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

Два одинаковых маленьких металлических шарика имеют заряды +4 µC и −5 µC. Их приводят в соприкосновение, а затем снова располагают на расстоянии 50 cm. Найдите модуль силы F взаимодействия между ними теперь. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +4 µCq₂ = −5 µCr = 50 cm

F = N

2.Закон Кулона и электрическое полеСложная

Три положительных точечных заряда находятся в вершинах прямоугольного треугольника: q₃ = 3 µC — в вершине прямого угла, q₁ = 6 µC — на расстоянии 8 cm от неё вдоль одного катета, q₂ = 5 µC — на расстоянии 10 cm от неё вдоль другого катета. Найдите модуль результирующей электрической силы F, действующей на q₃.

q₁ = 6 µCq₂ = 5 µCq₃ = 3 µCr₁₃ = 8 cmr₂₃ = 10 cm

F = N

3.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 15 VR₁ = 20 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 5 Ω

I_R1 = A

4.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите ток I_R2 через R₂.

V₁ = 36 VR₁ = 30 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 30 ΩR₅ = 25 ΩR₆ = 5 Ω

I_R2 = A

5.Переходные процессы RC и RLСредняя

Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите напряжение v_R на R при t = 1 ms.

i(0) = 2 AR = 33 ΩL = 33 mHt = 1 ms

v_R = V

6.Переходные процессы RC и RLСложная

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе v_C в момент t = 20 ms.

V_s = 20 VR = 2,2 kΩC = 33 µFv_C(0) = 15 Vt = 20 ms

v_C = V

7.Магнитные поля и индукцияСредняя

Катушка из 20 витков имеет площадь 80 cm². Однородное поле, перпендикулярное катушке, равномерно растёт от 0,2 T до 0,3 T за 200 ms. Найдите среднюю ЭДС индукции ε.

N = 20A = 80 cm²B: 0,2 T → 0,3 TΔt = 200 ms

ε = mV

8.Магнитные поля и индукцияСложная

Длинный соленоид без сердечника имеет 500 витков, длину 40 cm и диаметр 3 cm. Найдите его индуктивность L.

N = 500l = 40 cm⌀ = 3 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

L = µH

9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя

Последовательный RLC-контур с C = 2,2 µF должен резонировать на частоте 50 Hz. Найдите необходимую индуктивность L.

f₀ = 50 HzC = 2,2 µF

L = mH

10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная

Последовательная цепь RLC подключена к сети 10 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF

I = A

3Растворы

1.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: F = 0,00899 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.

Заряд после соприкосновения

q′ = (4 + −5)/2 = −0,5 µC

Новая сила

F = 8,99 × 10⁹·(0,5 × 10⁻⁶)²/0,5² = 0,00899 N

Ответ

F = 0,00899 N

Теперь заряды шариков одного знака, поэтому они отталкиваются.

2.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: F = 28,66 N

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.

Каждая сила, действующая на q₃

F₁ = k·6·3 × 10⁻¹²/0,08² = 25,28 N

F₂ = k·5·3 × 10⁻¹²/0,1² = 13,48 N

Векторная сумма

F = √(25,28² + 13,48²) = 28,66 N

Ответ

F = 28,66 N

3.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 0,5854 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 = 4 + 5 = 9 Ω

R₂ ∥ 9 = 15·9/(15+9) = 5,625 Ω

R_eq = R₁ + 5,625 = 20 + 5,625 = 25,63 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 = 15/25,63 = 0,5854 A

Ответ

I_R1 = 0,5854 A

4.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R2 = 0,96 A

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 25 + 5 = 30 Ω

R₄ ∥ 30 = 15 Ω

R₃ + 15 = 20 Ω

R₂ ∥ 20 = 2,609 Ω

R_eq = R₁ + 2,609 = 30 + 2,609 = 32,61 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 = 36/32,61 = 1,104 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 = 36 − 1,104·30 = 2,88 V

I_R2 = V_A/R₂ = 2,88/3 = 0,96 A

Ответ

I_R2 = 0,96 A

5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_R = 24,28 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.

Постоянная времени

τ = L/R = 33 mH / 33 Ω = 1 ms

Убывание тока

i(t) = 2·e^−1/1 = 0,7358 A

v_R = R·i = 33·0,7358 = 24,28 V

Ответ

v_R = 24,28 V

6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_C = 16,2 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) = 15 V, v_C(∞) = V_s = 20 V

τ = R·C = 2,2 kΩ · 33 µF = 72,6 ms

v_C(t) = 20 + (15 − 20)·e^−t/τ

Напряжение в заданный момент

v_C(20) = 20 + (−5)·e^−20/72,6 = 16,2 V

Ответ

v_C = 16,2 V

7.Магнитные поля и индукция

Ответ: ε = 80 mV

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).

Изменение потока на виток

ΔΦ = (0,3 − 0,2)·0,008 = 0,0008 Wb

Средняя ЭДС

ε = NΔΦ/Δt = 20·0,0008/0,2 = 0,08 V

Ответ

ε = 80 mV

8.Магнитные поля и индукция

Ответ: L = 555,2 µH

Поперечное сечение

A = π·(0,015)² = 0,0007069 m²

Индуктивность

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·500²·0,0007069/0,4 = 0,0005552 H = 555,2 µH

Ответ

L = 555,2 µH

9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: L = 4606 mH

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|.

Условие резонанса

При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·50 = 314,2 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(314,2²·2,2·10⁻⁶) = 4606 mH

Ответ

L = 4606 mH

10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,1348 A

Реактивные сопротивления

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0,1 = 125,7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 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) = √(60² + (−43,65)²) = 74,2 Ω

Ток

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

I = V/|Z| = 10/74,2 = 0,1348 A

Ответ

I = 0,1348 A

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