Физика. Задания на контрольные работы № 3 и № 4 с методическими указаниями для студентов 2 курса направления: 190901.65 «Системы обеспечения движения поездов» (стр. 5 )

- вектор напряженности электрического поля волны;

- вектор напряженности магнитного поля волны

Модуль вектора Пойтинга равен плотности энергии электромагнитной волны.

Примеры решения задач по теме

«Электромагнитные колебания и волны»

Задача 1. Разность потенциалов между обкладками конденсатора емкостью 0,5 мкФ в колебательном контуре изменяется со временем по закону U = 100 sin1000pt [B]. Определить период собственных колебаний, индуктивность, полную энергию контура и максимальную силу тока, текущего по катушке индуктивности. Активным сопротивлением контура пренебречь.

Дано:

;

Um = 100 B;

ω = 103 рад/с

T = ? ω = ? Im = ? L = ?

Решение.

Напряжение на конденсаторе изменяется по гармоническому закону

, (1)

где Um - амплитудное (максимальное) значение напряжения на обкладках конденсатора;

w - собственная круговая частота колебаний, которая связана с периодом соотношением . (2)

Отсюда находим:

.

Период собственных колебаний в контуре определяется по формуле Томсона:

. (3)

Следовательно,

. (4)

Проверка размерности расчетной формулы:

Вычисление:

.

Полная энергия контура складывается из энергии электрического поля Wэ конденсатора и энергии магнитного поля Wм катушки:

. (5)

Полная энергия контура равна максимальной энергии электрического поля конденсатора:

(6)

или максимальной энергии магнитного поля катушки:

. (7)

Проверка размерности расчетных формул:

Произведем вычисление:

.

Зная полную энергию, можно определить максимальную силу тока, протекающего по катушке индуктивности:

; (8)

Вычисление:

.

Ответ: период собственных колебаний контура равен ; индуктивность катушки равна 0,2 Гн; полная энергия колебательного контура равна ; максимальная сила тока, текущего по катушке равна 0,16 А.

Задача 2. Длина электромагнитной волны в вакууме, на которую настроен колебательный контур, равна 12 м. Пренебрегая активным сопротивлением контура, определить максимальный заряд на пластинах конденсатора, если максимальная сила тока в контуре

Дано:

Решение.

Согласно закону сохранения энергии

, (1)

где - максимальная энергия электрического поля конденсатора;

- максимальная энергия магнитного поля катушки.

Длина электромагнитной волны в вакууме

, (2)

где - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме; T – период колебания.

Колебательный контур настроен на электромагнитную волну, следовательно, собственная частота колебаний контура должна совпадать с частотой электромагнитной волны, поэтому период электромагнитных колебаний в контуре должен быть равен периоду колебаний электромагнитной волны.

По формуле Томсона период колебаний в контуре

. (3)

Из (1) имеем:

. (4)

Подставим выражение (4) в формулу (3), получим:

.

Подставим выражение (5) в формулу (2), получим:

. (6)

Из формулы (6) выразим величину максимального заряда на пластинах конденсатора:

.

Проверка размерности расчетной формулы:

.

Вычисление:

.

Ответ: максимальный заряд на пластинах конденсатора равен .

Волновые свойства света

Основные законы и формулы

1. Скорость света в среде

,

где с – скорость света в вакууме; n – показатель преломления среды.

2. Оптическая длина пути световой волны

,

где l – геометрическая длина пути световой волны в среде с показателем преломления n .

3. Оптическая разность хода двух световых волн

.

4. Зависимость разности фаз от оптической разности хода световых волн

,

где l – длина световой волны.

5. Условие максимального усиления света при интерференции

(к = 0, 1, 2,…).

Условие максимального ослабления света при интерференции

(к = 0, 1, 2,…).

6. Оптическая разность хода световых волн, возникающая при отражении монохроматического света от тонкой пленки

или

,

где d – толщина пленки; n – показатель преломления пленки;

i1 – угол падения; i2 – угол преломления света в пленке.

Добавочная разность хода l/2 возникает при отражении света от оптически более плотной среды.

7. Радиус светлых колец Ньютона в отраженном свете

(к = 1, 2, 3,…),

где к – номер кольца; R – радиус кривизны линзы; n – показатель преломления среды, находящейся между линзой и стеклянной пластинкой.

Радиус темных колец Ньютона в отраженном свете

(к = 0, 1, 2,…).

8. Радиус к-ой зоны Френеля

а) для сферической волны

,

где – расстояние между диафрагмой с круглым отверстием и точечным источником света;

b – расстояние между диафрагмой и экраном, на котором ведется наблюдение дифракционной картины; к – номер зоны Френеля;

l – длина волны.

б) для плоской волны

.

9. Дифракция света на одной щели при нормальном падении света (дифракция Фраунгофера).

Угол j отклонения лучей, соответствующих минимуму интенсивности света: ,

где – ширина щели; к – порядковый номер минимума; l – длина волны.

Угол j отклонения лучей, соответствующий максимуму интенсивности

,

где j – приближенное значение угла дифракции.

10. Дифракция света на дифракционной решетке при нормальном падении лучей.

Условие главных максимумов интенсивности:

,

где d – период (постоянная решетки); к – номер главного дифракционного максимума в случае монохроматического света или порядок спектра в случае белого света; j – угол отклонения лучей, соответствующий максимуму интенсивности.