Взаимодействие зарядов. Закон Кулона
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Т. А. Аронова, С. В. Вознюк, И. И. Гончар, С. Н. Крохин,
С. А. Минабудинова, О. И. Сердюк, Г. Б. Тодер
ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ
Часть 2
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.
КОЛЕБАНИЯ
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний к решению задач
для студентов первого курса очной формы обучения
Омск 2014
УДК 537.2 (075.8)
ББК 22.331я73
А84
Практикум по физике. Часть 2. Электричество и магнетизм. Колебания: Методические указания к решению задач по физике / Т. А. Аронова, С. В. Вознюк, И. И. Гончар, С. Н. Крохин, С. А. Минабудинова, О. И. Сердюк, Г. Б. Тодер; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2014. 40 с.
Методические указания содержат рекомендации по изучению дисциплины «Физика» и решению задач по электростатике, законам электрического тока, электромагнетизму, колебаниям. Представлен набор задач различного уровня сложности для аудиторной и самостоятельной работы студентов. В приложении приведены необходимые справочные данные для решения задач.
Предназначены для студентов первого курса всех специальностей.
Библиогр.: 7 назв. Табл. 6. Рис. 17. Прил. 1.
Рецензенты: канд. физ.-мат. наук, доцент Л. Ф. Калистратова;
|
|
|
канд. техн. наук, доцент А. С. Анисимов.
_________________________
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение. 5
1. Электростатика. 6
1.1. Взаимодействие зарядов. Закон Кулона. 6
1.2. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей 8
1.3. Потенциал и работа сил электростатического поля. 11
1.4. Электроемкость и энергия заряженного проводника и конденсатора. 13
2. Электрический ток. 15
2.1. Законы Ома и Джоуля – Ленца. 15
2.2. Правила Кирхгофа. 19
3. Электромагнетизм. 22
3.1. Магнитная индукция. Принцип суперпозиции магнитных полей. 22
3.2. Сила Лоренца. Сила Ампера. Работа сил магнитного поля. 25
3.3. Электромагнитная индукция. Индуктивность. Самоиндукция. 28
4. Колебания. 31
4.1. Гармонические колебания. 31
4.2. Сложение гармонических колебаний. 34
4.3. Затухающие колебания. 36
Библиографический список. 38
Приложение. Справочные данные для решения задач. 39
ВВЕДЕНИЕ
Законы электродинамики и колебательных процессов являются энергетической и информационной основой сегодняшней цивилизации. Если бы не были открыты, изучены и практически применены эти законы, то не было бы мощной энергетики, связи, компьютеров, современного транспорта. Данные методические указания к решению задач помогут студентам изучить эти интереснейшие разделы общей физики. Программа изучения дисциплины «Физика» построена таким образом, чтобы студенты не только приобрели определенные знания, но и научились применять их на практике. Решение задач для реализации этой цели является совершенно необходимым.
|
|
|
Как научиться решать задачи?
Перед решением задач нужно изучить теоретический материал по соот-ветствующей теме, затем внимательно прочитать условие задачи и понять, к какому разделу физики относится рассматриваемая задача, какое явление она описывает и какой процесс изучает. После этого следует переписать в тетрадь условие задачи полностью и кратко (столбиком), правильно обозначить используемые величины и рационально расставить индексы (это рекомендуется сделать после того, как выполнен рисунок). Значения величин, приведенные в задаче, следует перевести в «основные» единицы СИ (например, граммы – в килограммы, километры – в метры и т. д.).
Для решения задачи по электростатике, электрическому току, электро-магнетизму и колебаниям необходимо выполнить рисунок, записать условия и требование и выписать подходящие формулы. Иногда для наглядности полезно подчеркнуть известные и неизвестные величины, при необходимости найти дополнительные уравнения, если неизвестных больше, чем уравнений. Решать задачи следует только в общем виде. Численные значения величин рекомендуется подставлять в расчетную формулу после того, как получено алгебраическое выражение для определения искомой величины. Для выполнения расчетов необходимо научиться эффективно использовать компьютер. Иногда бывает полезно систематизировать проведенные математические преобразования, про-анализировать их, поискать более рациональное решение после получения ответа в трудной задаче, еще раз вернуться к ее решению. Repetitio est mater studiorum (лат.) – гласит пословица, что означает: повторение – мать учения.
|
|
|
В задачах для самостоятельного решения цифра, стоящая в скобках после номера задачи, обозначает степень трудности задачи.
ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Взаимодействие зарядов. Закон Кулона
Электростатика изучает электрическое поле, которое создается непод-вижными относительно данной системы отсчета электрическими зарядами. Взаимодействие между электрическими зарядами осуществляется за счет электростатического поля. При изучении теоретического материала необходимо уяснить понятия «электрический заряд», «точечный заряд» и усвоить, что закон Кулона применим только к точечным зарядам и сферически-симметричным заряженным телам и вычисляет величину силы взаимодейст-вия между ними:
|
|
|
Fe = 
(1)
где 
– электрическая постоянная;
– модули взаимодействующих точечных неподвижных электрических зарядов;
e - диэлектрическая проницаемость среды между зарядами – скалярная величина, показывающая, во сколько раз ослабляется электростатическое взаимодействие между зарядами в данной среде по сравнению с вакуумом;
r – расстояние между взаимодействующими точечными зарядами.
При решении задач по электростатике следует иметь в виду, что при взаи-модействии нескольких зарядов силы взаимодействия каждой пары зарядов не зависят от наличия остальных зарядов (принцип независимости сил), поэтому сила 
, действующая на каждый заряд, равна векторной сумме сил 
, дейст-вующих на него со стороны всех других зарядов (принцип суперпозиции сил):
. (2)
В задачах, в которых заряды находятся в равновесии, результирующая сила , действующая на каждый заряд, равна нулю.
Задачи
1. (1) Три точечных заряда 2,1; -3,2 и 4,3 нКл находятся на одной прямой на расстоянии 60 см друг от друга. Найти величину и направление силы, действующей на центральный отрицательный заряд.
2. (1) В вершинах равностороннего треугольника АВС со стороной 10 см находятся точечные заряды: q A = -2,2 нКл, q В = -14 нКл, q С = -6,5 нКл. Найти величину и направление силы, действующей на заряд 1,2 нКл, расположенный в середине стороны АС.
3. (2) В вершинах правильного шестиугольника со стороной 10 см расположены точечные заряды q, 1q, 3q, 4q, 2q, q (q = 1,3 мкКл). Найти величину и направление силы, действующей на точечный заряд q, лежащий в плоскости шес-тиугольника и равноудаленный от его вершин.
4. (2) В вершинах квадрата ABCD находятся точечные заряды: q А = 40 мкКл, q В = -20 мкКл, q С = 46 мкКл, qD = 62 мкКл. Сторона квадрата равна 0,24 м. Найти силу, действующую на заряд 30 мкКл, помещенный в середину стороны CD.
5. (2) Заряды 9q и -q закреплены на расстоянии 1,0 м друг от друга. Третий заряд q может передвигаться только вдоль прямой, проходящей через первые два заряда. Определить положение равновесия третьего заряда. При каком знаке этого заряда его равновесие будет устойчивым?
6. (2) Три одинаковых заряда по 1,6 мКл каждый расположены в вершинах равностороннего треугольника. Какой отрицательный заряд необходимо поместить в центре треугольника, чтобы его притяжение уравновесило силы взаимного отталкивания зарядов? Будет ли это равновесие устойчивым?
7. (2) Шарик массой 2,4 г, имеющий заряд 20 нКл, подвешен на тонкой изолирующей нити. Определить силу натяжения нити, если под шариком на расстоянии 5,4 см от него расположить одноименный заряд 0,12 мкКл.
8. (2) Два одинаковых шарика подвешены на нитях к одной точке так, что их поверхности соприкасаются. После сообщения шарикам заряда 4,2 мкКл они оттолкнулись и разошлись на угол 60°. Найти массу каждого шарика, если расстояние от точки подвеса до центра каждого шарика равно 2,1 м.
9. (2) Два одинаковых шарика массой 0,98 г каждый подвешены на нитях к одной точке так, что их поверхности соприкасаются. После сообщения шарикам некоторого заряда они оттолкнулись и разошлись на угол 30°. Найти заряд, сообщенный шарикам, если расстояние от точки подвеса до центра шарика равно 1,0 м.
10. (3) Одинаковые шарики, подвешенные на закрепленных в одной точке нитях равной длины, зарядили одинаковыми одноименными зарядами. Шарики оттолкнулись, и угол между нитями стал равен 60°. После погружения шариков в керосин угол между нитями уменьшился до 50°. Найти диэлектрическую проницаемость керосина. Плотность шариков равна 2,1 г/см3, керосина – 0,80 г/см3.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 103; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!