Физика для студентов НГТУ

Выполним под заказ

ФИЗИКА

Методические указания к контрольной работе №4

для студентов I-II курсов ЗОТФ

Данные методические указания и контрольные задания составлены в соответствии с рабочей программой по физике, принятой на кафедре Прикладной и теоретической физики НГТУ, и предназначены для студентов I-II курсов заочного общетехнического факультета.

                   Составители:       канд. физ.-мат. наук, доц. А.А. Харьков                                                канд. техн. наук С.В. Спутай

. ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ ДЛЯ ЧЕТВЕРТОЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ.

         Студент-заочник должен решить восемь задач из раздела 5 того варианта, номер которого совпадает с последней цифрой его шифра.

5. ЗАДАЧИ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ № 4.

401. Магнитная стрелка помещена в центре кругового витка, плоскость которого расположена вертикально и составляет угол a=30° с плоскостью магнитного меридиана. Радиус витка R=20 см. Определить угол j, на который повернется магнитная стрелка, если по проводнику пойдет ток силой I=25 А (дать два ответа). Горизонтальную составляющую индукции земного магнитного поля принять равной B=20 мкТл.

402. По двум длинным параллельным проводам, расстояние между которыми d=5 см, текут одинаковые токи I= 10 А. Определить индукцию  и напряженность   магнитного поля в точке, удаленной от каждого провода на расстояние r= 5 см, если токи текут: а) в одинаковом, б) в противоположных направлениях.

403. Два бесконечных прямых проводника скрещены под прямым углом. По проводникам текут токи силой I₁=100 А и I₂=50 А. Расстояние между проводниками d=20 см. Определить индукцию  магнитного поля в точке, лежащей на середине общего перпендикуляра к проводникам.

404. Ток силой I=50 А течет по бесконечно длинному проводнику, согнутому под прямым углом. Найти напряженность  магнитного поля в точке, лежащей на биссектрисе этого угла и отстоящей от вершины угла на расстоянии h=20 см.

405. По проводнику, изогнутому в виде окружности, течет ток. Напряженность магнитного поля в центре окружности H₁=50 А/м. Не изменяя силы тока, проводнику придали форму квадрата. Определить напряженность H₂ магнитного поля в точке пересечения диагоналей квадрата.

406. По контуру в виде равностороннего треугольника со сторонами a=20 см течет ток силой I=50 А. Определить магнитную индукцию  в точке пересечения высот треугольника.

407. По проводнику, изогнутому в виде прямоугольника со сторонами a=8 см и b=12, течет ток силой I=50 А. Определить напряженность  и индукцию  магнитного поля в точке пересечения диагоналей.

408. Проводник с током I=20 А лежит в плоскости и имеет форму, показанную на рис.5. Радиус изогнутой части проводника R=40 см. Определить напряженность  и индукцию  магнитного поля в точке О.

409. Проводник с током I=40 А лежит в плоскости и имеет форму, показанную на рис.6. Радиус изогнутой части проводника R=20 см. Определить индукцию магнитного поля в точке О.

410. Два круговых проводника радиусами R₁=10 см и R₂=15 см имеют общий центр О и сориентированы в перпендикулярных плоскостях. По проводникам текут токи I₁=20 А и I₂=30 А. Найти напряженность  магнитного поля в точке О.

Рис.6

411. Напряженность H магнитного поля в центре кругового витка равна 500 А/м. Магнитный момент витка p_m=6 А×м². Вычислить силу тока I в витке и его радиус.

412. Короткая катушка с площадью поперечного сечения S=250 см², состоящая из N=500 витков провода, по которому течет ток силой I=5 А, помещена в однородное магнитное поле напряженностью Н=1000 А/м. Найти: 1)магнитный момент p_m катушки; 2) вращающий момент М, действующий на катушку, если ось катушки составляет угол a=30° с линиями поля.

413. Виток радиусом R=20 см, по которому течет ток силой I=50 А, свободно установился в однородном магнитном поле напряженностью Н=10³ А/м. Виток повернули относительно диаметра на угол a=30°. Определить совершенную работу А.

414. Протон и a-частица, ускоренные одинаковой разностью потенциалов, влетают в однородное магнитное поле. Во сколько раз радиус R₁ кривизны траектории протона больше радиуса кривизны R₂ траектории a-частицы?

415. Квадратный контур со стороной a=10 см, в котором течет ток силой I=6 А, находится в магнитном поле с индукцией В=0.8 Тл под углом j=50° к линиям индукции. Какую работу А нужно совершить, чтобы при неизменной силе тока в контуре изменить его форму на окружность?

416. В однородном магнитном поле с индукцией В=2 Тл движется a-частица. Траектория ее движения представляет собой винтовую линию с радиусом R=1 см и шагом h=6 см. Определить кинетическую энергию a-частицы.

417. В однородном магнитном поле перпендикулярно линиям индукции расположен плоский контур площадью S=100 см². Поддерживая в контуре постоянную силу тока I=50 А, его переместили из поля в область пространства, где поле отсутствует. Определить индукцию магнитного поля В, если при перемещении контура была совершена работа А=0.4 Дж.

418. Два иона с одинаковыми зарядами, пройдя одну и ту же разность потенциалов, влетели в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции. Один ион, масса которого m₁=12 а.е.м., описал дугу окружности радиусом R₁=2 см. Определить массу m₂ (в а.е.м.) другого иона, который описал дугу окружности радиусом R₂=2.31 см.

419. В однородном магнитном поле с индукцией В=0.5 Тл равномерно движется проводник длиной l=20 см. По проводнику течет ток силой I=2 А. Скорость движения проводника V=10 см/с и направлена перпендикулярно к линиям поля. Найти работу А перемещения проводника за время t=10 с и мощность Р, развиваемую при перемещении.

420. Электрон, ускоренный разностью потенциалов U=300 В, движется параллельно прямолинейному длинному проводу на расстоянии a=4 мм от него. Какая сила F действует на электрон, если по проводнику пропускать ток силой I=5 А?

421. Рамка площадью S=100 см² равномерно вращается с частотой n=5 с^-1 относительно оси, лежащей в плоскости рамки и перпендикулярной линиям индукции однородного магнитного поля (В=0.5 Тл). Определить среднее значение ЭДС индукции <E_i> за время, в течение которого магнитный поток, пронизывающий рамку, изменится от нуля до  максимального значения.

422. Рамка, содержащая N=1000 витков площадью S=1000 см², равномерно вращается с частотой n=10 с^-1 в магнитном поле напряженностью Н=5×10⁴ А/м. Ось вращения лежит в плоскости рамки и перпендикулярна линиям напряженности. Определить максимальную ЭДС индукции E_{i max}, возникающую в рамке.

423. В однородном магнитном поле с индукцией В=0.5 Тл вращается с частотой n=10с^-1 стержень длиной l=20 см. Ось вращения параллельна линиям индукции и проходит через один из концов стержня перпендикулярно его оси. Определить разность потенциалов U на концах стержня.

424. В проволочное кольцо, присоединенное к баллистическому гальванометру, вставили прямой магнит. При этом по цепи прошел заряд Q=50 мкКл. Определить изменение магнитного потока DФ через кольцо, если сопротивление цепи гальванометра R=10 Ом.

425. Проволочный виток диаметром D=5 см и сопротивлением R=0.02 Ом находится в однородном магнитном поле В=0.3 Тл. Плоскость витка составляет угол j=40° с линиями индукции. Какой заряд Q протечет по витку при выключении магнитного поля?

426. Соленоид сечением S=10 см² содержит N=1000 витков. Индукция В магнитного поля внутри соленоида при силе тока I=5 А равна 0.1 Тл. Определить: 1) индуктивность L соленоида; 2) среднюю ЭДС индукции <E_i>, возникающую на концах обмотки соленоида при изменении за время Dt=0.01 с магнитной индукции внутри соленоида до значения В_к=0.5 Тл.

427. Катушка, намотанная на немагнитный цилиндрический каркас, имеет N=250 витков и индуктивность L₁=36 мГн. Чтобы увеличить индуктивность катушки до L₂=100 мГн, обмотку катушки сняли и заменили обмоткой из более тонкой проволоки с таким расчетом, чтобы длина катушки осталась прежней. Сколько витков стало в катушке после перемотки?

428. Соленоид содержит N=600 витков. При силе тока I=10 А магнитный поток Ф=80 мкВб. Определить индуктивность L соленоида.

429. Соленоид содержит N=800 витков. Сечение сердечника из немагнитного материала S=10 см². По обмотке течет ток, создающий поле с индукцией В=8 мТл. Определить среднее значение ЭДС <E_i> самоиндукции, которая возникает на концах обмотки, если сила тока уменьшается практически до нуля за время Dt=0.8 мс.

430. Скорость горизонтально летящего самолета V=950 км/ч. Найти ЭДС индукции E_i, генерируемую на концах крыльев самолета, если вертикальная составляющая напряженности земного магнитного поля Н_в=39.8 А/м и размах крыльев самолета l=12.5 м.

431. По проводнику, изогнутому в виде кольца радиусом R=20 см, содержащему N=500 витков, течет ток силой I=2 А. Определить плотность энергии w магнитного поля в центре кольца.

432. Обмотка соленоида содержит n=20 витков на каждый сантиметр длины. При какой силе тока I плотность энергии магнитного поля в соленоиде будет w=0.1 Дж/м³? Считать, что магнитное поле соленоида во всем объеме однородно.

433. Соленоид имеет длину l=0.6 м и сечение S=10 см². При некоторой силе тока, протекающего по обмотке, в соленоиде создается магнитный поток Ф=0.1 мВб. Чему равна энергия магнитного поля соленоида? Сердечник выполнен из немагнитного материала, и магнитное поле во всем объеме постоянно.

434. При какой силе тока I в прямолинейном проводнике бесконечной длины на расстоянии r=5 см от него объемная плотность энергии магнитного поля будет w=1 мДж/м³?

435. В соленоиде сечением S=5 см² создан магнитный поток Ф=20 мкВб. Определить плотность энергии w магнитного поля соленоида. Сердечник отсутствует. Магнитное поле считать однородным во всем объеме соленоида.

436. Магнитный поток Ф в соленоиде, содержащем N=1000 витков, равен 0.2 мВб. Определить энергию W магнитного поля соленоида, если сила тока в обмотке I=1 А. Сердечник отсутствует. Магнитное поле считать однородным во всем объеме соленоида.

Рис.7

437. Тороидальная катушка содержит N=500 витков. Найти энергию W магнитного поля, если при токе I=2 А магнитный поток через поперечное сечение тора Ф=1.0 мВб.

438. Катушка индуктивности L=2.0 мкГн и сопротивление R=2.0 Ом подключены к источнику постоянной ЭДС E=3.0 В (рис.7). Параллельно катушке включено сопротивление R₀=2.0 Ом. Найти количество тепла, которое выделится на сопротивлениях R и R₀ после размыкания ключа К. Внутреннее сопротивление источника пренебрежимо мало.

439. По проводнику, изогнутому в виде кольца радиусом R=30 см, содержащему N=1000 витков, течет ток силой I=5.0 А. Определить плотность энергии магнитного поля w в точке, лежащей на оси кольца и отстоящей от его центра на расстояние h=40 см.

440. Определить энергию W соленоида, содержащего N=1500 витков, если при силе тока в обмотке I=2.0 А в соленоиде создается магнитный поток Ф=0.2 мкВб. Магнитное поле считать однородным во всем объеме соленоида.

Указание: при решении задач 441...450 необходимо использовать кривые намагничения ферромагнитных материалов, приведенные на рис.8.

Рис.8

441. В железном сердечнике соленоида индукция В=1.3 Тл. Железный сердечник заменили стальным. Во сколько раз следует изменить силу тока в обмотке соленоида, чтобы индукция в сердечнике осталась неизменной?

442. На железном сердечнике, имеющем форму тора со средним диаметром D=500 мм, размещена обмотка с общим числом витков N=1000. В сердечнике сделан поперечный прорез, в результате чего образовался воздушный зазор шириной d=1 мм. При токе в обмотке силой I=0.85 А напряженность магнитного поля в зазоре Н=6.0 А/м. Определить магнитную проницаемость m железа при этих условиях. Рассеянием линий магнитной индукции пренебречь.

443. Соленоид намотан на чугунное кольцо сечением S=5.0 см². При силе тока I=1.0 А магнитный поток Ф=225 мкВб. Определить число витков n соленоида, приходящихся на один сантиметр длины средней линии кольца.

444. Стальной сердечник тороидального соленоида имеет длину (измеренную вдоль средней линии) l=1.0 м. В сердечнике сделан поперечный воздушный зазор шириной d=4.0 мм. Обмотка соленоида содержит n=8 витков на 1 см длины. При какой силе тока I индукция магнитного поля в зазоре будет равна В=1.0 Тл?

445. Обмотка тороида, имеющего стальной сердечник с узким воздушным зазором, содержит N=1000 витков. По обмотке течет ток силой I=1.0 А. При какой ширине зазора d индукция В магнитного поля в нем будет равна 0.5 Тл? Длина l тороида вдоль средней линии равна 1.0 м.

446. Длина l чугунного тора по средней линии равна 1.2 м, его сечение S=20 см². По обмотке тороида течет ток, создающий в узком воздушном зазоре магнитный поток Ф=0.5 мВб. Ширина зазора d равна 8 мм. Какова должна быть ширина зазора, чтобы магнитный поток в нем увеличился вдвое, если сила тока не изменится?

447. Длина железного тора по средней линии равна l=0.628 м. Рассчитайте индукцию В магнитного поля на оси тороида, если по обмотке с общим числом витков N=1000 течет ток силой I=1.2 А.

448. Железный сердечник, имеющий форму тора с квадратным сечением, несет на себе обмотку из N=1000 витков. Внутренний радиус тора a=200 мм, внешний b=250 мм. Определить энергию W, запасенную в сердечнике, если по обмотке течет ток силой I=1.2 А. Расчет произвести приближенно, полагая напряженность Н магнитного поля одинаковой по всему сечению тороида и равной значению Н₀ в центре сечения.

449. Железное кольцо, средний диаметр которого D=300 мм, а площадь сечения S=500 мм², несет на себе обмотку из N=800 витков. По обмотке пропущен ток силой I=3.0 А. В кольце имеется поперечный разрез шириной d=2.0 мм. Пренебрегая рассеянием линий магнитной индукции В в зазоре, найти: а) магнитную проницаемость m железа при этих условиях; б) поток магнитной индукции Ф через поперечное сечение кольца.

450. Определить силу тока I , при которой в узком воздушном зазоре шириной d=3.6 мм тороида с железным сердечником магнитная индукция В=1.4 Тл. Длина тороида по средней линии l=80 см, его обмотка содержит N=1500 витков.

451. Найти амплитуду А и начальную фазу j гармонического колебания, полученного от сложения одинаково направленных колебаний, заданных уравнениями  м и  м.

452. Два одинаково направленных колебания заданы уравнениями  и . Записать уравнение результирующего колебания. Построить векторную диаграмму сложения амплитуд.

453. Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью С=25 нФ и катушки с индуктивностью L=1.015 Гн. Начальный заряд конденсатора q₀=2.5 мкКл. Написать уравнения (с числовыми коэффициентами) изменения со временем t энергии электрического поля W_E, энергии магнитного поля W_B и полной энергии W контура. Найти значения этих величин в момент времени Т/8, где Т -период колебаний в контуре.

454. Напряжение на конденсаторе в колебательном контуре изменяется по закону  В. Емкость конденсатора C=0.1 мкФ. Найти период колебаний Т, индуктивность L контура, закон изменения тока I в цепи со временем t и длину волны l, на которую настроен этот контур.

455. Ток в электромагнитном колебательном контуре изменяется по закону  A. Индуктивность контура L=1 Гн. Найти период колебаний Т и емкость С контура. Записать уравнение изменения со временем энергии W_E электрического поля в контуре.

456. Колебательный контур радиоприемника состоит из катушки с индуктивностью L=1.00 мГн и переменного конденсатора, емкость которого С может изменяться в пределах от 9.7 до 92 пФ. В каком диапазоне длин волн может принимать радиостанции этот приемник?

457. Материальная точка совершает колебания вида  см. В момент времени, когда пружинный маятник имел потенциальную энергию W_n=0.1 мДж, на нее действовала возвращающая сила F=5 мН. Найти этот момент времени t и соответствующую ему фазу колебаний.

458. Два одинаково направленных колебания заданы уравнениями  см и  см. Записать уравнение результирующего колебания. Построить векторную диаграмму сложения амплитуд.

459. Определить возвращающую силу F в момент времени t=0.2 с и полную энергию W пружинного маятника, совершающего колебания по закону  см. Масса колеблющегося тела m=20 г.

460. Определить максимальное ускорение a_max материальной точки, совершающей гармонические колебания с амплитудой А= 25 см, если наибольшая скорость точки V_max=0.5 м/с. Записать также уравнение колебаний.

461. Амплитуда затухающих колебаний за время t₁=5 мин уменьшилась в 2 раза. За какое время t₂, считая от начального момента, амплитуда уменьшится в 8 раз?

462. Логарифмический декремент затухания маятника l =0.003. Определить число N полных колебаний, которые должен сделать маятник, чтобы энергия колебаний уменьшилась вдвое.

463. Груз массы m= 0.5 кг подвешен к пружине жесткостью k= 20 Н/м и совершает упругие колебания в некоторой среде. Логарифмический декремент затухания l= 0.004. Определить число N полных колебаний, которые должен совершить груз, чтобы амплитуда колебаний A(t) уменьшилась в 3 раза. За какое время t это произойдет?

464. Электромагнитный колебательный контур за время t= 5×10^-3 с потерял 60% своей первоначальной энергии. Определить индуктивность контура, если активное сопротивление R=10 Ом.

465. Колебательная система совершает затухающие колебания с частотой n= 10³ Гц. Определить частоту n₀ собственных незатухающих колебаний, если резонансная (по напряжению) частота системы n_p= 998 Гц.

466. Амплитуды вынужденных гармонических колебаний при частотах n₁= 400 Гц и n₂=600 Гц равны между собой. Определить резонансную (по напряжению) частоту n_p. Считать, что коэффициент затухания b<<w₀.

467. Во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний будет меньше резонансной амплитуды, если частота вынуждающей “силы” будет больше резонансной частоты: а) на 10 %; б) в два раза? Коэффициент затухания b=0.1×w₀, где w₀- частота собственных незатухающих колебаний.

468. Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью С= 405 нФ, катушки с индуктивностью L=10 мГн и сопротивления R=2 Ом. Во сколько раз уменьшится разность потенциалов на обкладках конденсатора и энергия, запасенная в контуре, за один период колебаний?

469. Индуктивность катушки колебательного контура L=1 Гн. Чему равно омическое сопротивление контура, если известно, что амплитуда собственных колебаний в нем за 0.05 с уменьшается в 2.7 раза?

470. Определить добротность Q колебательного контура по следующим данным: резонансная (по напряжению) частота n_p=600 кГц, емкость С=350 пФ, омическое сопротивление R=15 Ом.

471. Звуковые колебания, имеющие частоту n=500 Гц и амплитуду А=0.25 мм, распространяются в воздухе. Длина волны l=70 см. Найти скорость c распространения колебаний и максимальную скорость частиц воздуха V_max.

472. Уравнение незатухающих колебаний имеет вид  см. Найти уравнение волны, если скорость распространения колебаний с=300 м/с. Записать и изобразить графически уравнение колебаний точки, отстоящей на расстоянии l=600 м от источника колебаний. Записать и изобразить графически уравнение колебаний для точек волны в момент времени t=4 с после начала колебаний.

473. Источник волн колеблется по закону   см. Найти смещение X от положения равновесия точки, находящейся на расстоянии l=75 см от источника колебаний, для момента времени t=0.01 с после начала колебаний. Скорость распространения колебаний с=300 м/с.

474. Найти смещение X от положения равновесия, скорость V и ускорение a точки, находящейся на расстоянии l=20 м от источника колебаний, в момент времени t=1 с. Скорость распространения колебаний с=100 м/с, уравнение колебаний источника   см.

475. Найти разность фаз Dj колебаний двух точек, отстоящих от источника на расстояниях l₁=10 м и l₂=16 м. Период колебаний Т=0.04 с, скорость распространения колебаний с=300 м/с.

476. Найти разность фаз Dj колебаний двух точек, лежащих на луче и отстоящих на расстоянии Dl=2.5 м друг от друга, если длина волны l=1.0 м.

477. Найти смещение X от положения равновесия точки, отстоящей от источника колебаний на расстоянии l=l/2, для момента времени t=Т/6. Амплитуда колебаний А=0.05 м.

478. Смещение от положения равновесия точки, отстоящей от источника колебаний на расстоянии l=4 см, в момент времени t=Т/6 равно половине амплитуды. Найти длину l бегущей волны.

479. Определить скорость c распространения волн в упругой среде, если разность фаз Dj колебаний двух точек, отстоящих друг от друга на расстоянии Dl=12 см, равна p/2. Частота колебаний n=24 Гц.

480. Найти длину волны l, если расстояние между первой и четвертой пучностями стоячей волны l=15 см.