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 +8 µC и заряд −5 µC находятся на расстоянии 10 cm друг от друга. Точка P лежит на прямой между ними на расстоянии 4 cm от первого заряда. Найдите модуль напряжённости электрического поля E в точке P.

q₁ = +8 µCq₂ = −5 µCr₁ = 4 cmr₂ = 6 cm

E = N/C

2.Закон Кулона и электрическое полеСложная

Два одинаковых маленьких шарика массой 2 g каждый подвешены в одной точке на изолирующих нитях длиной 30 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 = 2 gL = 30 cmθ = 10°g = 9,81 m/s²

q = nC

3.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 15 VR₁ = 3 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 15 Ω

I_R1 = A

4.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 30 VR₁ = 5 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 6 ΩR₆ = 25 Ω

I_R1 = A

5.Переходные процессы RC и RLСредняя

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 5 ms.

V_s = 5 VR = 22 ΩL = 47 mHt = 5 ms

i = A

6.Переходные процессы RC и RLСложная

Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе v_C в момент t = 200 ms.

V_s = 5 VR = 3,3 kΩC = 33 µFv_C(0) = 18 Vt = 200 ms

v_C = V

7.Магнитные поля и индукцияСредняя

Протон движется вниз по странице в однородном магнитном поле, направленном из плоскости страницы. Нажмите на направление магнитной силы, действующей на него.

v: вниз по страницеB: из плоскости страницы

1вверх по странице
2вправо
3вниз по странице
4влево

8.Магнитные поля и индукцияСложная

Дейтрон проходит без отклонения через селектор скоростей со скрещёнными полями E = 1 × 10⁴ V/m и B₁ = 0,2 T. Затем он влетает под прямым углом во вторую область, где есть только магнитное поле B₂ = 0,5 T. Найдите радиус r его траектории там.

E = 1 × 10⁴ V/mB₁ = 0,2 TB₂ = 0,5 Tm = 3,344 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ C

r = cm

9.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя

Последовательная цепь RLC подключена к сети 12 V (действующее значение), 60 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 22 µF

P = W

10.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная

Резистор R₁ включён последовательно с параллельным соединением R₂ и конденсатора C в сеть 230 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите модуль полного сопротивления |Z|.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR₁ = 40 ΩR₂ = 50 ΩC = 22 µF

|Z| = Ω

3Растворы

1.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: E = 5,744 × 10⁷ 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·8 × 10⁻⁶/0,04² = 4,495 × 10⁷ N/C

E₂ = k·5 × 10⁻⁶/0,06² = 1,249 × 10⁷ N/C

Направления и сумма

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

E = |4,495 × 10⁷ + 1,249 × 10⁷| = 5,744 × 10⁷ N/C

Ответ

E = 5,744 × 10⁷ N/C

2.Закон Кулона и электрическое поле

Ответ: q = 64,63 nC

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.

Электрическая сила из условия равновесия

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

F = m·g·tan θ = 0,002·9,81·tan 10° = 0,00346 N

Расстояние между шариками

r = 2·L·sin θ = 2·0,3·sin 10° = 0,1042 m

Заряд

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,1042·√(0,00346/8,99 × 10⁹) = 6,463 × 10⁻⁸ C = 64,63 nC

Ответ

q = 64,63 nC

3.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 1,35 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 = 10 + 15 = 25 Ω

R₂ ∥ 25 = 12·25/(12+25) = 8,108 Ω

R_eq = R₁ + 8,108 = 3 + 8,108 = 11,11 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 = 15/11,11 = 1,35 A

Ответ

I_R1 = 1,35 A

4.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 2,62 A

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 6 + 25 = 31 Ω

R₄ ∥ 31 = 12,16 Ω

R₃ + 12,16 = 18,16 Ω

R₂ ∥ 18,16 = 6,448 Ω

R_eq = R₁ + 6,448 = 5 + 6,448 = 11,45 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 = 30/11,45 = 2,62 A

Ответ

I_R1 = 2,62 A

5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: i = 0,2054 A

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 = 47 mH / 22 Ω = 2,136 ms

i(∞) = V_s/R = 5/22 = 0,2273 A

Ток в заданный момент

i(t) = i(∞)·(1 − e^−t/τ) = 0,2273·(1 − e^−5/2,136) = 0,2054 A

Ответ

i = 0,2054 A

6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_C = 7,072 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) = 18 V, v_C(∞) = V_s = 5 V

τ = R·C = 3,3 kΩ · 33 µF = 108,9 ms

v_C(t) = 5 + (18 − 5)·e^−t/τ

Напряжение в заданный момент

v_C(200) = 5 + (13)·e^−200/108,9 = 7,072 V

Ответ

v_C = 7,072 V

7.Магнитные поля и индукция

Ответ: влево

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).

Правило правой руки

Направьте пальцы вдоль тока или скорости и согните их к B; большой палец покажет силу, действующую на положительный заряд.

v: вниз по странице, B: из плоскости страницы

Направление силы

влево

Ответ

F: влево

8.Магнитные поля и индукция

Ответ: r = 0,2087 cm

Выбираемая скорость

Без отклонения: электрическая сила qE уравновешивает магнитную силу qvB.

v = E/B₁ = 1 × 10⁴/0,2 = 50000 m/s

Радиус во втором поле

r = mv/(|q|B₂) = 0,002087 m = 0,2087 cm

Ответ

r = 0,2087 cm

9.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: P = 1,816 W

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 = 94,25 Ω, X_C = 120,6 Ω

Полное сопротивление

|Z| = √(10² + (−26,32)²) = 28,16 Ω

Активная мощность

Катушки и конденсаторы только запасают и возвращают энергию; всю активную мощность потребляет резистор.

I = 12/28,16 = 0,4261 A

P = I²·R = 0,4261²·10 = 1,816 W

Ответ

P = 1,816 W

10.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: |Z| = 61,91 Ω

Реактивное сопротивление

X_C = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Параллельное соединение

Умножьте числитель и знаменатель на комплексно сопряжённое число, чтобы разделить Z_p на действительную и мнимую части.

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 17,18 − j23,74 Ω

Полное сопротивление цепи

Z = 40 + 17,18 − j23,74 = 57,18 − j23,74 Ω

|Z| = √(57,18² + 23,74²) = 61,91 Ω

Ответ

|Z| = 61,91 Ω

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