πЕГЭ · ИИ-репетитор12 предметов · задания ФИПИ
Главная → Физика → Курс теории → №15

№15. Соответствия: колебательный контур

В позиции №15 нужно установить соответствие между двумя графиками и физическими величинами, которые эти графики могут описывать. Почти всегда речь о колебательном контуре: конденсатор и катушка обмениваются энергией, и на графиках А и Б показаны две разные зависимости от времени — например, заряд обкладки и сила тока либо сила тока и энергия магнитного поля. Здесь важно не угадывать, а опираться на формулы и на поведение величин в начальный момент.

Колебательный контур — это конденсатор и катушка в замкнутой цепи. Если конденсатор зарядить, а затем замкнуть цепь, в контуре начнутся свободные электромагнитные колебания: заряд перетекает с обкладки на обкладку через катушку, энергия переходит из электрического поля в магнитное и обратно, а из-за сопротивления проводов колебания постепенно затухают. В заданиях позиции №15 на графиках А и Б как раз и показаны две такие зависимости от времени.

T = 2π·√(L·C) · q = q₀·cos ωt · i = q′ = −q₀·ω·sin ωt

Главное, что нужно понять про эти графики: заряд и сила тока разведены во времени на четверть периода. В начальный момент конденсатор заряжен полностью, поэтому заряд максимален, а тока в катушке ещё нет. Дальше конденсатор разряжается, ток растёт и достигает максимума ровно тогда, когда заряд обращается в нуль. Затем ток перезаряжает конденсатор, и картина повторяется в обратную сторону.

q максимален ⟹ i = 0 · q = 0 ⟹ i максимален

Энергии полей ведут себя иначе. Энергия электрического поля пропорциональна квадрату заряда, энергия магнитного поля — квадрату тока. Поэтому обе энергии неотрицательны и колеблются вдвое быстрее: за один период колебаний заряда энергия дважды достигает максимума и дважды обращается в нуль. Максимумы энергии электрического поля совпадают с моментами полной зарядки конденсатора, а максимумы энергии магнитного поля — с моментами максимального тока.

W_эл = q²/(2C) · W_магн = L·i²/2 · W = q₀²/(2C) = L·i₀²/2

Полная энергия контура постоянна, если пренебречь сопротивлением: максимум энергии электрического поля равен максимуму энергии магнитного поля. Это удобно использовать в заданиях на соответствие: величину, пропорциональную квадрату заряда или тока, легко узнать по удвоенной частоте и по отсутствию отрицательных значений. А величина, которая вовсе не меняется со временем, — это параметр контура: индуктивность катушки или ёмкость конденсатора.

Что изображено на графикеКак узнать и что это значит
Затухающие колебания, выходящие из нуля при t = 0Это сила тока: в начальный момент конденсатор заряжен полностью, а тока в катушке нет
Затухающие колебания, начинающиеся с максимума при t = 0Это заряд обкладки конденсатора или напряжение на конденсаторе
Колебания с удвоенной частотой, без отрицательных значенийЭто энергия: электрического поля — с максимумами там же, где максимум заряда, магнитного — где максимум тока
Горизонтальная прямая, не зависящая от времениЭто параметр контура: индуктивность L или ёмкость C, они от времени не меняются
Максимум графика зарядаТок равен нулю, конденсатор заряжен полностью, энергия электрического поля максимальна
Нуль графика зарядаТок максимален, конденсатор разряжен, энергия магнитного поля максимальна
Максимум графика силы токаЗаряд равен нулю, а энергия магнитного поля катушки максимальна
Совпадение максимумов двух графиковДля пары заряд и ток это невозможно, а для пары ток и энергия магнитного поля так и должно быть

Типичные ошибки. 1) Считают, что заряд и сила тока достигают максимума одновременно: на самом деле они разведены на четверть периода. 2) Ищут у энергии такой же период, как у заряда: энергия колеблется вдвое быстрее. 3) Выбирают для энергии график, уходящий ниже оси, хотя энергия не бывает отрицательной. 4) Принимают горизонтальную прямую за энергию или ЭДС, хотя постоянная величина в такой задаче — это параметр контура: индуктивность или ёмкость. 5) Не переводят миллиамперы в амперы, микрогенри в генри и микроджоули в джоули при расчёте энергии. 6) Путают график тока с графиком заряда: у них разные значения в начальный момент, а дальше они похожи.

Проверь себя

  1. Почему в начальный момент колебаний заряд конденсатора максимален, а сила тока в катушке равна нулю?
  2. Как по графику отличить зависимость заряда от зависимости силы тока?
  3. Почему энергия магнитного поля колеблется с удвоенной частотой по сравнению с силой тока?
  4. Какая величина в колебательном контуре не меняется со временем и почему?
  5. Как связаны максимальная энергия электрического поля и максимальная энергия магнитного поля в контуре?

Показательные решения

Разбор из банка: график из нуля и постоянная величина
Конденсатор колебательного контура подключен к источнику постоянного напряжения. Графики А и Б представляют зависимость от времени t физических величин, характеризующих колебания в контуре после переключения ключа К во второе положение в момент t = 0. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от времени эти графики могут представлять. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. ГРАФИКИ А) Б) ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 1. Заряд левой обкладки конденсатора 2. Сила тока в катушке 3. Энергия электрического поля конденсатора 4. Индуктивность катушки A | Б
Решение по шагам
  1. Дан колебательный контур, в котором происходят затухающие колебания. График А начинается из нуля, график Б — горизонтальная прямая. Нужно определить, какие физические величины они описывают.
  2. Разбираем график А. В момент t = 0 величина равна нулю. В начале колебаний весь заряд сосредоточен на конденсаторе, а тока в катушке ещё нет, значит график А — это сила тока в катушке. Это вариант 2.
  3. Затухание колебаний объясняется выделением джоулева тепла на сопротивлении катушки и подводящих проводов, поэтому амплитуда постепенно уменьшается.
  4. Разбираем график Б: величина со временем не меняется. Заряд, ток и энергии полей колеблются, значит остаётся параметр контура — индуктивность катушки L. Это вариант 4.
  5. Проверяем остальные варианты: ЭДС самоиндукции и энергия меняются во времени, поэтому горизонтальной прямой они соответствовать не могут.
  6. Проверка по единицам: индуктивность измеряется в генри (Гн) и является характеристикой самой катушки, от времени она не зависит.
  7. Получаем А — 2, Б — 4, значит в ответ записываем 24. Ответ: 24.

Ответ: 24

Официальное решение из банка ФИПИ

На графике А представлена зависимость от времени физической величины, совершающей затухающие колебания. При этом в момент времени t = 0 эта величина равна нулю. Такими характеристиками обладает сила тока в катушке, так как в момент начала колебаний весь заряд сосредоточен на конденсаторе, и ток через катушку еще не течет. Колебания затухают из-за выделения джоулева тепла на сопротивлении. Таким образом, график А соответствует силе тока в катушке (А — 2). На графике Б представлена величина, не меняющаяся со временем. Из предложенных вариантов ответа, подходит только индуктивность катушки. Эта величина является параметром катушки и никак не меняется в ходе колебаний. Следовательно, на графике Б представлена индуктивность катушки (Б — 4). Ответ: 24.

Разбор из банка: заряд обкладки и энергия электрического поля
Конденсатор колебательного контура подключен к источнику постоянного напряжения. Графики А и Б представляют зависимость от времени t физических величин, характеризующих колебания в контуре после переведения переключателя К в положение 2 в момент t = 0. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от времени эти графики могут представлять. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. ГРАФИКИ А) Б) ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 1. Заряд левой обкладки конденсатора 2. Энергия электрического поля конденсатора 3. Сила тока в катушке 4. Энергия магнитного поля катушки A | Б
Решение по шагам
  1. Дан колебательный контур: сначала конденсатор заряжают от батареи, затем переключатель переводят, и в контуре начинаются свободные колебания. Нужно сопоставить графики А и Б с величинами.
  2. Разбираем график А: в момент t = 0 величина максимальна, дальше колебания затухают. В начальный момент весь заряд сосредоточен на конденсаторе, значит график А — это заряд левой обкладки конденсатора. Это вариант 1.
  3. Знак заряда определяется полярностью: до переключения левая обкладка была соединена с положительным полюсом батареи, поэтому в начале колебаний заряд положителен.
  4. Разбираем график Б: колебания идут с удвоенной частотой, и величина никогда не принимает отрицательных значений. Так ведёт себя энергия.
  5. Выбираем между энергией электрического и магнитного поля. Энергия электрического поля W_эл = q²/(2C) пропорциональна квадрату заряда, значит её максимумы совпадают с максимумами графика А. Это вариант 2.
  6. Проверка: там, где заряд равен нулю, конденсатор разряжен и энергия электрического поля тоже равна нулю — на графике Б в эти моменты как раз минимумы, всё сходится.
  7. Получаем А — 1, Б — 2, в ответе записываем 12. Ответ: 12.

Ответ: 12

Официальное решение из банка ФИПИ

С учетом того, что в момент начала колебаний весь заряд сосредоточен на конденсаторе колебательного контура, для зависимости заряда левой обкладки конденсатора от времени имеем: q (t) = q_mcos (t)/(√(LC)). График А отображает именно такую зависимость от времени. Таким образом, график А соответствует заряду левой обкладки конденсатора (А — 1). Легко видеть, что график Б представляет энергию электрического поля конденсатора (Б — 2). Действительно: E_эл (t) = (q² (t))/(2C) = (q_m²)/(4C) (1 + cos (2t)/(√(LC))). Максимумы соответствуют полностью заряженному конденсатору, минимумы — моментам времени, когда конденсатор полностью разряжен. Ответ: 12.

Разбор из банка: сила тока и энергия магнитного поля
Конденсатор колебательного контура подключен к источнику постоянного напряжения. Графики А и Б представляют зависимость от времени t физических величин, характеризующих колебания в контуре после переведения переключателя К в положение 2 в момент t = 0. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от времени эти графики могут представлять. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. ГРАФИКИ А) Б) ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 1. Заряд левой обкладки конденсатора 2. Энергия электрического поля конденсатора 3. Сила тока в катушке 4. Энергия магнитного поля катушки A | Б
Решение по шагам
  1. Дан колебательный контур, в начальный момент весь заряд сосредоточен на конденсаторе. Нужно сопоставить графики А и Б с физическими величинами.
  2. Записываем зависимость заряда от времени: q = q₀·cos ωt, где ω = 1/√(L·C). В момент t = 0 заряд максимален, как и должно быть в начале колебаний.
  3. Сила тока — производная заряда: i = q′ = −q₀·ω·sin ωt. Значит, график тока начинается из нуля и идёт синусоидой, принимая и положительные, и отрицательные значения. Именно так выглядит график А, поэтому А — сила тока в катушке, вариант 3.
  4. Разбираем график Б: колебания идут с удвоенной частотой, величина неотрицательна. Это энергия.
  5. Считаем энергию магнитного поля: W_магн = L·i²/2 = (L·i₀²/4)·(1 − cos 2ωt). Максимумы этой величины приходятся на максимальный ток, когда конденсатор разряжен, а минимумы — на моменты полной зарядки конденсатора.
  6. Проверка: период энергии вдвое меньше периода колебаний тока, а значения не опускаются ниже нуля, значит график Б — это энергия магнитного поля катушки, вариант 4.
  7. Получаем А — 3, Б — 4, в ответе записываем 34. Ответ: 34.

Ответ: 34

Официальное решение из банка ФИПИ

С учетом того, что в момент начала колебаний весь заряд сосредоточен на конденсаторе колебательного контура, для зависимости заряда левой обкладки конденсатора от времени имеем: q (t) = q_mcos (t)/(√(LC)). Следовательно, для силы тока в катушке получаем: I (t) = − q_m 1/(√(LC)) sin (t)/(√(LC)) = − I_m sin (t)/(√(LC)). График А отображает именно такую зависимость от времени. Таким образом, график А соответствует силе тока в катушке (А — 3). Легко видеть, что график Б представляет энергию магнитного поля катушки (Б — 4). Действительно: E_магн (t) = (LI² (t))/(2) = (LI_m²)/(4) (1 − cos (2t)/(√(LC))). Максимумы соответствуют максимальному току через катушку, когда конденсатор разряжен. Минимумы, напротив, соответствуют моментам времени, когда конденсатор полностью заряжен, а ток через катушку исчезает. Ответ: 34.

Открыть раздел в тренажёре

← Все разделы курса по физике · Решать задания №15