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 +6 µC и заряд −8 µC находятся на расстоянии 40 cm друг от друга. Точка P лежит на прямой между ними на расстоянии 16 cm от первого заряда. Найдите модуль напряжённости электрического поля E в точке P.

q₁ = +6 µCq₂ = −8 µCr₁ = 16 cmr₂ = 24 cm

E = N/C

2.Закон Кулона и электрическое полеСложная

Три положительных точечных заряда находятся в вершинах прямоугольного треугольника: q₃ = 10 µC — в вершине прямого угла, q₁ = 3 µC — на расстоянии 3 cm от неё вдоль одного катета, q₂ = 2 µC — на расстоянии 10 cm от неё вдоль другого катета. Найдите модуль результирующей электрической силы F, действующей на q₃.

q₁ = 3 µCq₂ = 2 µCq₃ = 10 µCr₁₃ = 3 cmr₂₃ = 10 cm

F = N

3.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите эквивалентное сопротивление R_eq, которое видит источник V₁.

V₁ = 15 VR₁ = 8 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 3 Ω

R_eq = Ω

4.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите эквивалентное сопротивление R_eq, которое видит источник V₁.

V₁ = 9 VR₁ = 5 ΩR₂ = 30 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 15 ΩR₅ = 2 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 = 25 ms.

V_s = 6 VR₁ = 2,2 kΩR₂ = 3,3 kΩC = 47 µFt = 25 ms

v_C = V

6.Переходные процессы RC и RLСложная

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 9 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 6,75 V, ровно через 20 ms после старта. При R = 2,2 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

V_s = 9 VV_th = 6,75 VT = 20 msR = 2,2 kΩ

C = µF

7.Магнитные поля и индукцияСредняя

Катушка из 10 витков площадью 10 cm² и сопротивлением 25 Ω образует замкнутую цепь. Однородное поле, перпендикулярное катушке, равномерно растёт от 0,2 T до 1 T за 10 ms. Найдите средний индукционный ток I.

N = 10A = 10 cm²B: 0,2 T → 1 TΔt = 10 msR = 25 Ω

I = mA

8.Магнитные поля и индукцияСложная

Дейтрон начинает движение из состояния покоя, ускоряется разностью потенциалов 1000 V и затем влетает в однородное магнитное поле 0,25 T под прямым углом. Найдите радиус r его траектории в поле.

m = 3,344 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ CV = 1000 VB = 0,25 T

r = cm

9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя

Последовательная цепь RLC подключена к сети 230 V (действующее значение), 100 Hz. Найдите угол сдвига фаз φ полного сопротивления в градусах (положительный, когда ток отстаёт от напряжения).

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 10 µF

φ = °

10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная

Последовательный RLC-контур имеет R = 2 Ω, L = 50 mH и C = 10 µF. Найдите его полосу пропускания B (ширину полосы между частотами половинной мощности) в Hz.

R = 2 ΩL = 50 mHC = 10 µF

B = Hz

3Растворы

1.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: E = 3,356 × 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·6 × 10⁻⁶/0,16² = 2,107 × 10⁶ N/C

E₂ = k·8 × 10⁻⁶/0,24² = 1,249 × 10⁶ N/C

Направления и сумма

Первое поле направлено от положительного заряда, второе — к отрицательному: оба направлены в одну сторону.

E = |2,107 × 10⁶ + 1,249 × 10⁶| = 3,356 × 10⁶ N/C

Ответ

E = 3,356 × 10⁶ N/C

2.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: F = 300,2 N

Каждая сила, действующая на q₃

F₁ = k·3·10 × 10⁻¹²/0,03² = 299,7 N

F₂ = k·2·10 × 10⁻¹²/0,1² = 17,98 N

Векторная сумма

F = √(299,7² + 17,98²) = 300,2 N

Ответ

F = 300,2 N

3.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: R_eq = 10,55 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 = 4 + 3 = 7 Ω

R₂ ∥ 7 = 4·7/(4+7) = 2,545 Ω

R_eq = R₁ + 2,545 = 8 + 2,545 = 10,55 Ω

Ответ

R_eq = 10,55 Ω

4.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: R_eq = 10,86 Ω

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 2 + 4 = 6 Ω

R₄ ∥ 6 = 4,286 Ω

R₃ + 4,286 = 7,286 Ω

R₂ ∥ 7,286 = 5,862 Ω

R_eq = R₁ + 5,862 = 5 + 5,862 = 10,86 Ω

Ответ

R_eq = 10,86 Ω

5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_C = 1,194 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 = 2,2·3,3/(2,2 + 3,3) = 1,32 kΩ

v_C(∞) = 6·3,3/(2,2 + 3,3) = 3,6 V

Постоянная времени

τ = R_th·C = 1,32·47 = 62,04 ms

Кривая заряда

v_C(t) = 3,6·(1 − e^−25/62,04) = 1,194 V

Ответ

v_C = 1,194 V

6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 6,558 µF

Требуемая постоянная времени

6,75 = 9·(1 − e^−20/τ) → τ = 20/ln(9/(9 − 6,75))

τ = 20/1,386 = 14,43 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 14,43/2,2 = 6,558 µF

Ответ

C = 6,558 µF

7.Магнитные поля и индукция

Ответ: I = 32 mA

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 = (1 − 0,2)·0,001 = 0,0008 Wb

Средняя ЭДС

ε = NΔΦ/Δt = 10·0,0008/0,01 = 0,8 V

Ток

I = ε/R = 0,8/25 = 0,032 A

Ответ

I = 32 mA

8.Магнитные поля и индукция

Ответ: r = 2,585 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) = √(2·1,602 × 10⁻¹⁹·1000/(3,344 × 10⁻²⁷)) = 309537 m/s

Радиус в поле

r = mv/(|q|B) = 0,02585 m = 2,585 cm

Ответ

r = 2,585 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: φ = −65,19 °

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

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s

X_L = ωL = 628,3·0,15 = 94,25 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 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) = √(30² + (−64,91)²) = 71,5 Ω

Угол сдвига фаз

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(−64,91/30) = −65,19°

Ответ

φ = −65,19°

10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: B = 6,366 Hz

Резонансная частота

f₀ = 1/(2π·√(0,05·10·10⁻⁶)) = 225,1 Hz

Добротность

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/2)·√(0,05/(10·10⁻⁶)) = 35,36

Полоса пропускания

B = f₀/Q = 225,1/35,36 = 6,366 Hz

Ответ

B = 6,366 Hz

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