Файл: Расчетнографические задания по общей физике. 1.doc

14. Энергия электрического поля
14.1. Площадь пластины плоского конденсатора 500 см². Пластины конденсатора соединены с источником напряжения 12 В. Начертить график зависимости энергии поля конденсатора от расстояния d между пластинами, если d меняется от 0.1 до 3 мм.

14.2. Кривая градуировки конденсатора переменной емкости задана уравнением пф, где угол поворота подвижных пластин конденсатора изменяется от 0 до 300 градусов. Конденсатор подключен к источнику напряжения 24 В. Определить заряд конденсатора, если угол поворота равен 60 градусов. Построить график зависимости энергии конденсатора от угла поворота .

14.3. Кривая градуировки конденсатора переменной емкости задана уравнением пф, где угол поворота подвижных пластин конденсатора изменяется от 0 до 300 градусов. Конденсатор подключен к источнику напряжения 12 В. Определить заряд конденсатора, если угол поворота равен 50 градусов. Построить график зависимости энергии конденсатора от угла поворота .

14.4. Пластины плоского конденсатора площадью 0.01 м² каждая притягиваются друг к другу с силой 30 мН. Пространство между пластинами заполнено слюдой. Найти заряды, находящиеся на пластинах, напряженность поля между пластинами, объемную плотность энергии поля. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры

14.5. Шар, погруженный в керосин, имеет потенциал 4.5 кВ и поверхностную плотность заряда 11.3 мкКл/м². Найти радиус шара, заряд, емкость и энергию шара. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры

14.6. Шар 1 радиусом 10 см, заряженный до потенциала 3 кВ, после отключения от источника напряжения соединяется проволочкой (емкостью которой можно пренебречь) сначала с удаленным незаряженным шаром 2, а затем, после отсоединения от шара 2, с удаленным незаряженным шаром 3. Шары 2 и 3 имеют одинаковые радиусы, равные 10 см. Найти: а) начальную энергию шара 1; б) энергии шаров 1 и 2 после соединения и работу разряда при соединении; в) энергии шаров 1 и 3 после соединения и работу разряда при соединении. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры

---

14.7.Найти объемную плотность энергии электрического поля в точке, находящейся: а) на расстоянии 2 см от поверхности заряженного шара радиусом 1 см; б) вблизи бесконечной заряженной плоскости; в) на расстоянии 2 см от бесконечно длинной заряженной нити. Поверхностная плотность заряда шара и плоскости 16.7 мкКл/м², линейная плотность заряда нити 167 нКл/м. Диэлектрическая проницаемость среды . Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры

14.8. Две концентрические сферические поверхности, находящиеся в вакууме, имеют равномерно распределенные одинаковые заряды 5 мкКл. Радиусы этих поверхностей 1 и 2 м. Найти энергию электрического поля, заключенную между этими сферами. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры

14.9. Две концентрические сферические поверхности, находящиеся в вакууме, имеют равномерно распределенные одинаковые заряды 5 мкКл. Радиусы этих поверхностей 1 и 2 см. Найти энергию электрического поля, заключенную между этими сферами. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры

14.10. Две концентрические сферические поверхности, находящиеся в вакууме, имеют равномерно распределенные одинаковые заряды 5 мкКл. Радиусы этих поверхностей 1 и 2 мм. Найти энергию электрического поля, заключенную между этими сферами. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры

15. Постоянный ток. Закон Ома. Закон Джоуля-Ленца
Пример 15.1. (Квант, 2012, №3, стр.19, Ф2272). В электрической схеме, изображенной на рис.15.1, все батарейки одинаковые, идеальные и имеют ЭДС =1 В каждая. Все резисторы тоже одинаковые и имеют сопротивление Ом каждый. Найдите токи, текущие через каждую батарейку и через каждый резистор.



Рис.15.1. Электрическая схема цепи
Математическая модель
(1)

В каждом узле алгебраическая сумма сил токов равна нулю. Токи, идущие к узлу положительны, а токи, исходящие из узла,  — отрицательные.

---

(2)

В произвольном замкнутом контуре сложной разветвленной цепи алгебраическая сумма электродвижущих сил равна сумме произведений сил токов в отдельных участках контура на их сопротивления. При этом надо задать произвольно направление обхода контура и направления токов в контуре. Все участки контура обойти в одном направлении. Если это направление совпадает с направлением тока, то слагаемое берется положительным, в противном случае  — отрицательным. Если при обходе контура источник тока проходится от отрицательного полюса к положительному, то его электродвижущую силу считают положительной, в противном случае  — отрицательной.
Решение
Согласно схеме (рис.15.1), необходимо найти шесть неизвестных величин – токов, поэтому надо составить систему уравнений из шести линейно-независимых уравнений.

В схеме имеется 4 узла - A, B, C, D, тогда независимых уравнений можно составить на единицу меньше, чем узлов схемы [2].

Применяем первое правило Кирхгофа к любым трем узлам
Узел A: (3)

Узел B: (4)

Узел D: (5)
Оставшиеся три уравнения составим по второму правилу Кирхгофа для трех замкнутых контуров цепи, например, AEBD, BFCD, ACGH.

Будем считать, что направление обхода в каждом контуре цепи проводится по часовой стрелке.
Контур AEBD (6)

Контур BFCD (7)

Контур ACGH (8)
Представим систему (3)-(8) в виде матричного уравнения
(9)
или в сокращенном виде
(10)
Решение матричного уравнения

---

(10)
можно найти разными методами, но достаточно найти решение численно, например при помощи метода Гаусса (см. Приложение А1) или на основе математического пакета. Здесь приведен листинг программы решения системы (9) на языке программирования пакета MatLab [5].
%F2272.m

clear all

E1=1; E2=1; E3=1;

R1=10; R2=10; R3=10; R4=10; R5=10;

M=zeros(6,6);

M(1,1)= 1; M(1,2)=-1; M(1,3)=-1;

M(2,3)= 1; M(2,4)=-1; M(2,5)=-1;

M(3,2)= 1; M(3,4)= 1; M(3,6)= 1;

M(4,2)=-R4; M(4,3)= R1;

M(5,5)= R2+R3; M(5,6)=-R5;

M(6,2)= R4; M(6,6)= R5;

B=zeros(6,1);

B(4)=-E1;

B(5)= E1+E2;

B(6)= E3;

I=M\B

%Проверка решения

Y=M*I-B
Как показывает результаты вычислений, вычислительная ошибка для каждого значения силы тока практически равна нулю.

Ответ: А, А, А, А, А, А.
***
15.1. Какую массу топлива нужно сжечь на электростанции, чтобы по телевизору мощностью 250 Вт посмотреть фильм продолжительностью 1.5 часа? Построить диаграмму «масса топлива - тип электростанции», если известно, что: кпд электростанции 30%, удельная теплота сгорания нефти 46 МДж/кг, кпд электростанции 24%, удельная теплота сгорания угля 28,8 МДж/кг, кпд АЭС 35%, удельная теплота сгорания уранового топлива 8,28ּ10¹³ Дж/кг.

15.2. Электрический чайник вместимости 1.5 литров имеет сопротивление нагревательного элемента 50 Ом, кпд 70 % и работает при напряжении 220 В. Начальная температура воды 10 градусов. Определить мощность тока, потребляемую чайником; силу тока в нагревательном элементе; время, в течение которого вода в чайнике закипит, и стоимость энергии, если 1 кВтּчас стоит 2 рубля 9 копеек (на осень 2013 года, отметим, что весной 2003 года 1 кВтּчас стоил 88 копеек). А какова стоимость энергии сейчас? Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры

15.3. Имеется 12 элементов с ЭДС 1.5 В и внутренним сопротив-лением 0.4 Ом каждый. Как нужно соединить эти элементы

---

, чтобы получить наибольшую силу тока во внешней цепи, имеющей сопротивление 0.3 Ом? Какой величины будет ток? Постройте графики полной, полезной мощности и мощности потерь.

15.4. Определите силу тока, протекающего через сопротивление R₁ в цепи, изображенной на рисунке 15.2. Параметры цепи следующие: R₁ = 2 кОм, R₂ = 1 кОм, R₃ = 2 кОм, r = 0 Ом и U = 24 В. Построить график падения потенциала вдоль замкнутого контура ABCFA. Указание: см. пример 2.12 в [4].

15.5. Определите силу тока, протекающего через сопротивление R₁ в цепи, изображенной на рисунке 15.2. Параметры цепи следующие: R₁ = 2 кОм, R₂ = 1 кОм, R₃ = 2 кОм, r = 0 Ом и U = 24 В. Построить график падения потенциала вдоль замкнутого контура ABCDEFA. Указание: см. пример 2.12 в [4].

15.6. Два гальванических элемента, имеющих ЭДС E₁ = 1.5 В, E₂ = 1.6 В и внутренние сопротивления r₁ = 0.60 Ом, r₂ = 0.40 Ом, соединены разноименными полюсами (рис.15.3). Пренебрегая сопротивлением соединительных проводов, определите разность потенциалов на зажимах элементов. Построить график падения потенциала вдоль цепи. Указание: см. пример 2.12 в [4].



Рис. 15.2. К задаче 15.4, 15.5. Рис. 15.3. К задаче 15.6.
15.7. Три источника с ЭДС E₁ = 10.0 В, E₂ = 5.0 В, E₃ = 6.0 В и внутренними сопротивлениями r₁ = 0.1 Ом, r₂ = 0.2 Ом, r₃ = 0.1 Ом соединены, как показано на рисунке 15.4. Определить напряжение на резисторах сопротивлениями R₁ = 5.0 Ом, R₂ = 1.0 Ом, R₃= 3.0 Ом. Построить график падения потенциала вдоль замкнутого контура ABCDEHGKA. Указание: см. пример 2.12 в [4].

15.8. Три источника с ЭДС E₁ = 9.0 В, E₂ = 6.0 В, E₃ = 5.0 В и внутренними сопротивлениями r₁ = 0.1 Ом, r₂ = 0.2 Ом, r₃ = 0.3 Ом соединены, как показано на рисунке 15.4. Определить напряжение на резисторах сопротивлениями R₁ = 5.0 Ом, R₂ = 2.0 Ом, R₃= 3.0 Ом. Построить график падения потенциала вдоль замкнутого контура ABFHGKA. Указание: см. пример 2.12 в [4].

15.9. Цепь собрана из одинаковых резисторов и одинаковых вольтметров (рис.15.5). Показания первого вольтметра

---