Физика экзмаен. Ответы к экзамену по физике

• Название: Ответы к экзамену по физике
• Анкор: Физика экзмаен
• Дата: 16.12.2021
• Размер: 0.93 Mb.
• Имя файла: Otvety_k_FIZIKE_po_33.docx
• Тип: Ответы к экзамену; #305325

Ответы к экзамену по физике:

1. 
   В грозу, когда идет дождь после удара молнии усиливается дождь. Почему?
   

Поскольку нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а верхняя – положительно, эти заряды притягиваются, тем самым капельки или льдинки удерживаются электрическим притяжением внутри тучи, в нижней её части. Однако скопившийся внизу тучи большой отрицательный заряд по индукции притягивает к себе положительный заряд в поверхностном слое земли и между облаком и землёй возникает огромное напряжение в десятки и сотни миллионов вольт, в результате происходит разряд молнии. Капли воды устремляются вниз, потому что электростатическое притяжение, которое удерживает капельки воды внутри тучи, исчезает на какое-то время. За счет этого происходит усиление дождя после удара молнии.

2. 
   Что такое электрический диполь? Пользуясь принципом суперпозиции найти направление вектора напряженности Е в точке А лежащей на продолжении оси диполя.
   

Электрический диполь – это система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+Q, — Q), расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля. Вектор, направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному, и равный
расстоянию между ними, называется плечом диполя.

Вектор совпадающий по направлению с плечом диполя, называется электрическим моментом диполя или дипольным моментом.

Принцип суперпозиции (наложение) электростатических полей гласит, что напряженность результирующего поля, создаваемое системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности. (формула ).



Согласно принципу суперпозиции, напряженность поля диполя в точке А будет равно
Т.к. векторы напряженности зарядов направлены в противоположные стороны, то модуль вектора   будет равен  , где в соответствии с формулой напряженности электростатического поля точечного заряда получим:

,   . Следовательно, , где - электрическая постоянная,

- расстояние от точки А до +Q, а - расстояние от точки А до -Q.

3. 
   При каком условии заряженная маленькая пылинка может «висеть» между двумя горизонтальными плоскостями, заряженными разноименно. Что произойдет с пылинкой, если заряд ее уменьшится? Что нужно сделать для восстановления равновесия.
   

Заряженная маленькая пылинка может «висеть» между двумя горизонтальными плоскостями, заряженными разноименно при условии, если сила тяжести равна силе действия электрического поля на заряд пылинки ( ). В том случае, когда заряд пылинки уменьшится, необходимо увеличить напряженность электрического поля между двумя горизонтальными плоскостями для восстановления равновесия, иначе пылинка упадет т.к сила тяжести будет сильнее силы действия электрического поля на заряд пылинки.

4. 
   Н а каком графике показана зависимость напряженности электрического поля объемно заряженного шара радиусом R от расстояния r от центра шара?
   

С огласно теореме Гаусса ( ) внутри шара напряженность поля будет равна и изменяется линейно с увеличением радиуса .

Вне равномерно заряженного шара, напряженность поля будет описывается уравнением и обратно пропорциональна радиусу r (т.е. E убывает гиперболический с увеличением r).

5. 
   Два металлических шара разных диаметров заряжены до одинакового потенциала. Одинаковы ли заряды на шарах? Будут ли переходить заряды от одного шара к другому при соединении их проволокой?
   

Энергетической характеристикой электростатического поля, называется потенциалом

Потенциал - физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда при удалении его из данной точки поля на бесконечность. Формула: , точечного заряда:

Из формулы потенциала, создаваемого точечным зарядом следует, что заряды на шарах будут разные, т. к. если их потенциалы равны, но разные радиусы, то следовательно заряды тоже должны отличаться. Так же из определения потенциала следует, что заряды от одного шара к другому, при соединении их проволокой, переходить не будут, т. к. работа по перемещению единичного положительного заряда равна , где - разность потенциалов.

6. 
   Два точечных заряда q₁ = 7,5 нKл и q₂ =-14,7 нКл расположены на расстоянии r = 5 см. Найти напряженность Ε электрического поля в точке, находящейся на расстояни­ях а = 3 см от положительного заряда и b = 4 см от отрица­тельного  заряда.
   

7. 
   На рисунке изображён вектор напряженности E электрического поля в точке С. Поле создано двумя точечными зарядами.
   

8. Два точечных заряда q и 2q на расстоянии r друг от друга взаимодействуют с силой F. Определить во сколько раз сила взаимодействия зарядов q и q/2 на расстоянии 2r будет меньше.

9. 
   Заряд 1 нКл переносится в вакууме из точки, находящейся на расстоянии 1 м от бесконечно длинной, равномерно заряженной нити, в точку на расстоянии 10 см от нее Определить работу, совершаемую против сил поля, если линейная плотность заряда нити 1 мкКл/м? Какая работа совершается за последние 10 см.
   

10. 
    Поток вектора напряженности. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме.
    

Поток вектора напряженности – физическая величина, равная произведению модуля вектора напряженности  , площади ΔS и косинуса угла α между вектором и нормалью к площади.
Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора напряженности сквозь эту поверхность:



Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме: поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на . Формула:

11. 
    В центре воображаемой сферы находится точечный заряд, изменится ли поток вектора Е сквозь эту поверхность, если: а) добавить заряд за пределами сферы; б) изменить радиус сферы?
    

По теореме Гаусса поток вектора напряженности через замкнутую поверхность определяется зарядом внутри этой поверхности   , следовательно поток вектора напряжённости электрического поля не изменится если добавить заряд за пределами сферы и изменить радиус сферы.

1

12. 
    Вблизи равномерно заряженной нити построим замкнутую поверхность, имеющую форму цилиндра, соосного с нитью. Как изменится модуль потока вектора Е А через полную поверхность цилиндра, если нить наклонить?
    

2

α




Т.к нить вертикальна, цилиндр отсекает участок нити длиной L₁ и заряжен равномерно с линейной плотностью

, тогда , тогда по теореме Гаусса магнитный поток в этом случае будет равен .

Если нить наклонить на угол α, то цилиндр отсекает участок нити длиной L₂ = L₁Cosαи будет охватывать заряд: , тогда по теореме Гаусса магнитный поток в этом случае будет равен

Тогда = . Т.е. . Получается, что чем больше угол альфа тем больше модуль вектора магнитной индукции, кроме тех случаях, когда косинус альфа равен 0 и ±1.

13. 
    Дана система точечных зарядов в вакууме и замкнутые поверхности S1, S2 и S3. Найдите поток вектора напряженности электростатического поля через указанные поверхности.
    

По теореме Гаусса поток вектора напряженности через замкнутую поверхность определяется зарядом (или суммой зарядов) внутри этой поверхности   , следовательно поток вектора напряжённости электрического поля через замкнутые поверхности будут равны:

; .

14. 
    Поле создано двумя равномерно заряженными концентрическими сферами радиусами R₁ = 5 см и R₂ = 8 см. Заряды сфер соответственно равны Q₁ = 2 нКл и Q₂ = – 1 нКл. Определить напряженность электростатического поля в точке, лежащих от центра сфер на расстояниях:
    1) r₁ = 3 см; 2) r₂ = 6 см; 3) r₃ = 10 см.
    

воспользуемся теоремой Остроградского-Гаусса .

так как поверхность — это сфера, следовательно, Формула: , при (r R) и где – электрическая постоянная, – диэлектрическая проницаемость среды. При (r > R) поле убывает с расстоянием r. Если (r < R), то замкнутая поверхность не содержит внутри зарядов, поэтому внутри электростатическое поле отсутствует (E = 0).

15. 
    Какой участок электрической цепи называется неоднородным?
    

Неоднородным называется участок цепи, включающий в себя источник тока. Здесь надо учитывать, что ток, протекающий по участку, определяется не только разностью потенциалов между концами участка, но и ЭДС источника т.е закон ома для неоднородного участка цепи будет равно:

, где (полное сопротивление цепи), – разность потенциалов между концами участка, – ЭДС источника.

16. 
    Что такое электрический ток и что служит количественной мерой его?
    

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов
Для возникновения и существования электрического тока необходимо, наличие свободных носителей тока (заряженных частиц), способных перемещаться упорядочено и наличие электрического поля, энергия которого восполняясь расходовалась на их упорядоченное движение. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов. Количественной мерой электрического тока служит сила тока I — скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени: Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.
Формулы: – для постоянного тока. .

17. 
    Какая физическая величина называется плотностью тока и как она связана с силой тока?
    

Плотностью тока называется физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока

Формулы, связывающие силу и плотность тока: и , где – плотность тока, – сила тока,
S – площадь поперечного сечения проводника с током.

18. 
    Ток I в проводнике меняется со временем t по уравнению I = 4 + 2t, где I — в амперах и t— в секундах. Какое количество электричества q проходит через поперечное сечение проводника за время от t₁ = 0 с до t₂ = 5 с?
    

(пишем дано) Согласно определению, сила тока равна , тогда проинтегрировав, получим что

= Кл

19. количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника, изменяется со временем по закону q=9+8t-t^2. Через какое время ток поменяет свое направление на противоположное? (Нужно у него спросить про это задание в ПН)

20. 
    К резистору, включенному в цепь, подключили параллельно такой же резистор. Как при этом изменились сила тока в цепи?
    

Если подключить два одинаковых резистора параллельно, то уменьшится сопротивление этого участка и всей цепи, значит, сила тока в цепи увеличивается.

Например Резисторы равны R тогда сила тока в цепи с одним резистором будет равно

. В цепи, где два резистора, общее сопротивление будет равно , тогда сила тока в этом случае равно , следовательно . Т.е cила тока увеличилась в 2 раза при параллельном подключении двух одинаковых резисторов.

21. 
    Как изменится ток короткого замыкания, если два одинаковых источника тока пересоединить из параллельного соединения в последовательное?
    

Ток короткого замыкания можем найти по формуле , где
При последовательном соединении двух ЭДС: =2r =2 , тогда
При параллельном соединении двух ЭДС: = , = , тогда

Следовательно, . Т.е. если пересоеденить два одинаковых источника тока из параллельного соединения в последовательное, то сила тока короткого замыкания уменьшится в 2 раза.

22. 
    На каком из резисторов при прохождении постоянного тока выделится максимальное количество теплоты?
    

(Пишем дано смотря на рисунок) Видим две последовательные цепи подключены параллельно.

Значит эквиваленты цепей



Найдем соотношение токов в верхней и нижней ветки цепи



Тогда согласно закону Джоуля-Ленца: , получаем что





10

30

Сравнив коэффициенты перед , получим что на резисторе 4 выделится максимальное кол-во теплоты.

23. 
    Что такое сторонние силы? Какова их природа?
    

Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора и т. п. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток. Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС), действующей в цепи:

24. 
    Теорема о циркуляции вектора напряженности
    

Интеграл называется циркуляцией вектора напряженности.

Таким образом, циркуляция вектора напряженности электростатического поля вдоль любого замкнутого контура равна нулю. Силовое поле, обладающие таким свойством, называется потенциальным.

25. 
    Найдите циркуляцию вектора магнитной индукции по заданному контуру
    

Ц иркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром:

. Такое поле называется вихревым. Каждый ток учитывается столько раз, сколько раз он охватывается контуром.

Следовательно, для этого контура алгебраическая сумма токов будет равна:

Тогда = .

26. 
    Какие правила используют для непосредственного расчета разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров?
    

Любая точка разветвления цепи, в которой сходится не менее трех проводников с током, называется узлом. При этом ток, входящий в узел, считается положительным, а ток, выходящий из узла, — отрицательным.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:

Например, для этого рисунка:

Первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения электрического заряда.

Второе правило Кирхгофа: в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в этом контуре.


Это правило позволяет составить систему уравнений из закона Ома для контура, который состоит из разных участков цепи.




Например, для контура на этом рисунке.

Направление обхода задается произвольно, но зачастую берут направление по часовой стрелке за положительное. Совпадающие по направлению с направлением обхода контура, считаются положительными, не совпадающие с направлением обхода — отрицательными. Источники тока считаются положительными, если они создают ток, направленный в сторону обхода контура.

Составим систему уравнений применив закон Ома к участкам контура.

Сложив почленно эти уравнения получим: .

27. 
    Б атарея с э. д. с. E = 20 В, амперметр и реостаты с сопротивлениями R₁ и R₂ соединены последовательно (рис. 24). При выведенном реостате R₁ амперметр показывает ток I = 8 А, при введенном реостате R₁ — ток I = 5 А. Найти сопротивления R₁ и R₂ реостатов и падения потенциала U₁ и U₂ на них, когда реостат R₁ полностью включен.
    

28. 
    Батареи имеют э. д. с. E₁ = 2E₂, сопротивления R₁ = R₃ = 20 Ом, R₂ = 15 Ом и R₄ = 30 Ом (рис. 47). Через амперметр течет ток I = 1,5 А, направленный снизу вверх. Найти э. д. с. E₁ и E₂, а также токи I₂ и I₃, текущие через сопротивления R₂ и R₃.
    

Так как по условию батареи имеют э.д.с.

, то уравнения по второму правилу Кирхгоффа запишутся следующим образом:

Второе правило Кирхгоффа для контура 1

, где

-общее сопротивление т. к. они соединены параллельно

Второе правило Кирхгоффа для контура 2



Первое правило Кирхгоффа для узла 1: , значит .

Тогда

, откуда В. Т.к. , то В

Из второе правила Кирхгоффа для контура 1 мы можем найти силу тока = = 0,3 А
Тогда из первого правила Кирхгоффа для узла мы можем найти силу тока = 1,2 А.

29. 
    Как формулируются правила Кирхгофа? На чем они основаны?
    

Смотри ответ на 26 вопрос.

30. 
    ЭДС батареи аккумуляторов 12 В. Сила тока в цепи равна 4 А, а напряжение на клеммах батареи 11 В. Определите ток короткого замыкания.
    

Пишем дано
Закон Ома для данной цепи имеет вид:

, следовательно Ом

Ток короткого замыкания мы можем найти по формуле = А. Ответ 48 А

31. 
    Э. д. с. батареи E = 120 В, сопротивления R₃ = 20 Ом и R₄ = 25 Ом (рис. 28). Падение потенциала на сопротивлении R₁ равно U₁ = 40 В. Амперметр показывает ток I = 2 А. Найти сопротивление R₂
    

32. 
    Определить ток короткого замыкания источника ЭДС, если при внешнем сопротивлении R₁ = 50 Ом тока в цепи I₁ = 0,2 А, а при R₂ = 110 Ом – I₂ = 0,1 А.
    

Запишем закон Ома:
, при внешнем сопротивлении R₁ , при внешнем сопротивлении R₂

ЭДС в обоих случаях одно и тоже, тогда

Откуда r = = 10 Ом.

Ток короткого замыкания можем найти по формуле: = = 1,2 А.
Ответ: 1,2 А.

33. 
    Б атареи имеют э. д. с. E₁ = E₂, сопротивления R₁ = R₂ = 100 Oм, сопротивление вольтметра R_V = 150 Oм. Показание вольтметра U = 150B. Найти э. д. с. E₁ и E₂ батарей.
    

Т.к , то , откуда

Т.к , то .

Из первого правила Кирхгофа для узла получим что:

Тогда из второго правила Кирхгофа для контура 1 получим:

Т.к. напряжение на вольтметре равно

Тогда = 200 В.

Ответ: 200 В.