[理学]大学物理静电场习题思考题

[理学]大学物理静电场习题思考题 53 习题6 ,96-1(直角三角形的点上，有电荷，点上有电荷ABq,1.8，10CABC1 ,9，试求点的电场强度(设，)。 q,,4.8，10CCBC,0.04mAC,0.03m2 q1解:在C点产生的场强:， q,Ei1124,,rAC0 q2在C点产生的场强:， q,Ej2224,,rBC0 j 44,?点的电场强度:; EEEij,，,，，，2.7101.810C12 i224V点的合场强:， CEEE,，,，3.241012m 1.8方向如图:。 ,,,,arctan33.73342'2.7 ,9的圆环，两端间空隙为，电量为的6-2(用细的塑料棒弯成半径为50cm2cm3.12，10C正电荷均匀分布在棒上，求圆心处电场强度的大小和方向。 R,xO,解:?棒长为， lrdm,,,23.12,2cm q,,91?电荷线密度: ,,,，,1.010Cml 可利用补偿法，若有一均匀带电闭合线圈，则圆心处的合场强为0，有一段空隙，则圆心处场强等于闭合线圈产生电场再减去长的带电棒在该点产生的场强，即所求d,0.02m 问题转化为求缺口处带负电荷的塑料棒在点产生的场强。 O 解法1:利用微元积分: 1,,Rd， ,,dEcos,Ox24R,,0 ,,,,d,1?; ,,0.72Vm,,,,,,cos2sin2Ed,,,,O2,,,444RRR,,,,,,000 解法2:直接利用点电荷场强公式: ,11,由于，该小段可看成点电荷:， qdC,,，,2.010dr,, ,11,q2.010，91,则圆心处场强:。 EVm9.0100.72,,，，,,O22,,4(0.5)R0 方向由圆心指向缝隙处。 54 6-3(将一“无限长”带电细线弯成图示形状，设电荷均匀分布，电荷线密度为，四分之,一圆弧的半径为，试求圆心点的场强。 ABRO 为坐标原点建立坐标，如图所示。 解:以xOyO ?对于半无限长导线在点的场强: A,O ,,,E,,(coscos),Ax,42R,,,0有: ,,,,E,,(sinsin),Ay,42R,,0,xE?对于半无限长导线在点的场强: B,O y ,,,E,,(sinsin),Bx,42R,,,0有: ,,,,E,,(coscos),By,42R,,0, ?对于圆弧在点的场强:有: ABO ,,,,,2Ed,,,cos(sinsin),,,,ABx,0442RR,,,,,00 ,,,,,,2Ed,sin(coscos),,,,,,ABy,,0442RR,,,,00, ,,,?总场强:，，得:。 E,E,Eij,，()OxOyO44RR4R,,,,,,000 2,22或写成场强:，方向。 EEE,，,45OxOyR4,,0 6-4(一个半径为R的均匀带电半圆形环，均匀地带有电荷，电荷的线密度为，求环心处,O点的场强E。 Ydqdq解:电荷元dq产生的场为:; dE,24,,R0, ,od, dE,0根据对称性有:，则: ,RXy,dE ,,,,Rdsin,， ,,,,EdEdEsin,x2,,,02R4R,,,,00 ,方向沿轴正向。即:。 Eix,2R,,0 55 6-5(一半径为的半球面，均匀地带有电荷，电荷面密度为，求球心处的电场强度。 R,O ，所带电荷:。 解:如图，把球面分割成许多球面环带，环带宽为dlRd,,dqrdl,2,, xdqrxdl,,,2利用例11-3结论，有: dE,,332222224()4()xrxr，，,,,,00 ,r,,,,,,,,2cossinRRRd?， dE,322xO24[(sin)(cos)]RR，,,,,0 ,,,1,2化简计算得:，?。 Ei,,,Edsin2,,,04224,,,000 6-6(图示一厚度为的“无限大”均匀带电平板，电荷体密度为。求,d 板内、外的场强分布，并画出场强随坐标变化的图线，即图线(设xE,x原点在带电平板的中央平面上，轴垂直于平板)。 Ox 解:在平板内作一个被平板的中间面垂直平分的闭合圆柱面为高斯面， S1 d当时，由和， qxS,,2,EEdSES,,,,2x,,,dS21, 20,,x有:; ,E ,0ddxO,22d当时，由和， x,qdS,,2,EdSES,,,,2,,dS,22,20,d,有:。图像见右。 E,2,0 6-7(在点电荷的电场中，取一半径为R的圆形平面(如图所示)， q 平面到的距离为，试计算通过该平面的E的通量. qd 解:通过圆平面的电通量与通过与A为圆心、AB为半径、圆的平面 为周界的球冠面的电通量相同。 22r【先推导球冠的面积:如图，令球面的半径为，有， r,d，Rrrsin,,球冠面一条微元同心圆带面积为: dSrrd,,2sin,,,d,Ox,20?球冠面的面积: Srrdr,,,2sin2cos,,,,,d,0,cos,r d2】 ,,2(1),rr 56 q2?球面面积为:，通过闭合球面的电通量为:， Sr,4,,,球面闭合球面,0 ,S1dqqd球冠球面由:，?。 ,,,,,,,(1)(1)球冠22,,,S22r，Rd00球面球冠 6-8(半径为和()的两无限长同轴圆柱面，单位长度分别带有电量和，RRR,R,,,2121 试求:(1);(2);(3)处各点的场强。 r,RR,r,Rr,R1122 1解:利用高斯定律:。 EdSq,,,i,,S,内S0 (1)时，高斯面内不包括电荷，所以:; rR,E,011 l,,(2)时，利用高斯定律及对称性，有:，则:; ERrR,,2rlE,,,12222r,,,00(3)时，利用高斯定律及对称性，有:，则:; rR,20,rlE,E,0233 ,ErR,,01,,,ˆ,,,,EErRrR即:。 ,122r,,0, ,ErR,,02, 6-9(电荷量Q均匀分布在半径为R的球体内，试求:离球心处()P点的电势。 rR,r 1解:利用高斯定律:可求电场的分布。 EdSq,,,,,S,,内S0 3QrQr2P(1)rR,时，;有:; E,4,rE,,r内内33Po4,,RR,00 QQR2(2)rR,时，;有:; E4,rE,,外外24,,r,00R,离球心处(rR,)的电势:，即: rUEdrEdr,,，,外内r,,rR2R,QrQ3QQr。 ,,，,,,Udrdrr323,,rR44,,,,,,,,88RRRr0000 6-10(图示为一个均匀带电的球壳，其电荷体密度为，球壳内 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面半径为，外表面半,R1径为(设无穷远处为电势零点，求空腔内任一点的电势。 R2 解:当时，因高斯面内不包围电荷，有:， rR,E,011 433,,(rR),331,(rR),31当RrR,,时，有:， E,,122224,,r3,r00 57 433,,(RR),3321,(RR),321当时，有:， rR,E,,23224,,r3,r00以无穷远处为电势零点，有: 3333R,R,,,,()()rRRR,,2222121。 UEdrEdr,,，,,(R,R)drdr,，2321,,22,,RRRR212,3,3,2rr1000 6-11(电荷以相同的面密度, 分布在半径为和的两个同心球面上，设rcm,20rcm,1021 无限远处电势为零，球心处的电势为。 U,300V0 (1)求电荷面密度; , ,(2)若要使球心处的电势也为零，外球面上电荷面密度为多少, , ,122,1,2() ,,8.85，10C,Nm0 解:(1)当时，因高斯面内不包围电荷，有:， rr,E,0r1112,r1O当时，利用高斯定理可求得:， rrr,,,E1222r,r0222,()rr，12当时，可求得:， rr,E,232r,0222r,,rrr()，,r,,22112? UEdrEdr,,，,,(r，r),，drdr02312,,,,22rrrr1212,rr,,000 ,12U,8.85，10，300,9200那么: ,,,8.85，10Cm,,3r，r30，1012 (2)设外球面上放电后电荷密度，则有: ,' r,,1，? Urr'(')/0,，,,,,',,,,,0120r22 则应放掉电荷为: 32'2,12,9。 ,,,,,,,,,,,，，，，，43.148.85103000.2,，6.6710Cqrr4()4222 6-12(如图所示，半径为R的均匀带电球面，带有电荷，沿某一半径方向上有一均匀带电q细线，电荷线密度为，长度为，细线左端离球心距离为r。设球和线上的电荷分布不受,l0相互作用影响，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:(1)以点为坐标原点，有一均匀带电细线的方向为轴， xO q均匀带电球面在球面外的场强分布为:(rR,)。 E,24,,r0取细线上的微元:，有:， dqdldr,,,,dFEdq, ˆrl，qqlr,0ˆ?(r为r方向上的单位矢量) ,,Fdr,2,r0，xrrl44(),,,,0000 q,rR,(2)?均匀带电球面在球面外的电势分布为:U(，为电势零点)。 ,4,,r0 qdWdr对细线上的微元dqdr,,，所具有的电势能为:， ,,,4r,,0 58 rl，rl，qdrq,,00?。 lnW,,,r044rr,,,,000 的均匀带电圆板，其电荷面密度为(,0)今有一质量为，6-13(如图所示，一个半径为R,m 的粒子(,0)沿圆板轴线(轴)方向向圆板运动，已知在距圆心(也是轴电荷为,qqxxO原点)为的位置上时，粒子的速度为，求粒子击中圆板时的速度(设圆板带电的均匀性vb0 始终不变)。 解:均匀带电圆板在其垂直于面的轴线上处产生的电势为: x0 ,22，那么， URxx,，,()002,0 ,22， UUURbRb,,,，,，()ObOb2,0 111q,22222由能量守恒定律，， ,,,,，，,，mvmvqUmvRbRb()()Ob002222,0 ,q222有: v,v，(R，b,R，b)0,m0 6-14(一半径为米的孤立导体球，已知其电势为(以无穷远为零电势)，计算球表0.10100V面的面电荷密度。 QR,解:由于导体球是一个等势体，导体电荷分布在球表面，?电势为:， U,,4R,,,00 ,12,U8.8510100，，,920则:。 ,,,，8.8510Cm,R0.1 ,86-15(半径，带电量的金属球，被一同心导体球壳包围，球壳内Rm,0.05,q,，310C1 ,8半径，外半径，带电量。试求距球心r处的P点的Rm,0.07Rm,0.09Q,,，210C23 场强与电势。(1)(2)(3)。 rm,0.10rm,0.06rm,0.03解:由高斯定理，可求出场强分布: ErR,,0,11,q,ERrR,,,2122R1,,4r,0,,q QR,2ERrR,,,0323,R3,Qq，ErR,,,4324r,,,0, ?电势的分布为: R,qQq11，qQq，2当时，， rR,,,，()Udrdr,，1122,,RR13,,,,44,,,,44RRRrr0120300 R,qQq11，qQq，2当时，， RrR,,,,，()Udrdr,，12222,,rR3,,,,44,,,,44rRRrr020300 ,Qq，Qq，当时，， RrR,,,Udr,2332,R34,,R4,,r030 59 ,QqQq，，当时，， rR,Udr,,342,r44,,,,rr00 ?(1)，适用于情况，有: rR,rm,0.103 QqQq，，3，; E910NU900V,,，,,442,,,,4r4r00 (2)，适用于情况，有: RrR,,rm,0.0612 qqQq，1143，; E,,，7.510NU()1.6410V,,，,，222,,,,,,4r44rRR00203 (3)，适用于情况，有: rR,rm,0.031 qQq，113，。 E,0U()2.5410V,,，,，11,,,,44RRR01203 26-16(两块带有异号电荷的金属板和，相距，两板面积都是，电量分AB5.0mm150cm ,8，板接地，略去边缘效应，求:(1)板的电势;(2)间离板别为ABABA,2.66，10C 处的电势。 1.0mmA,q1mm解:(1)由有:， E,,E,P,S,5mm00 qd则:，而， U,0,,UEdAABB,S0 ,,832.6610510，，，?， UV,,,,1000B,,1228.85101.510，，， 13离板处的电势: AUV,，,,,1.0mm(10)200P5 6-17(同轴传输线是由两个很长且彼此绝缘的同轴金属圆柱(内)和圆筒(外)构成，设内圆柱 rr半径为，电势为，外圆筒的内半径为，电势为.求其离轴为处(<<)的RRRVVR221121电势。 ,r解:?<<处电场强度为:， ERR,212r,,0,RR,,2R2R21?内外圆柱间电势差为: ,,,lnVVdr12,R122rR,,,,001 ()VV,,12则: ,2ln()RR,,021 RR,,22r同理，处的电势为:(*) ,,,lnUVdr2r,r22rr,,,,00VV12Rln()Rr,22?。 ,，lnUV,,，()VVVr21222rln()RR,,021 ln()rR1【注:上式也可以变形为:，与书后 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 相同，或将(*)式U,VVV,,()r112ln()RR21 r,,r用:计算，结果如上】 ,,,lnVUdr1r,R122rR,,,,001 60 6-18(半径分别为a和b的两个金属球，它们的间距比本身线度大得多，今用一细导线将两者相连接，并给系统带上电荷Q，求: (1)每个求上分配到的电荷是多少,(2)按电容定义式，计算此系统的电容。 解:(1)首先考虑a和b的两个金属球为孤立导体，由于有细导线相连，两球电势相等:qqab??，再由系统电荷为Q，有:?? ,qqQ，,ab44,,,,rr00ab QaQb两式联立得:，; q,q,abab，ab， QQQQ(2)根据电容的定义:(或)，将(1)结论代入， ,,,,CCUqUqab 4,,4,,ab00 有:。 Cab,，4(),,0 126-19. 利用电场能量密度计算均匀带电球体的静电能，设球体半径为R，带电,,,Ee2 量为Q。 RQr,ErR,,,13,O4,,R,0解:首先求出场强分布: E,,Q,ErR,,22,4r,,0, R,,,,QrQ22222000? ,,，()4()4WEdVrdrrdr,,,,,,,320R22424,,,,Rr0023Q。 ,,,20R0 6-20(球形电容器内外半径分别为和，充有电量。(1)求电容器内电场的总能量;RRQ21 21Q(2)证明此结果与按W,算得的电容器所储电能值相等。 e2C Q解:(1)由高斯定理可知，球内空间的场强为:，() ERrR,,,1224,,r0 12利用电场能量密度，有电容器内电场的能量: wE,,e2 22R,,QQ11QRR(),22220021; WEdVrdr,,,,,()4(),,,,,2R122488,,,,,,rRRRR0012012 RQQ11QRR(),221(2)由， Udr,,,,()RR,212R,,,,,,1444rRRRR0012012 RRQ12则球形电容器的电容为:， ,,4,,C0,URRRR2112 22QRR(),1Q21那么，。(与前面结果一样) W,,e,,28CRR012 61 思考题6 6-1(两个点电荷分别带电和，相距，试问将第三个点电荷放在何q2ql 处它所受合力为零? qQqQ2答:由，解得:，即离点电荷的xl,,(21)q,22,,,,,44()xlx00 距离为。 l(21), 6-2(下列几个说法中哪一个是正确的, (A)电场中某点场强的方向，就是将点电荷放在该点所受电场力的方向; (B)在以点电荷为中心的球面上，由该点电荷所产生的场强处处相同; (C)场强方向可由定出，其中为试验电荷的电量，可正、可负，为试验FE,F/qqq电荷所受的电场力; (D)以上说法都不正确。 答:(C) 6-3(真空中一半径为的的均匀带电球面,总电量为(,0)，今在球面Rqq面上挖去非常小的一块面积(连同电荷)，且假设不影响原来的电荷分,S 布，则挖去后球心处的电场强度大小和方向. ,S q答:题意可知:，利用补偿法，将挖去部分看成点电荷， ,,24R,,0 S,,有:，方向指向小面积元。 E,24R,,0 6-4(三个点电荷、和在一直线上，相距均为2R，以与的中心作一半径,qqqqqO31212为2R的球面，A为球面与直线的一个交点，如图。求: (1)通过该球面的电通量E,dS; ,, (2)A点的场强。 EA qqqqq，31212解:(1);(2)。 E,，,EdS,,A222,,S,4πε(3R)4πεR4πεR0000 6-5(有一边长为的正方形平面，在其中垂线上距中心点处， aOa/2有一电荷为的正点电荷，如图所示，则通过该平面的电场强度通量 q 为多少, 解:设想一下再加5个相同的正方形平面将围在正方体的中心， q 通过此正方体闭合外表面的通量为:,,q/,，那么， 0闭合 q通过该平面的电场强度通量为:。 ,,6,0 6-6(对静电场高斯定理的理解，下列四种说法中哪一个是正确的, (A)如果通过高斯面的电通量不为零，则高斯面内必有净电荷; 62 (B)如果通过高斯面的电通量为零，则高斯面内必无电荷; (C)如果高斯面内无电荷，则高斯面上电场强度必处处为零; (D)如果高斯面上电场强度处处不为零，则高斯面内必有电荷。 答:(A) 16-7(由真空中静电场的高斯定理可知下面哪个说法是正确的, EdSq,,,,S,0 (A)闭合面内的电荷代数和为零时，闭合面上各点场强一定为零; (B)闭合面内的电荷代数和不为零时，闭合面上各点场强一定都不为零; (C)闭合面内的电荷代数和为零时，闭合面上各点场强不一定都为零; (D)闭合面内无电荷时，闭合面上各点场强一定为零。 答:(C) 6-8(如图，在点电荷q的电场中，选取以q为中心、R为半径的球面上一点P处作电势零点，则与点电荷q距离为r的P'点的电势为 qq11,,(A) (B) , ,,,4,,r4,rR,,00 qq11,,(C) (D) ,,,，，,4,,r,R4,Rr,,00 答:(B) 6-9(设无穷远处电势为零，则半径为R的均匀带电球体产生的电场的电势分布规律为(图中的和皆为常量): Ub0 答:(C) 6-10(一平行板电容器，两导体板不平行，今使两板分别带有和的电，q,q荷，有人将两板的电场线画成如图所示，试指出这种画法的错误，你认为电场线应如何分布。 答:导体板是等势体，电场强度与等势面正交， 两板的电场线接近板面时应该垂直板面。 A6-11(在“无限大”均匀带电平面附近放一与它平行，且有一定厚度的“无限大”平面导 BAB体板，如图所示(已知上的电荷面密度为，则在导体板的两个表面1，, 和2上的感生电荷面密度为多少, ,,答:，。 ,,,,,1222 A6-12(在一个原来不带电的外表面为球形的空腔导体内，放一 63 带有电荷为的带电导体，如图所示，则比较空腔导体的 BA，Q 电势和导体的电势时，可得什么结论, BUUAB Q答:和都是等势体，; UUU,ABA4,,R03 ,,QQ11,, ,，,UB,,,,,,4R4RR03012,,