешены в одной точке на изолирующих нитях длиной 100 cm. Им сообщают равные заряды, и каждая нить устанавливается под углом 10° к вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите заряд q каждого шарика в nC. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 10 gL = 100 cmθ = 10°g = 9,81 m/s²

q = nC

3.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите эквивалентное сопротивление R_eq, которое видит источник V₁.

V₁ = 12 VR₁ = 4 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 6 Ω

R_eq = Ω

4.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите эквивалентное сопротивление R_eq, которое видит источник V₁.

V₁ = 30 VR₁ = 15 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 12 ΩR₅ = 15 ΩR₆ = 4 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 напряжение на конденсаторе v_C в момент t = 30 ms.

V_s = 9 VR₁ = 3,3 kΩR₂ = 1 kΩC = 68 µFt = 30 ms

v_C = V

6.Переходные процессы RC и RLСложная

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе v_C в момент t = 40 ms.

V_s = 9 VR₁ = 4,7 kΩR₂ = 2,2 kΩC = 47 µFt = 40 ms

v_C = V

7.Магнитные поля и индукцияСредняя

Металлический стержень длиной 30 cm скользит со скоростью 3 m/s по двум рельсам в однородном поле 0,6 T, направленном в плоскость рисунка. Рельсы соединены резистором 0,5 Ω; сопротивлением стержня и рельсов можно пренебречь. Найдите мощность P, рассеиваемую в резисторе.

B = 0,6 TL = 30 cmv = 3 m/sR = 0,5 Ω

P = mW

8.Магнитные поля и индукцияСложная

Альфа-частица начинает движение из состояния покоя, ускоряется разностью потенциалов 2500 V и затем влетает в однородное магнитное поле 0,5 T под прямым углом. Найдите радиус r его траектории в поле.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ CV = 2500 VB = 0,5 T

r = cm

9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя

Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите коэффициент мощности cos φ цепи.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 15 ΩL = 200 mHC = 22 µF

cos φ =

10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная

Последовательная цепь RLC подключена к сети 50 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите действующее значение напряжения V_C на конденсаторе.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF

V_C = V

3Растворы

1.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: F = 49,54 N

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.

Сила от каждого заряда

Направление вправо положительно.

F_L = −k·4·1 × 10⁻¹²/0,025² = −57,54 N

F_R = +k·5·1 × 10⁻¹²/0,075² = 7,991 N

Результирующая сила

F = −57,54 + (7,991) = −49,54 N → |F| = 49,54 N

Ответ

F = 49,54 N

Результирующая сила направлена влево.

2.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: q = 481,7 nC

Электрическая сила из условия равновесия

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

F = m·g·tan θ = 0,01·9,81·tan 10° = 0,0173 N

Расстояние между шариками

r = 2·L·sin θ = 2·1·sin 10° = 0,3473 m

Заряд

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,3473·√(0,0173/8,99 × 10⁹) = 4,817 × 10⁻⁷ C = 481,7 nC

Ответ

q = 481,7 nC

3.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: R_eq = 6,357 Ω

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 + 6 = 11 Ω

R₂ ∥ 11 = 3·11/(3+11) = 2,357 Ω

R_eq = R₁ + 2,357 = 4 + 2,357 = 6,357 Ω

Ответ

R_eq = 6,357 Ω

4.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: R_eq = 22,81 Ω

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 15 + 4 = 19 Ω

R₄ ∥ 19 = 7,355 Ω

R₃ + 7,355 = 22,35 Ω

R₂ ∥ 22,35 = 7,808 Ω

R_eq = R₁ + 7,808 = 15 + 7,808 = 22,81 Ω

Ответ

R_eq = 22,81 Ω

5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_C = 0,9151 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 = 3,3·1/(3,3 + 1) = 0,7674 kΩ

v_C(∞) = 9·1/(3,3 + 1) = 2,093 V

Постоянная времени

τ = R_th·C = 0,7674·68 = 52,19 ms

Кривая заряда

v_C(t) = 2,093·(1 − e^−30/52,19) = 0,9151 V

Ответ

v_C = 0,9151 V

6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_C = 1,949 V

Начальное напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

v_C(0) = 9·2,2/(4,7 + 2,2) = 2,87 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R₂·C = 2,2·47 = 103,4 ms

Разряд

v_C(t) = 2,87·e^−40/103,4 = 1,949 V

Ответ

v_C = 1,949 V

7.Магнитные поля и индукция

Ответ: P = 583,2 mW

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 движения

ε = BLv = 0,6·0,3·3 = 0,54 V

Ток

I = ε/R = 0,54/0,5 = 1,08 A

Мощность

P = εI = 0,54·1,08 = 0,5832 W

Ответ

P = 583,2 mW

8.Магнитные поля и индукция

Ответ: r = 2,037 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).

Скорость после ускорения

v = √(2|q|V/m) = √(2·3,204 × 10⁻¹⁹·2500/(6,645 × 10⁻²⁷)) = 491003 m/s

Радиус в поле

r = mv/(|q|B) = 0,02037 m = 2,037 cm

Ответ

r = 2,037 cm

Вместе: r = √(2mV/|q|)/B, поэтому более тяжёлые ионы с тем же зарядом движутся по окружностям большего радиуса; так разделяют изотопы.

9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: cos φ = 0,3151

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 = 75,4 Ω, X_C = 120,6 Ω

Полное сопротивление

|Z| = √(15² + (−45,17)²) = 47,6 Ω

Коэффициент мощности

cos φ = R/|Z| = 15/47,6 = 0,3151

Цепь ёмкостная, поэтому коэффициент мощности опережающий.

Ответ

cos φ = 0,3151

10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: V_C = 51,43 V

Реактивные сопротивления

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s

X_L = ωL = 377·0,1 = 37,7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·2,2·10⁻⁶) = 1206 Ω

Полное сопротивление

При последовательном соединении полные сопротивления складываются как комплексные числа: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(100² + (−1168)²) = 1172 Ω

Ток

Через каждый элемент последовательной цепи течёт один и тот же ток.

I = V/|Z| = 50/1172 = 0,04265 A

Напряжение на конденсаторе

V_C = I·X_C = 0,04265·1206 = 51,43 V

Ответ

V_C = 51,43 V

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