Методические указания к самостоятельной работе студентов по дисциплине «Физика» для студентов специальности 5090609 «Монтаж и эксплуатация электрооборудования промышленных предприятий и гражданских со (стр. 3 из 7)
Заменим участок цепи DE одной эквивалентной ему емкостью CDE (рис. 5,б). Тогда искомая емкость CAB будет равна сумме емкостей двух параллельных ветвей, одна из которых содержит емкости C1, СDE и С1, соединенные последовательно, а другая - емкость С2.
Обозначим общую емкость первой ветви через С", тогда по формуле для парал –
лельного соединения конденсаторов:
. n
С = ∑ Сi
i = 1
САВ= С" + С2,
причем
Заменив емкость CDE ее выражением (а), получим:
6. Темы рефератов
6.1. Методы и техника электростатических измерений потенциала.
6.2. Конденсаторы и их применение в технике.
6.3. Сегнетоэлектрики в современной электротехнике.
7. Форма отчета
7.1. Конспект изученного материала по вопросам для изучения.
7.2. Письменная работа по решению задач по индивидуальным заданиям.
8. Формы контроля
8.1. Проверка конспекта.
8.2. Проверка письменной работы по решению задач.
8.3. Экспресс-опрос.
9. Литература
9.1. Жданов Л. С., Жданов Г. Л. Учебник для средних специальных учебных заведений. К. Вища школа, 1983.
9.2. Сборник задач по физике (для средних специальных учебных заведений). Под редакцией Гладковой. М., Наука, 1984.
9.3. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Курс физики. Том 2. Учебник для студентов высших учебных заведений. М., «Высшая школа», 1977.
9.4. Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2. М., «Наука», Главная редакция Физико-математической литературы, 1987.
9.5. Попов В. С. Теоретическая электротехника. Учебник для студентов средних специальных учебных заведений. М., Энергия. 1978.
9.6. Попов В. С. Электрические измерения. Учебник для средних специальных учебных заведений. М. Энергия. 1985.
9.7. Иродов И. Е. Задачи по общей физике.Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. М., «Наука». 1988.
Тема для самостоятельного изучения № 2
«Закон Ома. Характеристики тока проводимости в конкретных примерах. Работа и мощность тока. решение задач»
1. Цель
1.1. Углубить знания об электрическом токе. Расширить содержание понятия силы тока на основе электронных представлений.
1.2. Углубить знания о функциональной зависимости I = f(U, R). Изучить закон Ома для неоднородного участка цепи; закон Ома в дифференциальной форме.
1.3. Приобрести навыки использования законов постоянного тока и характеристик тока проводимости при расчете конкретных разветвленных цепей постоянного тока.
1.4. Выяснить характер зависимости между энергией, выделяемой на участке цепи, электрическим током и сопротивлением этого участка. Научиться составлять баланс мощностей, затрачиваемых и выделяемых в электрических цепях.
2. Вопросы для изучения
2.1. Выяснить условия возникновения и протекания электрического тока в провод –
никах. Изучить величины, характеризующие протекание тока в проводниках произ –
вольной формы в произвольные моменты времени (силу тока и плотность тока). Ознакомится с основами классической электронной теории электропроводности металлов.
2.2. Изучить зависимость плотности тока в произвольном сечении проводника от напряженности электрического поля в проводнике и проводимости проводника (закон Ома в дифференциальной форме).
2.3. Рассмотреть закономерности выделения тепла в произвольном месте проводни- ка при прохождении по нему тока (закон Джоуля–Ленца в дифференциальной форме).
2.4. Обобщить закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС (неоднородного участка цепи), исходя из закона сохранения энергии.
2.5. Выяснить, от чего зависит и как определяется мощность, развиваемая источни- ком тока; полная мощность, выделяемая в цепи и мощность, выделяемая на внешнем участке цепи.
2.6. Научиться определять коэффициент полезного действия источника тока.
2.7. Научиться составлять баланс мощностей в простых электрических цепях при прохождении по ним тока.
2.8. Решить задачи по расчету разветвленных электрических цепей, используя законы Ома, Джоуля - Ленца и правила для различных соединений потребителей в электрических цепях, по индивидуальному заданию.
3. Требования к знаниям и умениям студентов
3.1. Изучив тему, студент должен знать:
3.1.1. Величины, характеризующие протекание тока через произвольное сечение проводника в произвольный момент времени в электронной теории электропровод –
ности проводников.
3.1.2. Условия протекания тока в проводниках.
3.1.3. Закон Ома в дифференциальной форме.
3.1.4. Закон Ома для неоднородного участка цепи.
3.1.5. Закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме.
3.1.6. Определение мощности, развиваемой источником тока, и мощности, выделя-
емой в цепи.
3.1.7. Понятие КПД источника.
3.2. Студент должен уметь:
3.2.1. Рассчитывать значения силы тока, напряжения, сопротивлений проводников и участков цепи по заданной схеме с применением законов Ома и правил для различ –
ных соединений потребителей.
3.2.2. Рассчитывать энергию и мощность, выделяемую в цепи и на участке цепи, ис-
пользуя закон Джоуля – Ленца.
3.2.3. Рассчитывать мощность, развиваемую источником тока и КПД источника.
3.2.4. Составлять баланс мощностей при протекании тока в электрической цепи.
4. Вопросы для самоконтроля
4.1. Как можно судить о существовании тока в проводнике?
4.2. Каковы условия существования тока в проводнике?
4.3. Какие силы называются сторонними?
4.4. Поясните физический смысл электродвижущей силы, напряжения и разности потенциалов.
4.5. Поясните физический смысл понятий сила тока и плотность тока с точки зре –
ния классической электронной теории проводимости.
4.6. В чем состоит закон Ома для участка цепи, для замкнутой цепи?
4.7. Каков физический смысл закона Ома, представленного в дифференциальной форме?
4.8. Сформулируйте закон Джоуля – Ленца .
4.9. Как определить мощность, развиваемую источником тока?
4.10.Какими приборами и как можно определить мощность электрического тока на каком-либо участке цепи?
4.11.При каких условиях в потребителе и источнике тока выделяется одинаковая мощность?
4.12.В чем причина короткого замыкания? К чему оно приводит в электрической цепи?
5. Примеры решения задач
Задача 1.
Определить плотность тока в медной проволоке длиной l = 10м, если разность потенциалов на ее концах (φ1– φ2) равна 12 В.
j = ?
–––––––––
l = 10м;
(φ1– φ2) = 12 В.
рмеди = 1,7 • 10~8 Ом • м
Решение. Плотность тока, определяемую формулой:
d I
j = ––– ,
d S
найдем, выразив силу тока I по закону Ома для участка однородной цепи. Тогда с учетом формулы для сопротивления проводника длиной l с площадью поперечного сечения S
R = ρ •l/S,
где ρ — удельное сопротивление материала проводника, получим:
I = (φ1 — φ2) S/ρ•l.
Отсюда плотность тока:
d I
j = ––– = (φ1 — φ2) /ρ•l (1)
d S
К этому же результату можно прийти, применив закон Ома в дифференциальной фор- ме:
j = σ Е, (2)
предварительно выразив напряженность электрического поля внутри однородного проводника через разность потенциалов на концах проводника и его длину:
Е = (φ—φ)/l.
Подставив это значение Е в формулу (2) и учитывая, чтоσ = 1/ρ, снова по-
получим ответ (1).
Взяв из справочных таблиц значение удельного сопротивления меди
рмеди = 1,7 • 10~8 Ом • м
и выполнив вычисление по формуле (1), найдем:
j = 7 • 107 А/м2.
Задача 2.
Определить сопротивление резистора по заданным условиям. Если вольтметр со –
единить последовательно с резистором сопротивлением R = 10,0 кОм, то при напря –
жении U0 = 120 В он покажет U1 = 50,0 В (рис. 1). Если соединить его последователь- но с резистором неизвестного сопротивления Rх, то при том же напряжении вольтметр покажет U2 = 10,0 В.Rx = ?
––––––––––––
R = 10,0 кОм = 103 Ом;
U0 = 120 В;
U1 = 50,0 В;
U2 = 10,0 В.
Рис. 1
Решение. Данная цепь представляет собой последовательное соединение двух эле- ментов: вольтметра и резистора. При последовательном соединении сила тока одина- кова на всех участках цепи. Рассматриваемая цепь является однородной. Напряжения на отдельных участках такой цепи, совпадающие с разностями потенциалов на их
концах и дающие в сумме напряжение на всей цепи, распределяются всегда пропор –
ционально сопротивлениям участков, что следует из закона Ома:
I = (φ1– φ2)/R
Заметим, что вольтметр измеряет разность потенциалов между теми точками, к которым он подключен (точки а и b на рис. 1). Другими словами, вольтметр измеряет напряжение на концах того участка цепи, которым он сам является. Поэтому для двух элементов цепи — вольтметра и резистора — можно составить пропорцию: