大学物理21习题详细答案.docx
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大学物理21习题详细答案
第十二章
12-3.如习题12-3图所示,真空中一长为L的均匀带电细直杆,总电量为q,试求在直杆延长线上到杆的一端距离为d的点P的电场强度。
[解]建立如图所示坐标系ox,在带电直导线上距O点为x处取电荷元,它在P点产生的电场强度为
则整个带电直导线在P点产生的电电场强度度为
故
12-4.用绝缘细线弯成的半圆环,半径为R,其上均匀地带有正电荷Q,试求圆心处点O的电场强度。
[解]将半圆环分成无穷多小段,取一小段dl,带电量
dq在O点的电场强度
从对称性分析,y方向的电场强度相互抵消,只存在x方向的电场强度
方向沿x轴正方向
12-5.如习题12-5图所示,一半径为R的无限长半圆柱面形薄筒,均匀带电,沿轴向单位长度上的带电量为,试求圆柱面轴线上一点的电场强度E。
[解]对应的无限长直线单位长带的电量为
它在轴线O产生的电场强度的大小为
因对称性成对抵消
,方向沿x轴的正方向。
12-6.一半径为R的半球面,均匀地带有电荷,电荷面密度为,求球心点O处的场强。
[解]将半球面分成无限多个圆环,取一圆环半径为r,到球心距离为x,所带电量绝对值。
在O点产生的电场强度(利用圆环轴线电场强度公式)
带电半球壳在O点的总电场强度
由于,,
所以
方向沿x轴负向
12-7.如习题12-7图所示,A、B为真空中两个平行的“无限大”均匀带电平面,已知两平面间的电场强度为E0,两平面外侧电场强度大小都是,方向如图。
求两平面A、B上的面电荷密度A和B。
[解]无限大平面产生的电场强度为
则
解得
12-8.一半径为R的带电球体,其体电荷密度分布为=Ar(r≤R),(r>R),A为常量。
试求球内、外的场强分布。
[解]在带电球体内外分别做与之同心的高斯球面。
应用高斯定理有
q为高斯球面内所包围的电量。
设距球心r处厚度为dr的薄球壳所带电量为dq
r≤R时
解得(r≤R)(或)
r>R时高斯面内包围的是带电体的总电量Q
应用高斯定理
(r>R)(或)
当A>0时,电场强度方向均径向向外;当A<0时,电场强度方向均指向球心。
12-9.有一带电球壳,内、外半径分别为R1和R2,体电荷密度,在球心处有一点电荷Q,求当A取什么值时,球壳区域内(R1 [解]以同心球面为高斯面,电通量为 当时与r无关。 因此得证。 12-10.一球体内均匀分布着体电荷密度为的正电荷,若保持电荷分布不变,在该球体内挖去半径为r的一个小球体,球心为O,两球心间距离,如习题12-10图所示。 求: (1)在球形空腔内,球心O处的电场强度; (2)在球体内点P处的电场强度E。 设O、O、P三点在同一直径上,且=d。 [解]在空腔内分别填上密度为的电荷和密度为的电荷。 (1)处的电场强度是密度为的大球和的小球所产生的电场强度的叠加。 大球产生电场强度: 在球体内做半径为d的同心高斯球面,应用高斯定理 而小球产生电场强度由于对称性为0 因此点的电场强度 (2)P点的电场强度也是两球电场强度的叠加。 同理大球产生的电场强度 小球产生的电场强度 合电场强度 12-11.一半径为R的带电球体,其体电荷密度分布为 (r≤R) (r>R) 试求: (1)带电球体的总电量; (2)球内外各点的场强;(3)球内外各点的电势。 [解] (1)带点球体的总电量: (2)在带电球体内外分别做与之同心的高斯球面。 应用高斯定理有 为高斯球面内所包围的电量。 设距球心r处厚度为dr的薄球壳所带电量为dq r≤R时 解得(r≤R)(或) r>R时高斯面内包围的是带电体的总电量q 应用高斯定理 (r>R)方向沿径向(或) 当q>0时,电场强度方向均径向向外;当q<0时,电场强度方向均指向球心。 (3) 12-12.如习题12-12图所示,在Oxy平面内有与y轴平行、位于和处的两条无限长平行均匀带电直线,电荷线密度分别为+和。 求z轴上任一点的电场强度。 [解]无限长带电直线在线外任一点的电电场强度度 所以P点的电场强度 由对称性知合电场强度的z方向分量为零,x方向分量 而 所以方向指向x轴负方向 12-13.如习题12-13图所示,在半径为R,体电荷密度为的均匀带电球体内点处放一个点电荷q。 试求: 点O、P、N、M处的场强(、O、P、N、M在一条直线上)。 [解]由电场叠加原理 12-14.如习题12-14图所示一环形薄片由细绳悬吊着,环的外半径R,内半径为R/2,并有电量Q均匀分布在环面上。 细绳长3R,也有电量Q均匀分布在绳上,试求圆环中心处的电场强度(圆环中心在细绳的延长线上)。 【解】: 以悬点为坐标原点,建立竖直向下为x轴的正方向,在x位置处任取一微元dx,在圆环中处的电场强度为 则这个细绳上的电荷在圆心处产生的电场强度为 环形薄片上的电荷在圆心处产生的电场强度为零,因此所有电荷在环心处产生的电场强度为 方向竖直向下 12-15.电量q均匀分布在长为2l的细杆上,求在杆外延长线上与杆端距离为a的点P的电势(以无穷远为零电势点)。 [解]取如图所示的电荷元dq,,它在P点产生的电势为 则整个带电直线在P点产生的电势为 12-16.习题12-16图为两个半径均为R的非导体球壳,表面上均匀带电,带电量分别为+Q和-Q,两球心距离为d(d>>2R),求两球心间的电势差。 [解]设带正电的球壳中心的电势为,带负电的为。 根据电势叠加原理有 两球心间的电势差 12-17.两根半径都是R的无限长直线,彼此平行放置,两者轴线间距为d(d>>2R),单位长度上的带电量分别为+和-,求两直线间的电势差。 [解一]由高斯定理可求出,两导线之间任一点的电电场强度度为 两导线间的电势差为 [解二]由带正电直导线产生电势差为 由带负电直导线产生电势差为 因此两导线间的电势差为 12-18.如习题12-18图所示,电荷面密度分别为+和-的两块无限大均匀带电平面,处于与平面垂直的x轴上的-a和+a的位置上。 设坐标原点O处的电势为零,试求空间的电势分布并画出其曲线。 [解]无限大带电平板外电场强度的大小为 空间的电场强度: 电势: 电势分布曲线: 12-19.如习题12-19图所示,两无限长的同轴均匀带电圆筒,内筒半径为R1,单位长度带电量为1,外筒半径为R2,单位长度带电量为2。 求: 图中a、b两点间的电势差Uab;当零参考点选在轴线处时,求Ua。 [解]以垂直于轴线的端面与半径为r,长为l,过所求场点的同轴柱面为封闭的高斯面。 根据高斯定理 所以 12-20.如习题12-20图所示,一半径为R的均匀带正电圆环,其线电荷密度为。 在其轴线上有A、B两点,它们与环心的距离分别为,。 一质量为m、带电量为q的粒子从点A运动点B,求在此过程中电场力作的功。 [解]由于带电圆环轴线上一点的电电场强度度为 所以A、B两点间的电势差为 因此从点A运动点B电场力作功 12-21.如习题12-21图所示,半径为R的均匀带电球面,带电量为q。 沿径矢方向上有一均匀带电细线,线电荷密度为,长度为l,细线近端离球心的距离为r0。 设球面和线上的电荷分布不受相互作用的影响,试求细线所受球面电荷的电场力和细线在该电场中的电势能(设无穷远处的电势为零)。 [解一]取坐标如图,在距原点为x处取线元dx,dx的电量为,该线元在带电球面电场中所受电场力为 整个细线所受电场力为 dq在q的电场中具有电势能 第十三章 13-3.如习题13-3图所示,将一块原来不带电的金属板B移近一块已带有正电荷Q的金属板A,平行放置。 设两板面积都是S,板间距为d,忽略边缘效应,试求: (1)板B不接地时,两板间的电势差; (2)板B接地时,两板间的电势差。 [解]由例题13-1的结论知: 两带电导体平板相向面上电荷面密度大小相等符号相反,而相背面上电荷面密度大小相等符号相同,因此: (1)板B不接地时,A、B两板上的电荷分布如图13-3 (1)所示: 因而板间电场强度为 电势差为 (2)板B接地时,A、B两板上的电荷分布如图13-3 (2)所示, 故板间电场强度为,电势差为 13-4两块靠近的平行金属板间原为真空。 使两板分别带上电荷面密度为0的等量异号电荷,这时两板间电压为U0=300V。 保持两板上电量不变,将板间一半空间充以相对电容率为r=5的电介质,如习题13-4图所示,试求: (1)金属板间有电介质部分和无电介质部分的E和D,以及板上自由电荷密度; (2)金属板间电压和电介质上、下表面的束缚电荷面密度。 13-5.如习题13-5图所示,三个无限长的同轴导体圆柱面A、B和C,半径分别为RA、RB、RC。 圆柱面B上带电荷,A和C都接地。 求B的内表面上线电荷密度1和外表面上线电荷密度2之比值1/2。 [解]由A、C接地 由高斯定理知 因此 13-6.如习题13-6图所示,一厚度为d的无限大均匀带电导体板,单位面积上两表面带电量之和为。 试求离左表面的距离为a的点与离右表面的距离为b的点之间的电势差。 [解]导体板内场强,由高斯定理可得板外场强为 故A、B两点间电势差为 13-7.为了测量电介质材料的相对介电常数,将一块厚为1.5cm的平板材料慢慢地插进一电容器的距离为2.0cm的两平行板中间,插入过程中电容器的电荷保持不变。 插入之后两板间的电势差减小到原来的60%,试求电介质的相对介电常数。 [解]设两平行板间距离为d,介质板厚度为,插入前电容器电势差为U,插入后为,电容器上面电荷密度为。 插入介质板前电容器内场强,电势差 插入介质板后,电容器内空气中场强仍为E,介质内场强 两板间的电势差 已知,因此有 解此方程得 13-8.半径都是R的两根“无限长”均匀带电直导线的电荷线密度分别为和,两直导线平行放置,相距为d(d>>R)。 试求该导体组单位长度的电容。 [解]可用叠加原理及高斯定理计算两导线间垂直连线上任意点P的场强。 如图所示,过P分别做两个长为L,与两条直导线共轴的闭合圆柱面作为高斯面。 根据高斯定理分别计算每条线上电荷产生的场强。 所以 同理 根据叠加原理,P点总场强为 两条线间电压为 故单位长度电容 13-9.一电容器由两个很长的同轴薄圆筒组成,内、外圆筒半径分别为R1=2cm,R2=5cm,其间充满相对电容率为r的各向同性均匀电介质,电容器接在U=32V的电源上,如习题13-9图所示。 试求距离轴线R=3.5cm的点A处的电场强度和点A与外筒间的电势差。 [解]做半径为r(R1 因此 因此 所以 =12.5V 13-10.置于球心的点电荷+Q被两同心球壳所包围,大球壳为导体,小球壳为电介质,相对电容率为r,球壳的尺寸如习题13-10图所示。 试求: (1)电位移矢量D; (2)电电场强度度E; (3)极化强度P; (4)极化电荷激发的电场强度E; (5)面电荷密度; (6)电能密度e。 [解] (1)由有介质的高斯定理 (2)由静电场的性能方程得
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