25

Решение: Колебания в контуре после размыкания

ЕГЭ · Физика · Задание 25 · Колебания и волны
ВысокаяФИПИ9FF053Развёрнутое решение≈ 10 минутРазбор в 5 шагов
Условие

В электрической цепи, показанной на рисунке, ключ К длительное время замкнут, $\mathcal{E}=6\ \text{В}$, $r=2\ \text{Ом}$, $L=1\ \text{мГн}$. В момент $t=0$ ключ К размыкают. Амплитуда напряжения на конденсаторе в ходе возникших в контуре электромагнитных колебаний равна ЭДС источника. В какой момент времени напряжение на конденсаторе в первый раз достигнет значения $\mathcal{E}$? Сопротивлением проводов и активным сопротивлением катушки индуктивности пренебречь.

Открыть задачу и решить самому
Дальше ответЕсли ещё решаете — начните с подсказок: они ведут к ответу, но не выдают его.
К подсказкам

Решение по шагам

5 шагов
1

До размыкания ключа ток в установившемся режиме определяется только сопротивлением резистора, так как катушка постоянному току сопротивления не оказывает:

$$I_0=\frac{\mathcal{E}}{r}=\frac{6}{2}=3\ \text{А}$$
2

После размыкания источник и резистор отключены от колебательного контура. В начальный момент конденсатор не заряжен, а ток через катушку равен $I_0$. Амплитуда напряжения на конденсаторе равна:

$$U_{C\,\max}=I_0\sqrt{\frac{L}{C}}$$
3

По условию амплитуда равна ЭДС источника. Поэтому ёмкость конденсатора равна:

$$\mathcal{E}=I_0\sqrt{\frac{L}{C}},\qquad C=\frac{I_0^2L}{\mathcal{E}^2}=\frac{3^2\cdot10^{-3}}{6^2}=2.5\cdot10^{-4}\ \text{Ф}$$
4

Циклическая частота собственных колебаний контура:

$$\omega=\frac{1}{\sqrt{LC}}=\frac{1}{\sqrt{10^{-3}\cdot2.5\cdot10^{-4}}}=2000\ \text{с}^{-1}$$

Так как конденсатор в начальный момент не заряжен, напряжение возрастает по закону $U_C=U_{C\,\max}\sin(\omega t)$. В первый раз оно достигает амплитудного значения при $\omega t=\frac{\pi}{2}$:

$$t=\frac{\pi}{2\omega}=\frac{\pi}{4000}\ \text{с}\approx7.85\cdot10^{-4}\ \text{с}$$
Ответ

$t\approx7.85\cdot10^{-4}\ \text{с}$, или $t\approx0.785\ \text{мс}$.

Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.

Где здесь ошибаются

Используют ток $I_0=\mathcal{E}/(r+R_L)$, хотя активным сопротивлением катушки по условию нужно пренебречь.

Считают, что конденсатор был заряжен до ЭДС источника до размыкания; при замкнутом ключе катушка закорачивает конденсатор.

Берут половину периода вместо четверти периода: первое достижение максимального напряжения происходит при $t=T/4$.

Закрепить приёмВ теме «Колебания и волны» ещё 168 задач — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 25 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 5 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Колебания и волны»: в ней 169 задач, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.