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 −1 µC и +3 µC. Их приводят в соприкосновение, а затем снова располагают на расстоянии 25 cm. Найдите модуль силы F взаимодействия между ними теперь. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = −1 µCq₂ = +3 µCr = 25 cm

F = N

2.Закон Кулона и электрическое полеСложная

Заряды +3 µC и −3 µC находятся на расстоянии 8 cm друг от друга. Точка P лежит на серединном перпендикуляре на расстоянии 3 cm от середины отрезка между ними. Найдите модуль напряжённости электрического поля E в точке P. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +3 µCq₂ = −3 µCd = 8 cmh = 3 cm

E = N/C

3.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 24 VR₁ = 8 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 20 Ω

I_R1 = A

4.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 18 VR₁ = 5 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 3 ΩR₅ = 3 ΩR₆ = 25 Ω

I_R1 = A

5.Переходные процессы RC и RLСредняя

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 5 ms, в mJ.

V_s = 5 VR = 47 ΩL = 150 mHt = 5 ms

W = mJ

6.Переходные процессы RC и RLСложная

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 4 V с указанной полярностью. Через какое время v_C достигнет 18 V? Найдите t.

V_s = 24 VR = 3,3 kΩC = 68 µFv_C(0) = 4 V

t = ms

7.Магнитные поля и индукцияСредняя

Катушка из 100 витков имеет площадь 100 cm². Катушка находится в однородном поле 0,8 T, перпендикулярном её плоскости, и поле выключается за 500 ms. Найдите среднюю ЭДС индукции ε.

N = 100A = 100 cm²B = 0,8 TΔt = 500 ms

ε = V

8.Магнитные поля и индукцияСложная

Ток в катушке индуктивностью 10 mH равномерно меняется от 2,5 A до 0,5 A за 50 ms. Найдите модуль ЭДС самоиндукции ε.

L = 10 mH2,5 A → 0,5 AΔt = 50 ms

ε = V

9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя

Резистор и конденсатор включены параллельно в сеть 24 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 15 ΩC = 100 µF

I = A

10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная

Последовательный RLC-контур имеет R = 20 Ω, L = 200 mH и C = 0,22 µF. Найдите его добротность Q при резонансе.

R = 20 ΩL = 200 mHC = 0,22 µF

Q =

3Растворы

1.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: F = 0,1438 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′ = (−1 + 3)/2 = 1 µC

Новая сила

F = 8,99 × 10⁹·(1 × 10⁻⁶)²/0,25² = 0,1438 N

Ответ

F = 0,1438 N

Теперь заряды шариков одного знака, поэтому они отталкиваются.

2.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: E = 1,726 × 10⁷ N/C

Расстояние и поле одного заряда

r = √(4² + 3²) = 5 cm

E₁ = k·3 × 10⁻⁶/0,05² = 1,079 × 10⁷ N/C

Составляющие

Составляющие вдоль серединного перпендикуляра компенсируются.

E = 2·E₁·(a/r) = 2·1,079 × 10⁷·0,8 = 1,726 × 10⁷ N/C

Ответ

E = 1,726 × 10⁷ N/C

Поле направлено параллельно прямой от положительного заряда к отрицательному.

3.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 1,405 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 + 20 = 23 Ω

R₂ ∥ 23 = 15·23/(15+23) = 9,079 Ω

R_eq = R₁ + 9,079 = 8 + 9,079 = 17,08 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 = 24/17,08 = 1,405 A

Ответ

I_R1 = 1,405 A

4.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 2,26 A

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 3 + 25 = 28 Ω

R₄ ∥ 28 = 2,71 Ω

R₃ + 2,71 = 4,71 Ω

R₂ ∥ 4,71 = 2,964 Ω

R_eq = R₁ + 2,964 = 5 + 2,964 = 7,964 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 = 18/7,964 = 2,26 A

Ответ

I_R1 = 2,26 A

5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 0,5314 mJ

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 и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms

i(∞) = V_s/R = 5/47 = 0,1064 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,1064·(1 − e^−5/3,191) = 0,08418 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·150·0,08418² = 0,5314 mJ

Ответ

W = 0,5314 mJ

6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 270,2 ms

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) = 4 V, v_C(∞) = V_s = 24 V

τ = R·C = 3,3 kΩ · 68 µF = 224,4 ms

v_C(t) = 24 + (4 − 24)·e^−t/τ

Выразите время

18 = 24 + (−20)·e^−t/τ → e^−t/τ = (18 − 24)/(4 − 24) = 0,3

t = τ·ln((4 − 24)/(18 − 24)) = 224,4·ln(3,333) = 270,2 ms

Ответ

t = 270,2 ms

7.Магнитные поля и индукция

Ответ: ε = 1,6 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).

Изменение потока на виток

ΔΦ = 0,8·0,01 = 0,008 Wb

Средняя ЭДС

ε = NΔΦ/Δt = 100·0,008/0,5 = 1,6 V

Ответ

ε = 1,6 V

8.Магнитные поля и индукция

Ответ: ε = 0,4 V

ЭДС самоиндукции

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

ε = L·ΔI/Δt = 0,01·2/0,05 = 0,4 V

Ответ

ε = 0,4 V

9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 1,838 A

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_C = 1/(ωC) = 1/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Токи ветвей

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

I_R = V/R = 24/15 = 1,6 A

I_X = V/X_C = 24/26,53 = 0,9048 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) = √(1,6² + 0,9048²) = 1,838 A

Ответ

I = 1,838 A

10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: Q = 47,67

Резонансная частота

f₀ = 1/(2π·√(0,2·0,22·10⁻⁶)) = 758,7 Hz

Добротность

Добротность сравнивает реактивное сопротивление при резонансе с активным: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,2/(0,22·10⁻⁶)) = 47,67

Ответ

Q = 47,67

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