Электростатика. Постоянный ток. Методические указания и контрольные задания

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Пензенский государственный технический университет

ЭЛЕКТРОСТАТИКА . ПОСТОЯННЫЙ ТОК .

Методические указания и контрольные задания Контрольная работа №3

Пенза 1994

Даны формулы, определения, законы и краткие пояснения, примеры решения задач, задачи для самостоятельного решения с ответами, вопросы для самоконтроля, контрольные задания (работа № 3). В приложении приводятся справочные таблицы. Методические указания подготовлены на кафедре физики и предназначены для студентов-заочников инженерно-технических специальностей. Ил. 14, табл. I, библиогр, 5 назв. Составители: М.В.Рычкова

В.А.Веремьев,

С.Е.Кривецков,

П.П.Першенков,

Н.А.Уфельтан,

Р е ц е н з е н т В.Г.Витвицкий , канд. физ.-мат. наук, доцент ПГПИ им. Белинского

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Учебная работа студента-заочника по изучению физики складывается из следующих основных элементов : самостоятельного изучения физики по учебным пособиям , решения задач , выполнения контрольных и лабораторных работ, сдачи зачетов и экзаменов.

Указания к самостоятельной работе по учебным пособиям. 1. Изучать курс систематически в течении всего учебного процесса. Изучение физики в сжатые сроки перед экзаменом не даст глубоких и прочных знаний. 2. Выбрав какое-либо учебное пособие в качестве основного для определенной части курса, придерживаться данного пособия при изучении всей части или , по крайней мере, ее раздела. Замена одного пособия другим в процессе изучения может привести к утрате логической связи между отдельными вопросами. Но если основное пособие не дает полного или ясного ответа на некоторые вопросы программы, необходимо обращаться к другим учебным пособиям. 3. При чтении учебного пособия составлять конспект, в котором записывать законы и формулы , выражающие эти законы, определения физических величин и их единиц, делать чертежи и решать типовые задачи. При решении задач следует пользоваться Международной системой единиц (СИ). 4. Самостоятельную работу по изучению физики подвергать систематическому контролю. Для этого после изучения очередного раздела следует ставить вопросы и отвечать на них. При этом надо использовать рабочую программу физики. 5. Прослушать курс лекций по физике, организуемый для студентов-заочников. Пользоваться очными консультациями преподавателей, а также задавать вопросы в письменном виде.

Указания к решению задач. I. Указать основные законы и формулы, на которых базируется решение, и дать словесную формулировку этих законов, разъяснить буквенное обозначение формул. Если при решении задач применяется формула , полученная для частного случая, не выражающая какой-нибудь физический закон, или не являющаяся определением какойнибудь физической величины, то ее следует вывести. 2. Дать чертеж, поясняющий содержание задачи (в тех случаях, когда это возможно); выполнять его надо аккуратно с помощью чертежных принадлежностей. 3. Сопровождать решение задачи краткими , но исчерпывающими пояснениями. 4. Получить решение задачи в общем виде , т.е. выразить искомую величину в буквенных обозначениях величин, заданных в условии задачи. При таком способе решения не производятся вычисления промежуточных величин. 5. Поставить в правую часть полученной рабочей формулы вместо символов величин обозначения единиц, произвести с ними необходимые действия и убедиться в том, что полученная при этом единица соответствует искомой величине. 6. Подставить в рабочую формулу числовые значения величин, выраженные в единицах одной системы. Несоблюдение этого правила приводит к неверному результату. Исалючение из этого правила допускается лишь для тех однородных величин, которые входят в виде сомножителей в знаменатель и числитель формулы с оданаковыми показателями степени. Такие величины необязательно выражать в единицах той системы, в которой ведется решение задачи. Их можно выразить в любых, но только одинаковых единицах. 7. Произвести вычисление величин , подставленных в формулу, руководствуясь правилами приближенннх вычислений, записать в ответе числовое значение и

сокращенное наименование единицы искомой величины. 8. При подстановке в рабочую формулу, а также при записи ответа числовые значения величин записать как произведение десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой на соответствующую степень десяти. Например, вместо 2530 надо записать 2,53 *103, вместо 0,00129 - записать 1,29-3 и т.д. 9. Оценить, где это целесообразно, правдоподобность численного ответа. В ряде случаев такая оценка поможет обнаружить ошибочность подученного результата. Например , коэффициент полезного действия тепловой машины не может быть больше единицы , электрический заряд не может быть меньше элементарного заряда е = 1,60*10-19Кл, скорость тела не может быть больше скорости света в вакууме и т.д. Умение решать задачи приобретается длительными и систематическими упражнениями. Чтобы научиться решать задачи и подготовиться к выполнению контрольной работы , следует после изучения очередного раздела учебника внимательно paзабрать помещенные в настоящем пособии примеры решения типовых задач , решить задачи из раздела «Задачи дан самостоятельного решения» , а также ряд задач из задачников по физике. Задачи для самостоятельного решения подобраны так, что содержат элементы задач, предлагаемых для контрольных работ. Поэтому решение задач из этого раздела подготавливает студента к выполнению контрольной работы. Выполнение контрольных работ заочниками производится по общепринятым правилам.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА Электростатика Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Основные характеристики электрического поля. Напряженность и потенциал. Напряженность как градиент потенциала. Расчет электростатических полей методом суперпозиций. Поток вектора напряженности. Теорема Остроградского - Гаусса для элекгростатического поля в вакууме. Применение теоремы Остроградского - Гаусса к расчету поля. Электрическое поле в веществе. Свободные и связанные заряды в диэлектриках. Типы диэлектриков. Электронная и ориентационная поляризация . Поляризованность. Диэлектрическая восприимчивость вещества. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость среды. Вычисление напряженности поля в диэлектрике. Сегнетоэлектрики. Проводники в электрическое поле. Поле внутри проводника и у его поверхности. Распределение зарядов в проводнзке. Электроемкость уединённого проводника. Конденсаторы. Энергия заряженного проводника, конденсатора и системы проводников. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии.

Постоянный электрический ток Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Вывод закона Ома в дифференциальной форме из электронных представлений. Закон Видемана - Франца. Закон Ома в интегральной форме. Разность потенциалов , электродвижущая сила , напряжение. Затруднения классической теории электропроводности металлов. Границы применимости закона Ома. Ток в газах. Плазма. Работа выхода электронов из металла. Термоэлектронная эмиссия.

УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ ПО РАЗДЕЛАМ “ЭЛЕКТРОСТАТИКА”,“ ПОСТОЯННЫЙ ТОК” Основные формулы и законы. I.

Закон Кулона

q1q 2 4πεε 0ч 2

F=

,

где F - сила взаимодействия точечных зарядов q1 и q2; ч - расстояние между зарядами; - диэлектрическая проницаемость;

ε

ε = 0

10−9 ф/м = 8,85-10 –12 Ф/м - электрическая постоянная. 36π

2. Напряженность электрического поля.

r r F E= q

,

r где q - величина пробного заряда, помещенного в данную точку поля; F - сила, действующая на этот пробный заряд со стороны электрического поля. 3. Потенциал электростатического поля

Π q

ϕ =

,

где П- потенциальная энергия пробного заряда q , помещенного в данную точку поля. 4. Принцип суперпозиций электрических полей N N

r E =

∑

r Ei

;

i =1

где

ϕ =

∑ϕ

i

i =1

,

r E , ϕ - напряженность и потенциал электрического поля, созданного системой из N

r

ϕ

E=

q 4πεε 0ч 2

i - напряженность и потенциал в данной точке поля , точечных зарядов; Ei , создаваемого I-м зарядом. 5. Напряженность и потенциал поля, создаваемого одним точечным зарядом, равна

;

ϕ=

q 4πεε 0ч

,

где ч - расстояние от заряда до точки наблюдения. 6. Теорема Гаусса для электрического поля в вакууме: поток вектора напряженности r E электрического поля через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, охваченных этой поверхностью, деленной на электрическую постоянную

∫

r v 1 EdS =

ε

S

N

0

∑

qi

i =1

,

r r E dS означает, что интегрирование ведется по замкнутой поверхности S ; ∫ r r скалярное произведение вектора напряженности E на вектор dS элементарного участка r r r поверхности ( dS = ndS , где n - единичный вектор внешней нормали к участку где знак

поверхности dS ); N - число зарядов, охваченных поверхностью S . С помощью теоремы Гаусса можно рассчитать напряженность поля в некоторых простых случаях (бесконечная равномерно заряженная плоскость , бесконечная равномерно заряженная нить или цилиндр , заряженный шар или сфера ). 7. Электрическое поле, создаваемое бесконечной равномерно заряженной равномерно заряженной плоскостью

E =

σ 2 εε

,

0

q - поверхностная плотность заряда, S 8. Электрическое поле , созданное бесконечной равномерно заряженной нитью или цилиндром

где σ =

E=

τ

,

2πεε 0ч

q - линейная плотность заряда ; ч – расстояние от нити или оси цилиндра до l точки наблюдения. 9. Потенциал связан с напряженностью электростатического поля соотношением

где τ =

r E = − grad ϕ

, В случае злектрического поля, обладающего центральной или осевой симметрией , эта связь выражается формулой

r r dϕ ч E=− dч ч

,

или в скалярной форме

E=−

dϕ dч

,

а в случае однородного поля, т.е. поля, напряженность которого в каждой точке его одинакова как по модулю, так я по направлению ,

E=

ϕ −ϕ 1

d

2

,

ϕ

1 и ϕ 2 - потенциалы где течек двух эквипотенциальных поверхностей ; d – расстояние между этими поверхностями вдоль электрической силовой линии. 10. Электрический диполь есть система двух разно именных одинаковых по модулю точечных электрических зарядов. r Вектор l , проведенный от отрицательного заряда диполя к его положительному заряду, называется плечом диполя. Диполь называется точечным, если плечо диполя l