Явление электромагнитной индукции 1 страница

ФИЗИКА

раздел «ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»

Методические указания

к практическим занятиям, по самостоятельной работе и выполнению

контрольной работы для студентов направлений подготовки:

26.05.05 - Судовождение;
26.05.06 - Эксплуатация судовых энергетических установок;
26.05.07 - Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики;
13.03.02 - Электроэнергетика и электротехника (профиль – электрооборудование и автоматика судов);
15.03.02 - Технологические машины и оборудование (профиль – машины и аппараты пищевых производств);
19.03.03 - Продукты питания животного происхождения;
05.03.06 - Экология и природопользование

очной и заочной форм обучения

Керчь, 2015 г.

УДК 530.1

Авторы-составители: Попова Т.П., доктор педагогических наук, профессор кафедры математики, физики и информатики ФГБОУ ВО «КГМТУ» __________
  Уколов А.И., кандидат физико-математических наук, доцент кафедры математики, физики и информатики ФГБОУ ВО «КГМТУ» __________
  Прудкий А.С., ассистент кафедры математики, физики и информатики ФГБОУ ВО «КГМТУ» __________
   
Рецензент: Доровской В.А., доктор технических наук, профессор, кафедры «Электрооборудование судов и автоматизация производства» ФГБОУ ВО «КГМТУ» __________

Методические указания по дисциплине «Физика» раздел «Электромагнетизм» к практическим занятиям, по самостоятельной работе и выполнению контрольной работы для студентов направлений подготовки – 26.05.05 - Судовождение; 26.05.06 - Эксплуатация судовых энергетических установок; 26.05.07 - Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики; 13.03.02 - Электроэнергетика и электротехника (профиль – электрооборудование и автоматика судов); 15.03.02 - Технологические машины и оборудование (профиль – машины и аппараты пищевых производств); 19.03.03 - Продукты питания животного происхождения; 05.03.06 - Экология и природопользование очной и заочной форм обучения рассмотрены и одобрены на заседании кафедры математики, физики и информатики ФГБОУ ВО «КГМТУ», протокол № __ от _________ 2015 г.

Зав. кафедрой МФ и И _________ Т.Н. Попова

Методические указания по дисциплине «Физика» раздел «Электромагнетизм» к практическим занятиям, по самостоятельной работе и выполнению контрольной работы для студентов направлений подготовки – 26.05.05 - Судовождение; 26.05.06 - Эксплуатация судовых энергетических установок; 26.05.07 - Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики; 13.03.02 - Электроэнергетика и электротехника (профиль – электрооборудование и автоматика судов); 15.03.02 - Технологические машины и оборудование (профиль – машины и аппараты пищевых производств); 19.03.03 - Продукты питания животного происхождения; 05.03.06 - Экология и природопользование очной и заочной форм обучения утверждены и рекомендованы к публикации на заседании методической комиссии МФ ФГБОУ ВО «КГМТУ», протокол № __ от ________ 201__ г.

© ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет», 2015 г.

Попова Татьяна Николаевна, 2015 г.

Уколов Алексей Иванович, 2015 г.

Прудкий Александр Сергеевич, 2015 г.

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru
СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………………………….
Программа по физике раздел «Электромагнетизм»(вопросы для самостоятельной подготовки к зачету или экзамену) …………………………………
Таблица вариантов контрольных работ ……………………………………………..
Теоретические сведения и общие методы решения задач по разделу «Электромагнетизм» ………………………………………………………………………..  
Электростатика …………………………………………………………..………….
Постоянный электрический ток ……………………………………………….…..
Магнитное поле ……………………………………………………………..……….
Явление электромагнитной индукции ……………………………………………
Переменный ток ……………………………………………………………………..
Примеры решения задач…………………………………………………………………
Задачи и задания для выполнения контрольной работы………………………
Электростатика …………………………………………………………..………….
Постоянный электрический ток ……………………………………………….…..
Магнитное поле ……………………………………………………………..……….
Явление электромагнитной индукции ……………………………………………
Переменный ток ……………………………………………………………………..
Приложения…………………………………………………………………………………
Список рекомендованной литературы ……………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

За время изучения курса общей физики студент заочного отделения должен представить в контрольную работу по программе семестрового курса.

Контрольная работа по физике раздел «Электромагнетизм» состоит из девяти задач. Номер варианта контрольной работы определяется по двум последним цифрам номера зачетной книжки. Номер задач, которые входят в вариант, даны в таблице вариантов.

Контрольные работы выполняются чернилами в школьной тетради, на обложке которой приводятся сведения по образцу:

Контрольная работа № __
Студента группы……………… …………………….факультета Шифр (………………………) Номер зачетной книжки Ф.И.О.(в родительном падеже)

Условия задач в контрольной работе надо переписать полностью без сокращений. Для замечаний преподавателя на страницах тетради оставлять поля.

В конце контрольной работы указать список используемой Вами литературы (автора, название учебного пособия, год издания.) Это делается для того, чтобы преподаватель в случае необходимости мог указать студенту, какие вопросы следует изучить для завершения контрольной работы.

Контрольную работу следует высылать на адрес института или сдавать на кафедру математики, физики и информатики. Если контрольная работа при рецензировании не зачтена, студент обязан представить ее на повторную рецензию, выполнив работу над ошибками. Если контрольная работа зачтена с замечаниями, то следует выполнить работу над ошибками до ее защиты преподавателю.

Зачтенные контрольные работы предъявляются экзаменатору. Студент должен быть готов дать пояснения по существу решения задач, входящих в контрольные работы.

Решение задач следует сопровождать краткими пояснениями, в случае необходимости выполняется чертеж к задаче. Решать задачу следует в общем виде с выводом расчетной формулы. После получения расчетной формулы для проверки ее правильности выполняется проверка единиц измерения физических величин.

Значение физических величин подставляют в расчетную формулу только в единицах СИ и получают числовой ответ.

При подстановке в расчетную формулу, а также при записи ответа числовые значения физических величин следует записывать как десятичной дроби с одной значащей цифрой пред запятой на соответствующую степень десяти. Например, вместо 5460 надо записать явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru , вместо 0,00263 записать явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru и т.п. Вычисления по расчетной формуле следует проводить с соблюдением правил приближенных вычислений. Как правило, окончательный ответ следует записывать с точностью до 0,01.

ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ РАЗДЕЛ «ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»

(вопросы для самостоятельной подготовки к зачету или экзамену)

Электростатическое поле в вакууме. Электрический заряд. Закон Кулона. Напряженность и потенциал электрического поля. Принцип суперпозиции. Поток вектора явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru . Теорема Гаусса и ее применение к расчету поля. Теорема Гаусса в дифференциальной форме. Работа электростатического поля. Теорема о циркуляции вектора явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru . Потенциал и его связь с напряженностью. Электрический диполь.

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Поле внутри и у поверхности проводника. Распределение зарядов внутри проводника. Электрическое поле в диэлектрике. Поляризация диэлектрика. Поляризованность. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость. Теорема Гаусса для диэлектриков. Граничные условия на поверхности раздела двух диэлектриков.

Электроемкость уединенного проводника. Электроемкость конденсатора (плоского, сферического, цилиндрического). Энергия системы зарядов и конденсатора. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии электростатического поля.

Постоянный ток. Характеристики постоянного тока. Сторонние силы. ЭДС. Напряжение. Обобщенный закон Ома. Закон Ома в дифференциальной форме. Закон Джоуля-Ленца. Мощность тока. Правила Кирхгофа. Классическая теория электропроводности металлов. Токи в газах. Газоразрядная плазма. Токи в электролитах. Законы Фарадея. Электролитическая диссоциация. Химические источники тока.

Магнитное поле в вакууме. Магнитная индукция. Магнитное поле движущегося заряда. Принцип суперпозиции полей. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету магнитного поля прямого и кругового токов. Теорема Гаусса и теорема о циркуляции вектора магнитной индукции. Поле соленоида и поле тороида. Закон Ампера. Определение единицы силы тока. Рамка с током в магнитном поле (магнитный момент, потенциальная энергия). Работа при перемещении контура с током.

Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Сила Лоренца. Циклотрон. Масс-спектрограф. Электронно-лучевая трубка. Эффект Холла.

Магнитное поле в веществе. Гипотеза Ампера. Намагниченность. Теорема о циркуляции (закон полного тока) для магнитного поля в веществе. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Преломление линий магнитной индукции на границе раздела магнитных сред. Магнитные моменты атомов. Атом в магнитном поле. Диа- и парамагнетики. Ферромагнетики. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри.

Явление электромагнитной индукции. Опыт Фарадея. Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции. Объяснение явления на основе электронных представлений и на основе закона сохранения энергии. Самоиндукция, индуктивность. Токи при замыкании и размыкании электрической цепи. Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии магнитного поля. Взаимная индукция. Токи Фуко. Электромагнитное поле. Ток смещения. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Колебательный контур. Получение электромагнитных волн. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны. Свойства электромагнитных волн. Энергия электромагнитных волн.

Переменный ток. Понятие переменного тока. Переменный ток, текущий через активное сопротивление. Переменный ток, текущий через катушку индуктивности. Переменный ток, текущий через конденсатор. Цепь переменного тока. Резонанс напряжений. Резонанс токов. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока. Генератор тока. Трансформатор. Передача электроэнергии.

ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Последняя цифра номера зачетной книжки Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
  1, 40, 111, 247, 313, 422, 511, 583, 689   2,49,112, 248, 314, 423, 510, 582, 670   3,48,113, 249, 315,424, 509, 581, 669   4, 47,114, 250, 316, 423, 508, 580, 649   5, 51,115, 251, 317, 422, 507, 579, 650   6, 52, 116, 252, 318, 421, 506, 578, 631   7, 53, 117, 253, 319, 420, 505, 577, 630   8, 54, 118, 254, 320, 419, 504, 576, 611   9, 55, 119, 255, 321, 418, 503, 575, 610   10, 56, 120, 256, 322, 417, 502, 574, 591
  11, 57, 121, 267, 332, 407, 492, 564, 688   28, 58, 122, 266, 331, 408, 493, 565, 671   29, 59, 123, 265, 330, 409, 494, 566, 668   7, 46, 124, 263, 329, 410, 495, 567, 651   8, 57, 125, 262, 328, 411, 496, 568, 648   9, 74, 126, 261, 327, 412, 497, 569, 632   10, 75, 127, 260, 326, 413, 498, 570, 629   11, 92, 128, 259, 325, 414, 499, 571, 612   2, 93, 129, 258, 324,415, 500, 572, 609   13, 110, 130, 257, 323, 416, 501, 573, 592
  12, 60, 130, 268, 333, 406, 491, 563, 687   27, 61, 136, 269, 334, 405, 490, 562, 672   30, 62, 132, 270, 335, 404, 489, 561, 667   25, 63, 133, 271, 336, 403, 488, 560, 652   8, 58, 134, 272, 337, 402, 487, 559, 647   23, 73, 135, 273, 338, 401, 486, 558, 633   24, 76, 137, 274, 337, 400, 485, 557, 628   39, 91, 138, 275, 338, 399, 484, 556, 613   40, 94, 139, 276, 339, 398, 484. 555, 608   21,55, 109, 143, 277, 397, 483, 554, 593
  13, 64, 141, 154, 287, 391, 473, 544, 686   26, 65, 142, 155, 286, 392, 474, 545, 673   31, 66,117, 143, 285, 393, 475, 546, 666   44, 75, 116, 144, 284, 394, 476, 547, 653   9, 59, 104, 145, 283, 343, 477, 548, 647   22, 72,116, 146, 282, 395, 478, 549, 634   25, 77,112, 147, 281, 342, 479, 550, 627   38, 90,113, 148, 280, 341, 480, 551, 614   41, 95,114, 149, 279,396, 481, 552, 607   54, 115 ,138, 150, 278, 340, 482, 553, 594
  14, 67,121, 166, 288, 390, 472, 543, 685   25, 68, 122, 167, 289, 389, 471, 542, 674   32, 69, 153, 168, 290, 388, 470, 541, 665   43, 74,90, 154, 291, 387, 469, 540, 654   10, 60,91, 155, 292, 386, 468, 539, 646   21, 71,129, 156, 293, 385, 467, 538, 635   26, 78, 118, 157, 294, 384, 466, 537, 626   37, 89, 119, 158, 295, 383, 465, 536, 615   42, 96, 120, 159, 296, 382, 464, 535, 606   34, 53, 107, 160, 297, 381, 463, 534, 595
  15, 70, 161, 221, 342, 371, 453, 524, , 684   24, 71, 162, 220, 341, 372, 454, 525, 675   33, 72, 163, 219, 340, 373, 455, 526, 664   42, 73, 164, 218, 312, 374, 456, 527, 655   11, 61, 165, 217, 311, 375, 457, 528, 645   20, 70, 166, 216, 310, 376, 458, 529, 636   27, 79, 167, 215 309, 377, 459, 530, 625   36, 88, 168, 214, 301, 378, 460, 531, 616   43, 97, 169, 213, 300, 379, 461, 532, 605   52, 106, 170, 212, 299, 380, 462, 533, 596
  16, 76, 171, 222, 343, 370, 452, 523, 683   23, 77, 172, 223, 344, 369, 451, 522, 676   34, 78, 173, 224, 345, 368, 450, 521, 663   41, 79, 174, 225, 346, 367, 449, 520, 656   12, 62, 175, 226, 347, 366, 448, 519, 644   19, 69, 176, 227, 348, 365, 447, 518, 637   28, 80, 177, 228, 349, 364, 446, 517, 624   35, 87, 178, 229, 350, 363, 445, 516, 617   44, 98, 179, 230, 350, 362, 444, 515, 604   51, 105,180, 231, 313, 361, 443, 514, 597
  17, 80, 181, 238, 329, 373, 433, 576, 682   22, 81, 182, 212, 330, 374, 434, 577, 677   35, 82, 156, 183, 319, 357, 435, 578, 662   7, 40, 184, 237, 318, 356, 436, 579, 657   13, 63, 185, 236, 317, 355, 437, 580, 643   18, 68, 186, 235, 317, 354, 438, 581, 638   29, 81, 187, 234, 316, 353, 439, 582, 623   34, 86, 188, 233, 315, 352, 440, 583, 618   45, 99, 189, 232, 314, 351, 441, 512, 603   50, 104,131, 190, 302, 360, 442, 513, 598
  18, 83, 191, 239, 331, 375, 432, 575, , 681   21, 84, 192, 240, 332, 376, 431, 574, 678   36, 85, 193, 241, 320, 358, 430, 573, 661   6, 39, 194, 242, 321, 359, 429, 572, 658   14, 64, 195, 243, 322, 360, 428, 571, 642   17, 67, 196, 244, 323, 361, 427, 570, 639   30, 82, 197, 214, 323, 362, 511, 569, 622   33, 85, 198, 215, 324, 363, 510, 568, 619   46, 100, 199, 216, 325, 364, 509, 567, 602   49, 103, 200, 245, 326, 365, 508, 566, 599
  19, 86, 118, 201, 333, 377, 498, 556, 680   20, 87, 119, 202, 334, 420, 499, 557, 679   37, 88, 120. 203, 328, 372, 500, 558, 660   38, 89, 121, 204, 303, 371, 501, 559, 659   15, 65, 120, 205, 304, 370, 502, 560, 641   16, 66, 119, 206, 305, 369, 503, 561, 640   31, 83, 118, 207, 306, 368, 504, 562, 621   32, 84, 117, 208, 307, 368, 505, 563, 620   19, 47, 101, 209, 308, 367, 506, 564, 601   48, 102, 210, 246, 327, 366, 507, 565, 600

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО РАЗДЕЛУ «ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Электростатика – раздел физики, изучающий статические (неподвижные) заряды и связанные с ними электрические поля.

Заряд– носитель электрического взаимодействия, определяющий способность тел к электрическому взаимодействию. В Системе Интернациональной единиц измерения физических величин заряд измеряется в «Кулонах»:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Существует минимальный неделимый заряд, который назвали элементарным зарядом численно равным заряду протона или модулю заряда электрона:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru Кл.

Заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ,

где n – целое число.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы тел, всегда равна нулю. Или: суммарный электрический заряд замкнутой системы не изменяется:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Для решения задач применяется следующая запись закона сохранения электрического заряда:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ,

т.е. начальный суммарный заряд системы равен конечному.

Закон Кулонаопределяет силу взаимодействия между точечными зарядами: Сила взаимодействия между двумя точечными или сферически симметрично точечными зарядами прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости среды и квадрату расстояния между центрами этих тел:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

В законе Кулона коэффициент пропорциональности – k равен:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ,

где явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru – электрическая постоянная.

Плотность электрического заряда. При распределении заряда по площади говорят о поверхностной плотности заряда:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

В СИ: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Поверхностная плотность заряда численно равна первой производной заряда по площади. При поверхностном распределении заряд равен:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

При линейном распределении заряда говорят о линейной плотности заряда:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

В СИ: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Линейная плотность заряда равна первой производной заряда по длине. При линейном распределении заряд равен: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Распределение заряда по объему характеризуется объемной плотностью заряда:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

В СИ: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Объемная плотность заряда равна первой производной заряда по объему. При объемном распределении заряд равен:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Электрическое поле – некоторое возмущение в пространстве, существующее независимо от нас, независимо от наших знаний о нем, которое можно обнаружить по взаимодействию на другие тела.

Напряженность электрического поля – силовая характеристика поля, которая количественно характеризует поле.

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

В СИ: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Напряженность электрического поля точечного заряда

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Напряженность электрического поля плоскости:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ,

где σ – поверхностная плотность заряда.

Напряженность электрического поля двух плоскостей:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Напряженность электрического поля бесконечно равномерно заряженной нити:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ,

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru где τ – линейная плотность заряда, r – кратчайшее расстояние от точки до нити.

Напряженность поля полого шара зависит от расстояния от центра шара. Рассмотрим три области – внутри, на поверхности и за поверхностью шара (рис. 1):

1) внутри шара:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ;

2) на поверхности шара:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ;

3) на расстоянии r от поверхности шара: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Принцип суперпозиции полей: если электрическое поле создается системой зарядов, то вектор напряженности в любой точке этого поля равен геометрической сумме векторов напряженности, создаваемых каждым из зарядов данной точки поля:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru Работа электрического поля по перемещению заряда. По определению механической работы: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

С учетом определения напряженности электрического поля

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ,

получим: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Из рис. 2 видно, что явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru , а напряженность поля точечного заряда в векторном виде определяется уравнением:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Тогда работа по перемещению точечного заряда из точки 1 в точку 2 (с учетом того, что явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ) будет равна:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Работа по перемещению заряда не зависит от пути, а определяется только начальным и конечным положением заряда.

Работа определяется также как разность потенциальных энергий:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Если сравнить эти два уравнения по определению работы, можно сказать, что потенциальная энергия электростатического поля равна:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Потенциал электрического поля – физическая величина, численно равная отношению потенциальной энергии заряда в данной точке к величине этого заряда:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

В СИ: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Следовательно, потенциальная энергия поля равна:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Тогда потенциал электрического поля точечного заряда равен:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Потенциал поверхности сферы или шара:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Принцип суперпозиции для потенциалов: если электрическое поле создается системой электрических зарядов, то результирующий потенциал в данной точке поля равен алгебраической сумме потенциалов полей, создаваемых каждым из зарядов:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Взаимосвязь между напряженностью и напряжением электрического поля. На практике часто возникает разность потенциалов между двумя точками поля:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Разность потенциалов называется также электрическим напряжением между точками 1 и 2:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

В СИ: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

С помощью разности потенциалов работа электрического поля по перемещению заряда из одной точки поля в другую определяется выражением:

явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

С другой стороны, работа электрического поля равна: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru и явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru . Следовательно: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ,

Тогда получаем взаимосвязь между вектором напряженности и напряжением:

в интегральной форме: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru ;

в дифференциальной форме: явление электромагнитной индукции 1 страница - student2.ru .

Наши рекомендации