Полное сопротивление при соединении проводников. Сила, действующая на заряд в электростатическом поле

Электродинамика. Магнитные явления.

Для правильного решения задания №18 требуется знание основ электродинамики, а именно: понятия эл.тока, эл.цепи, а также электродинамических процессов, происходящих в металлах и других средах. Кроме этого, необходимо иметь представление о некоторых процессах, происходящих в магнитном поле. Дополнительно в задании (в зависимости от контекста условия) могут использоваться материалы из других разделов курса физики. Связанная с этим актуальная информация приведена в разделе теории.

Теория к заданию №18 ЕГЭ по физике

Цепь постоянного тока

Постоянным считают электрический ток, для которого с течением времени остается неизменным его сила и направление. При постоянном электр.токе выполняется соотношение , где I – сила тока, q – заряд, проходящий за единицу времени в проводнике через его поперечное сечение, t – время движение заряда в проводнике.

Электрическая цепь – это комплекс объектов и устройств, обеспечивающих путь для электр.тока. Электромагнитные процессы в цепи постоянного тока описываются с помощью понятия электр.тока, а также физических величин – электр.напряжения (обозн.: U) и ЭДС (обозн.: ؏).

Полное сопротивление при соединении проводников

Различают соединение проводников последовательное и параллельное. При последовательном соединении полное сопротивление R определяется как сумма сопротивлений всех проводников: . При параллельном соединении имеет место соотношение: .

Закон Ома для полной электрической цепи

Этот закон описывает функционирование цепи, состоящей из:

  1. источника тока с ЭДС и внутренним сопротивлением r;
  2. внешнего сопротивления R.

Формула закона Ома:

Сила Лоренца

Силой Лоренца называют воздействие магнитного поля на движущуюся в нем заряженную частицу. Сила Лоренца вычисляется по формуле:

где q – величина заряда, v – скорость ее перемещения, B – индукция поля, α – угол между векторами и (т.е. угол наклона частицы по отношению к линиям индукции при ее движении).

Направление FЛ определяется по правилу левой руки. Для заряженных положительно частиц оно формулируется так: если расположить руку так, чтобы входил в раскрытую ладонь, а совпадал с направлением вытянутых четырех пальцев, то будет направлена перпендикулярно, совпадая с направлением отогнутого в сторону большого пальца. Для отрицательно заряженных частиц правило подобно с одним отличием: требуется, что 4 пальца были направлены противоположно .

Сила, действующая на заряд в электростатическом поле

Такой силой является воздействие на заряженную частицу, находящемся в электростатическом – неизменном во времени и неподвижном в пространстве – поле. Она определяется по формуле: , где q – величина заряда, на который происходит воздействие со стороны поля, – напряженность поля.

Равномерное движение тела по окружности

Равномерное движение тела (частицы) по окружности представляет собой движение, при котором величина (модуль) скорости остается постоянным, а направление (вектор) изменяется. В каждый момент времени вектор скорости направлен по касательной к окружности в точке нахождения тела.

При равномерном движении по окружности возникает центростремительное ускорение. Эта величина вычисляется по формуле: , где v – модуль скорости, R – радиус окружности. Вектор центростремительного ускорения направлен к центру окружности.

Период движения тела по окружности может быть определен разными способами. Один из них основывается на понимании связи между скоростью, временем движения тела и величиной пройденного пути. В этом контексте величина пути – это длина окружности (L), а время движения – период (Т). Исходя из этого, получаем формулу: .

Разбор типовых вариантов заданий №18 ЕГЭ по физике

Демонстрационный вариант 2018

На рисунке показана цепь постоянного тока. Внутренним сопротивлением источника тока можно пренебречь. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать (ε — ЭДС источника тока; R — сопротивление резистора).

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем параметры цепи.
  2. Записываем формулу для расчета сопротивления при замкнутом ключе (вариант А) и определяем его. Записываем формулу для вычисления силы тока и определяем номер правильного ответа.
  3. Определяем сопротивление при разомкнутом ключе (вариант Б). Записываем формулу для вычисления силы тока и определяем номер правильного ответа.
  4. Вносим соответствующие данные в итоговую таблицу. Записываем ответ.

1. По условию внешние сопротивления одинаковы и равны R. Внутр.сопротивление r=0 (т.к. по условию им можно пренебречь). При замкнутом ключе в цепи подключены оба резистора. Их соединение – параллельное. При разомкнутом ключе в цепи только один резистор (правый). ЭДС в цепи обозначено через Е.

2. Суммарное сопротивление R в цепи при замкнутом ключе:

Определяем силу тока на основании з-на Ома для полной цепи:

Таким образом правильная формула для варианта А – под номером 2.

3. Суммарное сопротивление при разомкнутом ключе .

Сила тока равна: . Соответственно, для варианта Б номер правильной формулы – 3.

4. Заполняем таблицу:

Первый вариант задания (Демидова, №7)

Протон массой m и зарядом q движется перпендикулярно линиям индукции однородного магнитного поля B по окружности со скоростью v. Действием силы тяжести пренебречь.

Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем условие задачи и определяем, какая сила действует на протон в процесс его движения. Записываем соответствующую формулу (1).
  2. Применяем 2-й закон Ньютона. Записываем его формулу, сопоставляем ее с формулой (1). Получаем выражение, из которого выражаем ускорение (2). Определяем номер правильного ответа для вопроса Б.
  3. Анализируем характер ускорения протона. Записываем формулу для ускорения. Используя ее и формулу (2), производим тождественное преобразование и получаем результирующее выражение для определения радиуса окружности (3).
  4. Используя формулу (3), выражаем длину окружности (4).
  5. Использую формулу (4), получаем выражение для периода обращения протона. Определяем номер правильного ответа для вопроса А.
  6. Записываем ответ.
  1. На протон действует сила Лоренца: . По условию угол наклона протона к линиям индукции α=90 0 , значит, sinα = 1. Следовательно: (1).
  2. По 2-му закону Ньютона F=ma. Подставив сюда формулу (1), получим: . Отсюда: (2). Ответ – 4.
  3. Если протон движется по окружности (по условию), то у него возникает центростремительное ускорение. Оно вычисляется по формуле: . Подставив сюда вместо ɑ дробь из формулы (2), получаем: (3).
  4. Длина окружности равна: L=2πR. Используя формулу (3), получим: (4).
  5. Период обращения по окружности у протона с учетом формулы (4) составит:
Читать еще:  Условия присвоения ветерана труда российской федерации. Как получить звание ветерана труда

Вариант ответа – 1.

Второй вариант задания (Демидова, №11)

В первой экспериментальной установке отрицательно заряженная частица влетает в однородное магнитное поле так, что вектор скорости перпендикулярен индукции магнитного поля (рис. 1). Во второй экспериментальной установке вектор скорости такой же частицы параллелен напряжённости электрического поля (рис. 2).

Установите соответствие между экспериментальными установками и траекториями движения частиц в них.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

А) в первой установке

Б) во второй установке

Алгоритм решения:
  1. Анализируем ситуацию А. Определяем направление движения частицы. Находим номер правильного варианта ответа.
  2. Анализируем ситуацию Б. Определяем направление движения частицы. Находим номер правильного варианта ответа.
  3. Записываем ответ в соответствующие клетки таблицы (под буквами А и Б).

1. В 1-й установке (в магнитном однородном поле) на частицу действует сила Лоренца. Для определения направления ее движения применим правило левой руки для заряженных отрицательно частиц (крестики на рисунке означают, что перпендикулярно «входит» в плоскость рисунка):

Частица, двигаясь, будет отклоняться от своего первоначального направления, причем в каждый момент будет перпендикулярен вектору силы. Вектору силы будет все время перпендикулярен и вектор ускорения, который совпадает с . Такая ситуация имеет место при движении (равномерном) по окружности с центростремительным ускорением. Таким образом, траектория движения частицы представляет собой окружность. Правильный ответ – 2.

2. На частицу во 2-й установке действует сила F со стороны электростатического поля: . При этом по условию q

Женский онлайн-журнал. Про прекрасных дам

Для правильного решения задания №18 требуется знание основ электродинамики, а именно: понятия эл.тока, эл.цепи, а также электродинамических процессов, происходящих в металлах и других средах. Кроме этого, необходимо иметь представление о некоторых процессах, происходящих в магнитном поле. Дополнительно в задании (в зависимости от контекста условия) могут использоваться материалы из других разделов курса физики. Связанная с этим актуальная информация приведена в разделе теории.

Теория к заданию №18 ЕГЭ по физике

Цепь постоянного тока

Постоянным считают электрический ток, для которого с течением времени остается неизменным его сила и направление. При постоянном электр.токе выполняется соотношение , где I – сила тока, q – заряд, проходящий за единицу времени в проводнике через его поперечное сечение, t – время движение заряда в проводнике.

Электрическая цепь – это комплекс объектов и устройств, обеспечивающих путь для электр.тока. Электромагнитные процессы в цепи постоянного тока описываются с помощью понятия электр.тока, а также физических величин – электр.напряжения (обозн.: U) и ЭДС (обозн.: ؏).

Полное сопротивление при соединении проводников

Различают соединение проводников последовательное и параллельное. При последовательном соединении полное сопротивление R определяется как сумма сопротивлений всех проводников: . При параллельном соединении имеет место соотношение: .

Закон Ома для полной электрической цепи

Этот закон описывает функционирование цепи, состоящей из:

  1. источника тока с ЭДС и внутренним сопротивлением r;
  2. внешнего сопротивления R.

Формула закона Ома:

Сила Лоренца

Силой Лоренца называют воздействие магнитного поля на движущуюся в нем заряженную частицу. Сила Лоренца вычисляется по формуле:

где q – величина заряда, v – скорость ее перемещения, B – индукция поля, α – угол между векторами и (т.е. угол наклона частицы по отношению к линиям индукции при ее движении).

Направление F Л определяется по правилу левой руки. Для заряженных положительно частиц оно формулируется так: если расположить руку так, чтобы входил в раскрытую ладонь, а совпадал с направлением вытянутых четырех пальцев, то будет направлена перпендикулярно, совпадая с направлением отогнутого в сторону большого пальца. Для отрицательно заряженных частиц правило подобно с одним отличием: требуется, что 4 пальца были направлены противоположно .

Сила, действующая на заряд в электростатическом поле

Такой силой является воздействие на заряженную частицу, находящемся в электростатическом – неизменном во времени и неподвижном в пространстве – поле. Она определяется по формуле: , где q – величина заряда, на который происходит воздействие со стороны поля, – напряженность поля.

Равномерное движение тела по окружности

Равномерное движение тела (частицы) по окружности представляет собой движение, при котором величина (модуль) скорости остается постоянным, а направление (вектор) изменяется. В каждый момент времени вектор скорости направлен по касательной к окружности в точке нахождения тела.

При равномерном движении по окружности возникает центростремительное ускорение. Эта величина вычисляется по формуле: , где v – модуль скорости, R – радиус окружности. Вектор центростремительного ускорения направлен к центру окружности.

Период движения тела по окружности может быть определен разными способами. Один из них основывается на понимании связи между скоростью, временем движения тела и величиной пройденного пути. В этом контексте величина пути – это длина окружности (L), а время движения – период (Т). Исходя из этого, получаем формулу: .

Читать еще:  А ты знаешь что такое Истинные чувства? Энергетика человека и истинные чувства

Разбор типовых вариантов заданий №18 ЕГЭ по физике

Демонстрационный вариант 2018

На рисунке показана цепь постоянного тока. Внутренним сопротивлением источника тока можно пренебречь. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать (ε — ЭДС источника тока; R — сопротивление резистора).

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем параметры цепи.
  2. Записываем формулу для расчета сопротивления при замкнутом ключе (вариант А) и определяем его. Записываем формулу для вычисления силы тока и определяем номер правильного ответа.
  3. Определяем сопротивление при разомкнутом ключе (вариант Б). Записываем формулу для вычисления силы тока и определяем номер правильного ответа.
  4. Вносим соответствующие данные в итоговую таблицу. Записываем ответ.

1. По условию внешние сопротивления одинаковы и равны R. Внутр.сопротивление r=0 (т.к. по условию им можно пренебречь). При замкнутом ключе в цепи подключены оба резистора. Их соединение – параллельное. При разомкнутом ключе в цепи только один резистор (правый). ЭДС в цепи обозначено через Е.

2. Суммарное сопротивление R в цепи при замкнутом ключе:

Определяем силу тока на основании з-на Ома для полной цепи:

Таким образом правильная формула для варианта А – под номером 2.

3. Суммарное сопротивление при разомкнутом ключе .

Сила тока равна: . Соответственно, для варианта Б номер правильной формулы – 3.

4. Заполняем таблицу:

Первый вариант задания (Демидова, №7)

Протон массой m и зарядом q движется перпендикулярно линиям индукции однородного магнитного поля B по окружности со скоростью v. Действием силы тяжести пренебречь.

Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем условие задачи и определяем, какая сила действует на протон в процесс его движения. Записываем соответствующую формулу (1).
  2. Применяем 2-й закон Ньютона. Записываем его формулу, сопоставляем ее с формулой (1). Получаем выражение, из которого выражаем ускорение (2). Определяем номер правильного ответа для вопроса Б.
  3. Анализируем характер ускорения протона. Записываем формулу для ускорения. Используя ее и формулу (2), производим тождественное преобразование и получаем результирующее выражение для определения радиуса окружности (3).
  4. Используя формулу (3), выражаем длину окружности (4).
  5. Использую формулу (4), получаем выражение для периода обращения протона. Определяем номер правильного ответа для вопроса А.
  6. Записываем ответ.

Вариант ответа – 1.

Второй вариант задания (Демидова, №11)

В первой экспериментальной установке отрицательно заряженная частица влетает в однородное магнитное поле так, что вектор скорости перпендикулярен индукции магнитного поля (рис. 1). Во второй экспериментальной установке вектор скорости такой же частицы параллелен напряжённости электрического поля (рис. 2).

Установите соответствие между экспериментальными установками и траекториями движения частиц в них.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Алгоритм решения:
  1. Анализируем ситуацию А. Определяем направление движения частицы. Находим номер правильного варианта ответа.
  2. Анализируем ситуацию Б. Определяем направление движения частицы. Находим номер правильного варианта ответа.
  3. Записываем ответ в соответствующие клетки таблицы (под буквами А и Б).

1. В 1-й установке (в магнитном однородном поле) на частицу действует сила Лоренца. Для определения направления ее движения применим правило левой руки для заряженных отрицательно частиц (крестики на рисунке означают, что перпендикулярно «входит» в плоскость рисунка):

Частица, двигаясь, будет отклоняться от своего первоначального направления, причем в каждый момент будет перпендикулярен вектору силы. Вектору силы будет все время перпендикулярен и вектор ускорения, который совпадает с . Такая ситуация имеет место при движении (равномерном) по окружности с центростремительным ускорением. Таким образом, траектория движения частицы представляет собой окружность. Правильный ответ – 2.

2. На частицу во 2-й установке действует сила F со стороны электростатического поля: . При этом по условию q

Верхнюю точку моста радиусом 100 м автомобиль проходит со скоростью 20 м/с. Чему равно центростремительное ускорение автомобиля? (Ответ дайте в метрах в секунду в квадрате.)

К бруску массой m 1 = 5 кг, находящемуся на закреплённой наклонной шероховатой плоскости, приложена сила F = 10 Н, направленная вдоль плоскости, как показано на рисунке. При этом брусок движется вверх с ускорением. На какую величину изменится ускорение бруска, если, не изменяя модуля и направления силы заменить брусок на другой — из того же материала, но массой m 2 = 0,4 m 1 ? Ответ выразите в м/с 2 .

Тело массой 2 кг под действием силы F перемещается вверх по наклонной плоскости на расстояние 5 м, расстояние тела от поверхности Земли при этом увеличивается на 3 м. Вектор силы F направлен параллельно наклонной плоскости, модуль силы F равен 30 Н. Какую работу при этом перемещении в системе отсчета, связанной с наклонной плоскостью, совершила сила трения? (Ответ дайте в джоулях.) Ускорение свободного падения коэффициент трения

На рисунке представлен график зависимости потенциальной энергии математического маятника (относительно положения его равновесия) от времени.

Какова кинетическая энергия маятника в момент времени ? (Ответ дайте в джоулях.)

На графике представлены результаты измерения длины пружины l при различных значениях массы m подвешенных к пружине грузов.

Выберите два утверждения, соответствующие результатам измерений.

1) Длина недеформированной пружины равна 13 см.

2) При массе груза, равной 300 г, длина пружины составляет 15 см.

3) Коэффициент жёсткости пружины примерно равен 80 Н/м.

4) Коэффициент жёсткости пружины примерно равен 60 Н/м.

5) Деформация пружины не изменялась.

Твёрдое тело может вращаться вокруг жёсткой оси O . На расстоянии L от оси к телу приложена сила лежащая в плоскости, перпендикулярной оси (см. рисунок — вид со стороны оси).

Установите соответствие между физическими величинами и формулами, при помощи которых их можно найти. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца.

Читать еще:  Составление букетов из живых цветов. Формы букета. Совместимость. Как собрать букет по спирали? Видео: Два Букета из лилий и хризантемы. Флористика для начинающих. С использованием искусственных цветов

Проводник в электростатическом поле. Проводники, полупроводники, диэлектрики

Веществом, имеющим свободные частицы с зарядом, двигающиеся по телу за счет действующего электрического поля упорядоченно, называют проводник в электростатическом поле. А заряды частиц называют свободными. Диэлектрики, напротив, их не имеют. Проводники и диэлектрики имеют разную природу и свойства.

В электростатическом поле проводники — металлы, щелочные, кислые и солевые растворы, а также ионизированные газы. Носители свободных зарядов в металлах — это свободные электроны.

При поступлении в однородное электрическое поле, где металлы — проводники без заряда, начнется движение в направлении, которое противоположно вектору напряжения поля. Скапливаясь на одной стороне, электроны создадут отрицательный заряд, а на другой стороне недостаточное их количество станет причиной появления избыточного положительного заряда. Получится, что заряды разделятся. Некомпенсированные разные заряды возникают под воздействием внешнего поля. Таким образом, они индуцированы, а проводник в электростатическом поле остается без заряда.

Нескомпенсированные заряды

Электризация, когда заряды перераспределяются между частями тела, называется электростатической индукцией. Нескомпенсированные электрические заряды образуют свое тело, напряженности внутренние и внешние противоположны друг другу. Разделяясь и затем накапливаясь на противоположных частях проводника, напряженность внутреннего поля возрастает. В результате оно становится нулевым. Тогда заряды уравновешиваются.

При этом весь нескомпенсированный заряд находится снаружи. Этот факт используют, чтобы получить электростатическую защиту, предохраняющую приборы от влияния полей. Их помещают в сетки или заземленные корпуса из металла.

Диэлектрики

Вещества без свободных электрических зарядов в стандартных условиях (то есть, когда температура не слишком высокая и не низкая) называются диэлектриками. Частицы в этом случае не могут передвигаться по телу и смещаются только чуть-чуть. Поэтому электрические заряды здесь связаны.

Диэлектрики подразделяются на группы в зависимости от молекулярного строения. Молекулы диэлектриков первой группы асимметричны. К ним относится и обычная вода, и нитробензол, и спирт. Их положительные и отрицательные заряды не совпадают. Они выступают в роли электрических диполей. Такие молекулы считаются полярными. Их электрический момент равен конечному значению при всех разных условиях.

Вторая группа состоит из диэлектриков, у которых молекулы имеют симметричное строение. Это парафин, кислород, азот. Положительные и отрицательные заряды у них имеют схожее значение. Если внешнего электрического поля нет, то и электрический момент тоже отсутствует. Это неполярные молекулы.

Разноименные заряды в молекулах во внешнем поле имеют смещенные центры, направленные в разные стороны. Они превращаются в диполи и получают еще один электрический момент.

Диэлектрики третьей группы имеют кристаллическое строение из ионов.

Интересно, как ведет себя диполь во внешнем однородном поле (ведь он является молекулой, состоящей из неполярных и полярных диэлектриков).

Любой заряд диполя наделен силой, каждая из которых имеет один и тот же модуль, но различное направление (противоположное). Образуются две силы, имеющие вращательный момент, под действием которого диполь стремится повернуться таким образом, чтобы направление векторов совпадало. В результате он получает направление внешнего поля.

В неполярном диэлектрике внешнего электрического поля нет. Поэтому молекулы лишены электрических моментов. В полярном диэлектрике тепловое движение образуется в полном беспорядке. Из-за этого электрические моменты имеют различное направление, а их векторная сумма — нулевая. То есть диэлектрик не имеет электрического момента.

Диэлектрик в однородном электрическом поле

Поместим диэлектрик в однородное электрическое поле. Мы уже знаем, что диполи — это молекулы полярных и неполярных диэлектриков, которые направлены в зависимости от внешнего поля. Их векторы упорядочены. Тогда сумма векторов не является нулевой, и диэлектрик имеет электрический момент. Внутри него имеются положительные и отрицательные заряды, которые взаимокомпенсирумы и находятся близко друг от друга. Поэтому диэлектрик и не получает заряд.

Противоположные поверхности имеют нескомпенсированные поляризационные заряды, которые равны, то есть диэлектрик поляризуется.

Если взять ионный диэлектрик и поместить в электрическое поле, то решетка кристаллов из ионов в нем слегка сместится. В результате диэлектрик ионного типа получит электрический момент.

Поляризационные заряды образуют свое электрическое поле, которое имеет противоположное направление с внешним. Поэтому напряженность электростатического поля, которое образуется зарядами, помещенными в диэлектрик, получается меньше, чем в вакууме.

Иная картина сложится с проводниками. Если проводники электрического тока внести в электростатическое поле, в нем возникнет кратковременный ток, так как действующие на свободные заряды электрические силы будут способствовать возникновению движения. Но также всем известен закон термодинамической необратимости, когда любой макропроцесс в замкнутой системе и движение должны в итоге закончиться, а система уравновеситься.

Проводник в электростатическом поле — это тело из металла, где электроны начинают движение против силовых линий и начнут накапливаться слева. Проводник справа потеряет электроны и получит положительный заряд. При разделении зарядов он обретет свое электрическое поле. Это называется электростатической индукцией.

Внутри проводника напряженность электростатического поля нулевая, что легко доказать, двигаясь от обратного.

Особенности поведения заряда

Заряд проводника скапливается на поверхности. Кроме того, он распределяется таким образом, что плотность заряда ориентируется на кривизну поверхности. Здесь она будет больше, чем в других местах.

Проводники и полупроводники имеют кривизну больше всего на остриях угла, кромках и закруглениях. Здесь же наблюдается и большая плотность заряда. Наряду с ее увеличением растет и напряженность рядом. Поэтому здесь создается сильное электрическое поле. Появляется коронный заряд, из-за чего стекаются заряды от проводника.

Если рассмотреть проводник в электростатическом поле, у которого изъята внутренняя часть, обнаружится полость. От этого ничего не изменится, потому что поля как не было, так и не будет. Ведь в полости оно отсутствует по определению.

Заключение

Мы рассмотрели проводники и диэлектрики. Теперь вы можете понять их различия и особенности проявления качеств в схожих условиях. Так, в однородном электрическом поле они ведут себя совсем по-разному.

Источники:

http://spadilo.ru/zadanie-18-ege-po-fizike/
http://ogy.ru/polnoe-soprotivlenie-pri-soedinenii-provodnikov-sila-deistvuyushchaya-na-zaryad/
http://fb.ru/article/243271/provodnik-v-elektrostaticheskom-pole-provodniki-poluprovodniki-dielektriki

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector