黄时中大学物理下册答案

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1、黄时中 大学物理下册答案 习题九 一、选择题 9.1 关于高斯定理的理解有下面几种说法，其中正确的是： (A) 如果高斯面上 处处为零，则该面内必无电荷 (B) 如果高斯面内无电荷，则高斯面上 处处为零 (C) 如果高斯面上 处处不为零，则高斯面内必有电荷 (D) 如果高斯面内有净电荷，则通过高斯面的电场强度通量必不为零 A(本章中不涉及导体)、 D 9.2有一边长为a的正方形平面，在其中垂线上距中心O点a/2处，有一电荷为q的正点电荷，如图所示，则通过该平面的电场强度通量为 (A) (B) (C) (D) D 9.3面积为S的空气平行板电容器，极板上分别带电量 ，若不考虑边缘效应，则两极板间

2、的相互作用力为 (A) (B) (C) (D) B 9.4 如题图9.2所示，直线 长为 ，弧 是以 点为中心， 为半径的半圆弧， 点有正电荷 ， 点有负电荷 今将一试验电荷 从 点出发沿路径 移到无穷远处，设无穷远处电势为零，则电场力作功 (A) A0 , 且为有限常量 (B) A0 , 且为有限常量 (C) A (D) A0 D， 9.5静电场中某点电势的数值等于 (A)试验电荷q0置于该点时具有的电势能 (B)单位试验电荷置于该点时具有的电势能 (C)单位正电荷置于该点时具有的电势能 (D)把单位正电荷从该点移到电势零点外力所作的功 C 9.6已知某电场的电场线分布情况如题图9.3所示现

3、观察到一负电荷从M点移到N点有人根据这个图作出下列几点结论，其中哪点是正确的？ (A) 电场强度 (B) 电势 (C) 电势能 (D) 电场力的功A0 C 二、计算题 9.7 电荷为 和 的两个点电荷分别置于 和 处一试验电荷置于x轴上何处，它受到的合力等于零？ x 解：设试验电荷 置于x处所受合力为零，根据电力叠加原理可得 即： 。 因 点处于q、2q两点电荷之间，该处场强不可能为零故舍去得 9.8 一个细玻璃棒被弯成半径为 的半圆形，沿其上半部分均匀分布有电荷 ，沿其下半部分均匀分布有电荷 ，如题图9.4所示试求圆心 处的电场强度 解：把所有电荷都当作正电荷处理. 在 处取微小电荷 ，它在

4、 处产生场强 按 角变化，将 分解成二个分量： 对各分量分别积分，积分时考虑到一半是负电荷 所以 。 9.9 如图9.5所示，一电荷线密度为 的无限长带电直导线垂直纸面通过A点；附近有一电量为 的均匀带电球体，其球心位于O点。 是边长为 的等边三角形。已知 处场强方向垂直于 ，求: 和 间的关系。 解：如图建立坐标系。根据题意可知 。 9.10 如题图9.6所示，一电荷面密度为 的“无限大”平面，在距离平面a处的一点的场强大小的一半是由平面上的一个半径为 的圆面积范围内的电荷所产生的试求该圆半径的大小 解：电荷面密度为 的无限大均匀带电平面在任意点的场强大小为 ： 。以图中O点为圆心，取半径为

5、 的环形面积，其电量为 。它在距离平面为a的一点处产生的场强 则半径为 的圆面积内的电荷在该点的场强为 由题意， ，得到 ， 。 9.11 如题图9.7所示，一均匀带电直导线长为 ，电荷线密度为 。过导线中点 作一半径为 的球面 ， 为带电直导线的延长线与球面 的交点。求： （1）、通过该球面的电场强度通量 。 （2）、 处电场强度的大小和方向。 解：（1）利用静电场的高斯定理即可得： 。 （2）如图建立一维坐标系，坐标原点与圆心重合。在带电导线上坐标为 处取长度为 的带电元，其所带电荷量为 ， 在 点产生的电场强度为 点的电场强度为 9.12 题图9.8中，虚线所示为一立方形的高斯面，已知空

6、间的场强分布为： ， , 。高斯面边长a0.1 m，常量b1000 N/(C?m)试求该闭合面中包含的净电荷(真空介电常数 8.8510-12 C2?N-1?m-2 ) 解：设闭合面内包含净电荷为Q因场强只有x分量不为零，故只是二个垂直于x轴的平面上电场强度通量不为零由高斯定理得： 则 9.13 体图9.9所示，有一带电球壳，内、外半径分别为 、 ，电荷体密度为 ，在球心处有一点电荷 。证明：当 时，球壳区域内电场强度 的大小与半径 无关。 证：用高斯定理求球壳内场强： , 而 要使 的大小与 无关，则应有 ： ， 即 。 9.14 如题图9.10所示，一厚为 的“无限大”带电平板，其电荷体密

7、度分布为 ( )，式中 为一正的常量求： (1) 平板外两侧任一点 和 处的电场强度大小； (2) 平板内任一点 处的电场强度； (3) 场强为零的点在何处？ 解： (1) 由对称分析知，平板外两侧场强大小处处相等、方向垂直于平面且背离平面设场强大小为 作一柱形高斯面垂直于平面其底面大小为S，如图所示 按高斯定理 ，即： 得到： ， (板外两侧) (2) 过 点垂直平板作一柱形高斯面，底面为S设该处场强为 ，如图所示按高斯定理有： 得到： ( ) (3) ，必须是 ， 可得 。 9.15 一球体内均匀分布着电荷体密度为 的正电荷，若保持电荷分布不变，在该球体挖去半径为 的一个小球体，球心为 ，

8、两球心间距离 ，如题图9.11所示。 求： (1) 在球形空腔内，球心 处的电场强度 ； (2) 在球体内 点处的电场强度 。设 、 、 三点在同一直径上，且 。 解：挖去电荷体密度为 的小球，以形成球腔时的求电场问题，可在不挖时求出电场 ，而另在挖去处放上电荷体密度为 的同样大小的球体，求出电场 ，并令任意点的场强为此二者的矢量叠加，即： 。 在图(a)中，以O点为球心，d为半径作球面为高斯面S，则可求出O 与P处场强的大小。 得： 方向分别如图所示。 在图(b)中，以 点为小球体的球心，可知在 点 . 又以 为心， 为半径作球面为高斯面 可求得P点场强 。 ， (1) 求 点的场强 。由图

9、(a)、(b)可得 ， 方向如图(c)所示. (2)求P点的场强 .由图(a)、(b)可得 方向如(d)图所示. 9.16 如题图9.12所示，两个点电荷q和3q，相距为d. 试求： (1) 在它们的连线上电场强度 的点与电荷为q的点电荷相距多远？ (2) 若选无穷远处电势为零，两点电荷之间电势 的点与电荷为q的点电荷相距多远？ 解：设点电荷q所在处为坐标原点O，x轴沿两点电荷的连线 (1) 设 的点的坐标为 ，则 解出： 另有一解 不符合题意，舍去 (2) 设坐标x处 ，则 得： 9.17 一均匀静电场，电场强度 ，空间有两点 和 ，（ 以米计）。求 两点之间的电势差 。 解：空间某点的位矢

10、表示为 ，则 9.18 题图9.13所示，为一沿x轴放置的长度为l的不均匀带电细棒，其电荷线密度为 ， 为一常量取无穷远处为电势零点，求坐标原点O处的电势 解：在任意位置x处取长度元 ，其上带有电荷 。它在O点产生的电势 O点总电势： 9.19 题图9.14所示，电荷q均匀分布在长为 的细杆上。求 （1）、在杆外延长线上与杆端距离为a的P点的电势(设无穷远处为电势零点)。 （2）、杆的中垂线上与杆中心距离为a的P点的电势。(设无穷远处为电势零点) 解：（1）设坐标原点位于杆中心O点，x轴沿杆的方向，如图所示 细杆的电荷线密度 ，在x处取电荷元 ，它在P点产生的电势为 整个杆上电荷在P点产生的电

11、势： （2）设坐标原点位于杆中心O点，x轴沿杆的方向，如图所示. 杆的电荷线密度 在x处取电荷元 ，它在P点产生的电势 整个杆上电荷产生的电势： 9.20 两个带等量异号电荷的均匀带电同心球面，半径分别为R10.03 m和R20.10 m已知两者的电势差为450 V，求内球面上所带的电荷 解：设内球上所带电荷为Q，则两球间的电场强度的大小为 (R1rR2） 两球的电势差： 2.1410-9 C 9.21 电荷以相同的面密度 分布在半径为r110 cm和r220 cm的两个同心球面上设无限远处电势为零，球心处的电势为U0300 V 8.8510-12 C2 /(N?m2) (1) 求电荷面密度

12、(2) 若要使球心处的电势也为零，外球面上应放掉多少电荷？ 解：(1) 球心处的电势为两个同心带电球面各自在球心处产生的电势的叠加，即 8.8510-9 C / m2 (2) 设外球面上放电后电荷面密度为 ，则应有： 即 ： 外球面上应变成带负电，共应放掉电荷： 6.6710-9 C 9.22如题图9.15所示，半径为R的均匀带电球面，带有电荷q沿某一半径方向上有一均匀带电细线，电荷线密度为 ，长度为l，细线左端离球心距离为r0设球和线上的电荷分布不受相互作用影响，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：设x轴沿细线方向，原点在球心处，在x处取线元 ，

13、其上电荷为 ， 该线元在带电球面的电场中所受电场力为： 整个细线所受电场力为： ，方向沿x正方向 电荷元在球面电荷电场中具有电势能： 整个线电荷在电场中具有电势能： 9.23一真空二极管，其主要构件是一个半径R1510-4 m的圆柱形阴极A和一个套在阴极外的半径R24.510-3 m的同轴圆筒形阳极B，如题图9.16所示阳极电势比阴极高300 V，忽略边缘效应. 求电子刚从阴极射出时所受的电场力(基本电荷e1.610-19 C) 解：与阴极同轴作半径为r (R1rR2 )的单位长度的圆柱形高斯面，设阴极上电荷线密度为 按高斯定理有： 即两极间的电场强度可表示为： ， (R1rR2)， 的方向沿

14、半径指向轴线两极之间电势差 所以，两极间的电场强度为： 在阴极表面处电子受电场力的大小为 4.3710-14 N 方向沿半径指向阳极 9.24 题图9.17为一球形电容器，在外球壳的半径b及内外导体间的电势差 维持恒定的条件下，内球半径a为多大时才能使内球表面附近的电场强度最小？求这个最小电场强度的大小 解：设内球壳带电量为 ，则根据高斯定理可得出两球壳之间半径为 的同心球面上各点电场强度的大小为 内外导体间的电势差： 当内外导体间电势差 为已知时，内球壳上所带电荷即可求出为： 内球表面附近的电场强度大小为： 欲求内球表面的最小场强，令 ，则 得到： 并有 可知这时有最小电场强度： 9.25

15、题图9.18所示，一半径为R的“无限长”圆柱形带电体，电荷体密度为 ( )，式中A为常量求： (1) 圆柱体内、外各点场强大小分布； (2) 选与圆柱轴线的距离为l (lR) 处为电势零点，计算圆柱体内、外各点的电势分布 解：(1) 取半径为r、高为h的高斯圆柱面(如图所示)面上各点场强大小为E并垂直于柱面则穿过该柱面的电场强度通量为： 为求高斯面内的电荷， 时，取一半径为 ，厚 、高 的圆筒，其电荷为： 则包围在高斯面内的总电荷为 由高斯定理得： 解出： ( ) 时，包围在高斯面内总电荷为： 由高斯定理： 解出： ( ) (2) 计算电势分布 当 时： 当 时： 9.26已知某静电场的电势函

16、数 (SI)求点(4，3，0)处的电场强度各分量值 解：由场强与电势梯度的关系式得 =-1000 V/m； ； 9.27 如题图9.19所示，在电矩为 的电偶极子的电场中，将一电荷为q的点电荷从A点沿半径为R的圆弧（圆心与电偶极子中心重合， 电偶极子正负电荷之间距离）移到B点，求此过程中电场力所作的功。 解：用电势叠加原理可导出电偶极子在空间任意点的电势 式中 为从电偶极子中心到场点的矢径于是知A、B两点电势分别为 ； q从A移到B电场力作功(与路径无关)为 三、小论文写作练习 1、讨论电势零点的选择问题。 2、利用Mathematica软件画电偶极子的电场线和等势面分布图。 习题十 一、 选

17、择题 10.1当一个带电导体达到静电平衡时： (A) 表面上电荷密度较大处电势较高 (B) 表面曲率较大处电势较高 (C) 导体内部的电势比导体表面的电势高 (D) 导体内任一点与其表面上任一点的电势差等于零 D 10.2在一个孤立的导体球壳内，若在偏离球中心处放一个点电荷，则在球壳内、外表面上将出现感应电荷，其分布将是： (A) 内表面均匀，外表面也均匀 (B) 内表面不均匀，外表面均匀 (C) 内表面均匀，外表面不均匀 (D) 内表面不均匀，外表面也不均匀 B 10.3在一不带电荷的导体球壳的球心处放一点电荷，并测量球壳内外的场强分布如果将此点电荷从球心移到球壳内其它位置，重新测量球壳内外

18、的场强分布，则将发现： (A) 球壳内、外场强分布均无变化 (B) 球壳内场强分布改变，球壳外不变 (C) 球壳外场强分布改变，球壳内不变 (D) 球壳内、外场强分布均改变 B 10.4选无穷远处为电势零点，半径为R的导体球带电后，其电势为 ，则球外离球心距离为 处的电场强度的大小为 (A) (B) (C) (D) C 10.5如题图10.1所示，一厚度为 的“无限大”均匀带电导体板，电荷面密度为 ，则板的两侧离板面距离均为 的两点a、b之间的电势差为： (A) 0 (B) (C) (D) A 10.6 一个未带电的空腔导体球壳，内半径为R在腔内离球心的距离为 处( )固定一点电荷 ，如题图1

19、0.2所示. 用导线把球壳接地后，再把地线撤去选无穷远处为电势零点，则球心 处的电势为 (A) 0 (B) (C) (D) D 10.7 关于 的高斯定理，下列说法中哪一个是正确的？ (A) 高斯面内不包围自由电荷，则面上各点电位移矢量 为零 (B) 高斯面上处处 为零，则面内必不存在自由电荷 (C) 高斯面的 通量仅与面内自由电荷有关 (D) 以上说法都不正确 C 10.8静电场中，关系式 (A) 只适用于各向同性线性电介质 (B) 只适用于均匀电介质 (C) 适用于线性电介质 (D) 适用于任何电介质 D 10.9一导体球外充满相对介电常量为 的均匀电介质，若测得导体表面附近场强为E，则导

20、体球面上的自由电荷面密度 为： (A) (B) (C) (D) B 10.10一平行板电容器中充满相对介电常量为 的各向同性均匀电介质已知介质表面极化电荷面密度为 ，则极化电荷在电容器中产生的电场强度的大小为： (A) (B) (C) (D) A 10.11一平行板电容器始终与端电压一定的电源相联当电容器两极板间为真空时，电场强度为 ，电位移为 ，而当两极板间充满相对介电常量为 的各向同性均匀电介质时，电场强度为 ，电位移为 ，则 (A) ， (B) ， (C) ， (D) ， B 10.12如题图10.3所示, 一球形导体，带有电荷q，置于一任意形状的空腔导体中当用导线将两者连接后，则与未连

21、接前相比系统静电场能量将 (A) 增大 (B) 减小 (C) 不变 (D) 如何变化无法确定 B 二、计算题 10.13 如题图10.4所示，一内半径为a、外半径为b的金属球壳，带有电荷 ，在球壳空腔内距离球心 处有一点电荷 设无限远处为电势零点，试求： (1) 球壳内外表面上的电荷 (2) 球心 点处，由球壳内表面上电荷产生的电势 (3) 球心 点处的总电势 解：(1) 由静电感应，金属球壳的内表面上有感生电荷 ，外表面上带电荷 (2) 不论球壳内表面上的感生电荷是如何分布的，因为任一电荷元离 点的距离都是a，所以由这些电荷在 点产生的电势为 (3) 球心 点处的总电势为分布在球壳内外表面上

22、的电荷和点电荷 在 点产生的电势的代数和 10.14 有一无限大的接地导体板，在距离板面 处有一电荷为 的点电荷如题图10.5(a)所示，试求： (1) 导体板面上各点的感生电荷面密度分布(参考题图10.5(b)； (2) 面上感生电荷的总电荷(参考题图10.5(c)。 解：(1) 选点电荷所在点到平面的垂足 为原点，取平面上任意点P，P点距离原点为 ，设P点的感生电荷面密度为 在P点左边邻近处(导体内)场强为零，其法向分量也是零，按场强叠加原理， (2) 以 点为圆心， 为半径， 为宽度取一小圆环面，其上电荷为 总电荷为 10.15 如题图10.6所示，中性金属球A，半径为R，它离地球很远在

23、与球心 相距分别为a与b的B、C两点，分别放上电荷为 和 的点电荷，达到静电平衡后，问： (1) 金属球A内及其表面有电荷分布吗？ (2) 金属球A中的P点处电势为多大？(选无穷远处为电势零点) 解：(1) 静电平衡后，金属球 内无电荷，其表面有正、负电荷分布，净带电荷为零 (2) 金属球为等势体，设金属球表面电荷面密度为 10.16 三个电容器如题图10.7联接，其中 ， ， ，当A、B间电压 时，试求： (1) A、B之间的电容； (2) 当 被击穿时，在电容 上的电荷和电压各变为多少？ 解：(1) (2) 上电压升到 ，电荷增加到 10.17 一个可变电容器，由于某种原因所有动片相对定片

24、都产生了一个相对位移，使得两个相邻的极板间隔之比为 ，问电容器的电容与原来的电容相比改变了多少？ 解：如图，设可变电容器的静片数为 ，定片数为 ，标准情况下，极板间的距离为 图a，极板相对面积为 。则该电容器组为 个相同的平行板电容器并联图a。总电容为 。 当动片由于某种原因发生相对位移而使相邻的极板间隔变为 后，总电容为： 所以电容增加了： 10.18 一平行板空气电容器充电后，极板上的自由电荷面密度 1.7710-6 C/m2将极板与电源断开，并平行于极板插入一块相对介电常量为 的各向同性均匀电介质板计算电介质中的电位移 、场强 和电极化强度 的大小。(真空介电常量 8.8510-12 C

25、2 / N?m2) 解：由 的高斯定理求得电位移的大小为 由 的关系式得到场强 的大小为 2.5104 V/m 介质中的电极化强度的大小为 10.19 如题图10.8所示，一空气平行板电容器，极板面积为 ，两极板之间距离为 ，其中平行地放有一层厚度为 ( 、相对介电常量为 的各向同性均匀电介质略去边缘效应，试求其电容值。 解：设极板上的自由电荷面密度为 应用 的高斯定理可得两极板之间的电位移大小为 由 得：空气中的电场强度大小为 ；电介质中的电场强度的大小为 。 两极板之间的电势差为 电容器的电容为 作法二： 看成二个电容串联， ， ，则 10.20一平行板电容器，极板间距离为10cm，其间有

26、一半充以相对介电常量 的各向同性均匀电介质，其余部分为空气，如题图10.9所示当两极间电势差为100 V时，试分别求空气中和介质中的电位移矢量和电场强度矢量。 解：设空气中和介质中的电位移矢量和电场强度矢量分别为 、 和 、 ，则 (1) (2) (3) 联立解得 ； 方向均相同，由正极板垂直指向负极板 10.21 一导体球带电荷 ，放在相对介电常量为 的无限大各向同性均匀电介质中求介质与导体球的分界面上的束缚电荷 。 解：导体球处于静电平衡时，其电荷均匀分布在球面上以 为半径作一同心高斯球面 按 的高斯定理，可求出介质内半径 的同心球面 上各点电位移的大小 介质与导体球的分界面上各点的电场强

27、度大小为 电极化强度的大小为 极化电荷面密度为 分界面上的束缚电荷为 10.22 半径为 的介质球，相对介电常量为 、其自由电体荷密度 ，式中 为常量， 是球心到球内某点的距离试求： (1) 介质球内的电位移和场强分布(2) 在半径 多大处场强最大？ 解：(1) 在介质中，取半径为 的同心薄壳层，其中包含电荷 取半径为 的同心球形高斯面，应用 的高斯定理， 则介质内半径为 的球面上各点的电位移为： ，（ 为径向单位矢量） 介质内半径为 的球面上各点的电场为 ， (2) 对 求极值 得 ，且因 ，所以 处 最大。 10.23 如题图10.10，一各向同性均匀电介质球，半径为R，其相对介电常量为

28、，球内均匀分布有自由电荷，其体密度为 求球内的束缚电荷体密度 和球表面上的束缚电荷面密度 。 解：介质是球对称的，且 均匀分布， ， 也必为球对称分布因而电场必为球对称分布用 的高斯定理，可求得半径为 的同心球面上 ； ； 在介质内，取半径 间的球壳为体元，则可求出介质内极化电荷体密度 略去 的高次项，则 ， ( 与 异号) 介质表面极化电荷面密度： , （ 与 同号） 10.24 如题图10.11所示，一平行板电容器，极板面积为S，两极板之间距离为 ，中间充满介电常量按 规律变化的电介质。在忽略边缘效应的情况下，试计算该电容器的电容。 解：设两极板上分别带自由电荷面密度 ，则介质中的电场强度

29、分布为 两极板之间的电势差为 该电容器的电容值为 10.25 如题图10.12所示，一电容器由两个同轴圆筒组成，内筒半径为 ，外筒半径为 ，筒长都是 ，中间充满相对介电常量为 的各向同性均匀电介质。内、外筒分别带有等量异号电荷 和 设 ， ，可以忽略边缘效应，求： (1) 圆柱形电容器的电容； (2) 电容器贮存的能量 解：（1）、由题给条件 ( 和 ，忽略边缘效应，应用高斯定理可求出两筒之间的场强为 两筒间的电势差 电容器的电容 （2）、电容器贮存的能量 。 10.26两个相同的空气电容器，其电容都是 ，都充电到电压各为 后断开电源，然后把其中之一浸入煤油 ( 中，然后把两个电容器并联，求

30、(1)、浸入煤油过程中损失的静电能；（2）、并联过程中损失的静电能。 解：（1）电容器浸入煤油前的能量为 浸入煤油后，电容器的能量 在此过程中损失的能量为 。 （2）、并联前，两个电容器的总能量为 并联后的总电容 。并联电容器上的总电量 并联后电容器的总能量为 并联过程中损失的能量为 。 10.27电容 的电容器在 的电势差下充电，然后切断电源，并将此电容器的两个极板与原来不带电、 的电容器的两极板相连，求： （1）、每个电容器极板所带的电荷量； （2）、连接前后的静电能。 解：1）、电容器的总电荷量为： 设两个电容器极板所带的电荷量分别为 和 ，则由 ， 得： ， 2） 、连接前的静电场能就

31、是连接前第一个电容器的能量，即： 连接后的静电场能即并联后电容器的能量，即： 10.28 一平行板电容器的极板面积为S = 1 m2，两极板夹着一块d = 5 mm厚的同样面积的玻璃板已知玻璃的相对介电常量为 。电容器充电到电压U = 12 V以后切断电源。求把玻璃板从电容器中抽出来外力需做多少功。(真空介电常量 0 = 8.8510-12 C2?N-1?m-2 ) 解：玻璃板抽出前后电容器能量的变化即外力作的功抽出玻璃板前后的电容值分别为 ， 撤电源后再抽玻璃板板上电荷不变，但电压改变，即 抽玻璃板前后电容器的能量分别为 外力作功 = 2.5510-6 J 10.29 一平行板电容器，极板面

32、积为S，两极板之间距离为d，中间充满相对介电常量为 的各向同性均匀电介质设极板之间电势差为U试求在维持电势差U不变下将介质取出，外力需作功多少？ 解：在两极板之间电势差U不变下，有介质时电容器中的电场能量为 取出介质后的电场能量为 在两极板之间电势差U不变下，由于电容值改变，极板上电荷发生变化 电源作功 设外力作功为 ，则根据功能原理， 故外力作功 三、小论文写作练习 1、关于电位移矢量 的进一步讨论。 2、非平行板电容器的电容和电场的计算问题，椭圆柱形电容器电容计算问题。 习题十一 一选择题 11.1 室温下，铜导线内自由电子数密度为 个 , 导线中电流密度的大小 ，则电子定向漂移速率为：

33、(A) 1.510-4 m/s (B) 1.510-2 m/s(C) 5.4102 m/s (D) 1.1105 m/s A 11.2 在一个长直圆柱形导体外面套一个与它共轴的导体长圆筒，两导体的电导率可以认为是无限大在圆柱与圆筒之间充满电导率为 的均匀导电物质，当在圆柱与圆筒间加上一定电压时，在长度为 的一段导体上总的径向电流为 ，如题图11.1所示则在柱与筒之间与轴线的距离为 的点的电场强度为： (A) ； (B) ； (C) ； (D) 。 B 11.3 已知直径为0.02 m、长为 0.1 m的圆柱形导线中通有稳恒电流，在60秒钟内导线放出的热量为 100 J。已知导线的电导率为 ，则

34、导线中的电场强度为： (A) 2.7810-13 V?m-1 (B) 10-13 V?m-1 (C) 2.9710-2 V?m-1 (D) 3.18 V?m-1 C 11.4 如题图11.2所示的电路中，两电源的电动势分别为 、 ，内阻分别为 ， 。三个负载电阻阻值分别为 ，电流分别为 ，方向如题图11.2。则A到的电势增量 为： (A) (B) (C) (D) C 11.5在题图11.3的电路中，电源的电动势分别为 、 和 ，内阻分别是 、 和 ，外电阻分别为 、 和 ，电流分别为 、 和 ，方向如图。下列各式中正确的是 (A) (B) (C) (D) A 二、计算题 11.6 已知导线中的

35、电流按 的规律随时间变化，式中各量均采用国际单位。计算在 到 的时间内通过导线截面的电荷量。 解：导线中的电流不是恒定的，在 时间间隔内通过导线截面的电量 。 在 时间段内，通过导线截面的电量 11.7 内外半径分别为 、 的两个同心球壳构成一电阻元件，当两球壳间填满电阻率为 的材料后，求该电阻器沿径向的电阻。 解：在半径 间取球壳( )，该球壳沿经向的电阻为 该电阻器沿经向的总电阻应为这些壳层电阻的串联，即该电阻器沿径向的电阻为： 11.8 当电流为 ，端压为 时，试求下列各情形中电流的功率以及 内产生的热量。 (1)电流通过导线； (2)电流通过充电的蓄电池，该蓄电池的电动势为 ； (3)

36、电流通过充电的蓄电池，该蓄电池的电动势为 。 解：(1)、电流的功率 。电流在 内产生的热量 。 (2)、电流的功率 。当给电动势为 、内阻为 的蓄电池充电时，有： 故电流在 内产生的热量： 。 (3)、电流的功率 。当电动势为 、内阻为 的蓄电池放电时，有： 故电流在 内产生的热量： 。 11.9在一由电动势恒定的直流电源供电的载流导线表面某处带有正电荷，已知其电荷面密度为 ，在该处导线表面内侧的电流密度为 ，其方向沿导线表面切线方向，如图11.4所示导线的电导率为 ，求在该处导线外侧的电场强度 。 解：规定在导线内侧和导线外侧各物理量分别用角标1，2区分由高斯定理可求得导线表面电场强度的垂

37、直分量 ： 。 由边界条件和欧姆定律可求得导线外侧电场强度的平行分量 ： 。 则导线外侧电场强度的大小 的方向： , 。 11.10在如题图11.5所示的电路中，两电源的电动势分别为 和 ，内阻分别为 和 ，电阻 ，求电阻 两端的电位差。 解：设各支路的电流为 、 和 ，如图 由、三式联立解得： . 11.11 如题图11.6所示的电路中，电源电动势分别为 ， ， ，内阻为 。 ， ， 。求： (1)a、b两点间的电位差 ； (2) 、 短路后，电阻 上电流大小和流向。 解：(1)、参考题图11.6a，因为 ； ，所以： (2)、a、b短接后，设各支路的电流方向如题图11.6b所示。则： 解得

38、： , , 即，如果 、 短路，电阻 上电流的大小为 ，方向自左向右。 11.12 在如题图11.7所示的电路中，已知， ， ， ， ， 。O点接地，K为开关，C为电容。求： (1) 开关闭合前A点的电势 ； (2) 开关闭合后A点的电势 。(开关闭合前后，A点的电势及电容器极板上的电荷量均指电路稳态时的值)。 解：(1)、开关闭合前，参考题图11.7a，可得 (2)、开关闭合后， 设各支路电流参考方向如题图11.7b标出，列KCL、KVL方程， 解得结果为 ； ； 。故此时A点的电势为： 11.13在如题图11.8所示的电路中，已知， ， ， ， 。各电池的内阻均可忽略。求： 1)、当开关K

39、打开时，求电路中B、C两点间的电位差 ； 2)、当开关K闭合后，若已知此时A、B两点的电位相等，求电阻 。 解：1)、开关打开时，闭和回路中的电流为： ，(顺时针流动) 在B、C两点间取一段电路，如题图11.8a，根据一段含源电路的欧姆定律得： 2)、K闭和后，设三个支路中电流分别为 ， 和 ，其参考方向如题图11.8b表示。 因为A、B两点电势相等，则根据一段含源电路的欧姆定律得： ； 代入数值后： ； 解得： ， 。 又因为： ，所以： 。再根据一段含源电路的欧姆定律得： 所以： (本题亦可直接列基尔霍夫方程组求解) 11.14电容器由如图所示的任意形状的两个导体A、B之间充满各向同性的均

40、匀电介质组成。电介质的相对介电常数为 。漏电电阻率为 。试证明两导体之间的电容 和电阻 之间的关系为： 。 证明：如上图，使A和B分别带上自由电荷 。包围A(或B)作闭合曲面S，S为高斯面，运用 的高斯定理： 把各向同性电介质的性能方程 和欧姆定律的微分形式 代入上式得： (1) 设导体A、B之间的电位差为 ，则根据电容的定义有： (2) 而A、B之间的漏电电阻为： (3) 把(2)、(3)带入(1)得： 三、小论文写作练习 1、Mathematica软件在电路计算的应用 2、接触电势差及温差电动势的测量及其应用。 习题十二 一、选择题 12.1 均匀磁场的磁感强度 垂直于半径为 的圆面今以该

41、圆周为边线，作一半球面S，则通过S面的磁通量的大小为 (A) (B) (C) 0 (D) 无法确定的量 B 12.2 载流的圆形线圈(半径 )与正方形线圈(边长 )通有相同电流 若两个线圈的中心 、 处的磁感强度大小相同，则半径 与边长 之比 为 (A) 11 (B) 1 (C) 4 (D) 8 D 12.3 如题图12.1，两根直导线 和 沿半径方向被接到一个截面处处相等的铁环上，稳恒电流 从 端流入而从 端流出，则磁感强度 沿图中闭合路径 的积分 等于 (A) (B) (C) (D) D 12.4 如题图12.2，在一固定的载流大平板附近有一载流小线框能自由转动或平动线框平面与大平板垂直。

42、大平板的电流与线框中电流方向如图所示。则在同一侧且对着大平板看，通电线框的运动情况是： (A) 靠近大平板(B) 顺时针转动(C) 逆时针转动 (D) 离开大平板向外运动 B 12.5 在匀强磁场中，有两个平面线圈，其面积A1 = 2 A2，通有电流I1 = 2 I2，它们所受的最大磁力矩之比M1 / M2等于 (A) 1 (B) 2 (C) 4 (D) 1/4 C 12.6 如题图12.3所示，无限长直导线在P处弯成半径为R的圆，当通以电流I时，则在圆心O点的磁感强度大小等于 (A) ；(B) ； (C) ； (D) ； (E) 。 D 12.7如图所示，处在某匀强磁场中的载流金属导体块中出

43、现霍耳效应，测得两底面 、 的电势差为 ，则图中所加匀强磁场的方向为： (A)、竖直向上；(B)、竖直向下； (C)、水平向前； (D)、水平向后。 C 二、计算题 12.8 如题图12.4所示，一无限长直导线通有电流 ，在一处折成夹角 的折线。求角平分线上与导线的垂直距离均为 的 点处的磁感强度 (已知 )。 题图12.4 解： 处的 可以看作是两载流直导线所产生的， 与 的方向相同 方向垂直纸面向上。 12.9 如题图12.5所示，半径为R，线电荷密度为 ( 的均匀带电的圆线圈，绕过圆心与圆平面垂直的轴以角速度 转动，求轴线上任一点的 的大小及其方向 解：因为 ，所以 ，( 的方向与y轴正

44、向一致) 12.10 一根很长的圆柱形铜导线均匀载有10 A电流，在导线内部作一平面S，S的一个边是导线的中心轴线，另一边是S平面与导线表面的交线，如图题图12.6所示试计算通过沿导线长度方向长为1m的一段S平面的磁通量(真空的磁导率 ，铜的相对磁导率 )。 解：如题图12.6a，在距离导线中心轴线为x与 处，作一个单位长窄条，其面积为 窄条处的磁感强度 所以通过 的磁通量为： 通过m长的一段S平面的磁通量为 12.11如题图12.7所示，一半径为R的均匀带电无限长直圆筒，面电荷密度为 该筒以角速度 绕其轴线匀速旋转试求圆筒内部的磁感强度 解：如题图12.7a图所示，圆筒旋转时相当于圆筒上具有

45、同向的面电流，面电流密度 的大小为： 作矩形有向闭合环路如图中所示从电流分布的对称性分析可知，在 上各点 的大小和方向均相同，而且 的方向平行于 ，在 和 上各点 的方向与线元垂直，在 , 上各点 应用安培环路定理 可得 圆筒内部为均匀磁场，当 时，磁感强度的大小为 ， 方向平行于轴线向右 12.12如题图12.8所示，一半径为 的带电塑料圆盘，其中半径为 的阴影部分均匀带正电荷，面电荷密度为 ，其余部分均匀带负电荷，面电荷密度为 。当圆盘以角速度 旋转时，测得圆盘中心 点的磁感强度为零，问 与 满足什么关系？ 解：带电圆盘转动时，可看作无数的电流圆环的磁场在 点的叠加某一半径为 的圆环的磁场

46、为 而 正电部分产生的磁感强度为 负电部分产生的磁感强度为 今 ，得 12.13有一闭合回路由半径为a和b的两个同心共面半圆连接而成，如题图12.8所示其上均匀分布线密度为 的电荷，当回路以匀角速度 绕过 点垂直于回路平面的轴转动时，求圆心O点处的磁感强度的大小 题图12.8 解： 、 分别为带电的大半圆线圈和小半圆线圈转动产生的磁感强度， 为沿直径的带电线段转动产生的磁感强度 ， ， 又由于 ， 。 所以 12.14 如题图12.9所示，一无限长圆柱形直导体，横截面半径 为 ，在导体内有一半径为 的圆柱形孔，它的轴平行于导体 轴并与它相距为 ，设导体载有均匀分布的电流 ，求孔内任 意一点 的

47、磁感强度 的表达式。 解电流密度 。 点场强为充满圆柱并与 同向的电流 ，及充满孔并与 反向的电流 的场叠加而成取垂直于圆柱轴并包含 点的平面，令柱轴与孔轴所在处分别为O与O ， 点与两轴的距离分别为 与 ，并建立坐标如图。利用安培环路定理可知 点场强为与 同向的 和与 反向的 的场的叠加，且有 ， ； ， 方向如图所示 P点总场： 与 、 无关，可知圆柱孔内为匀强场，即磁场方向与两轴组成的平面垂直，方向沿y轴正向。 12.15在一平面内有三根平行的载流直长导线，已知导线1和导线2中的电流I1 = I2流向相同，两者相距d，并且在导线1和导线2之间距导线1为a = d/3处B = 0，如题图1

48、2.10所示。求第三根导线放置的位置与所通电流I3之间的关系。 解：取x坐标如图(原点在I1处)设第三根导线放在与I1相距为x处，电流流向同于I1，则有 即 当I3与I1同方向时，第三根导线在B = 0处的右侧，当I3与I1反方向时，第三根导线在B = 0处的左侧 12.16 一圆线圈的半径为R，载有电流I，置于均匀外磁场 中(如题图12.12所示)在不考虑载流圆线圈本身所激发的磁场的情况下，求线圈导线上的张力(载流线圈的法线方向规定与 的方向相同) 解：考虑半圆形载流弧导线CD所受的安培力 。列出力的平衡方程式 故： 12.17 如题图12.13所示，半径为R的半圆线圈ACD通有电流I2，置

49、于电流为I1的无限长直线电流的磁场中，直线电流I1恰过半圆的直径，两导线相互绝缘求半圆线圈受到长直线电流I1的磁力 解：长直导线在周围空间产生的磁场分布为 取xOy坐标系如图，则在半圆线圈所在处各点产生的磁感强度大小为： ， 方向垂直纸面向里 式中 为场点至圆心的联线与y轴的夹角半圆线圈上 段线电流所受的力为： ，根据对称性知： 。 ，则： 。 半圆线圈受I1的磁力的大小为： ， 方向：垂直I1向右 12.18 已知半径之比为21的两载流圆线圈各自在其中心处产生的磁感强度相等，求当两线圈平行放在均匀外场中时，两圆线圈所受力矩大小之比 解：设两圆线圈半径分别为R1，R2，分别通以电流I1，I2则

50、其中心处磁感强度分别为： ， 因为 ，所以 。 设外磁场磁感强度为 ，两线圈磁矩 和 与 夹角均为 ，则两线圈所受力矩大小 ； 。 12.19 在垂直于长直电流 的平面内放置扇形载流线圈 ，线圈电流为 ，半径分别为 和 ，张角为 ，如题图12.14所示。求：(1)线圈各边所受的磁力；(2)线圈所受的磁力矩。 解：(1)如图，以扇形载流线圈 所在的平面与载流长直导线的垂直交点 为坐标原点，沿经向在 边上半径为 处取电流元 ，该电流元在 产生的磁场中所受的安培力为 ，因此载流线圈的 所受的安培力为 。 的方向垂直纸面向外、大小为 同理可得出： ， 方向垂直纸面向里。 另外，由于 上各电流元的方向与

51、其所在处磁感应强度 的方向相同，所以 。同理 。 (2)分析可知，在题图12.14所示的情况下， 和 的作用效果是使得扇形载流线圈 绕 轴转动。电流元 所受的安培力 对 点的力矩 。该力矩在z轴上的分量为： 故线圈所受的磁力矩为： 12.19 如题图12.15所示，均匀带电刚性细杆AB，线电荷密度为 ，绕垂直于直线的轴O以 角速度匀速转动(O点在细杆AB延长线上)求： (1) O点的磁感强度 ； (2) 系统的磁矩 ； (3) 若a >> b，求B0及pm 解：(1) 对 段，电荷 旋转形成圆电流，且 它在O点的磁感强度 方向垂直纸面向内 (2) 方向垂直纸面向内 (3) 若a &

52、gt;> b，则 ，有： ，过渡到点电荷的情况 同理在a >> b时， ，则 ： ，也与点电荷运动时的磁矩相同 12.20 如题图12.16所示，放在水平面内的圆形导线，半径为 。圆导线上某点 与中心 之间经一电阻 接到电动势为 的电池两端。由中心到圆周有一能绕经过 点的铅直轴旋转的活动金属半径 ，其质量为 。旋转时，半径与圆形导线之间有一摩擦力，该摩擦力正比于 点的速度，比例系数为 。(已知地磁场的铅直分量为 ) (1)不计电磁感应，求 旋转的角速度 增加的规律； (2)应以多大的力 在垂直于半径的方向作用于 点，而使半径不至转动。 解：(1)、载流线段 在磁场中转动时受到

53、的磁力矩大小 和摩擦力矩大小 分别为 ， 根据转动定律 ，对 可列方程 其中 为 的转动惯量。由此有： (2)、根据平衡条件，在垂直于半径的方向作用于 点的力 对 点的力矩应与 所受的磁力矩大小相等，且作用效果相反，即 。 12.21 如题图12.17所示，半径为a，带正电荷且线密度是 (常量)的半圆，以角速度 绕轴OO匀速旋转。求： (1) O点的 ； (2)旋转的带电半圆的磁矩 。 (提示：积分公式 ) 解：(1) 对 弧元， ，旋转形成圆电流 它在 点的磁感强度 为： 的方向向上 (2) 的方向向上 12.22 如题图12.18所示，有一无限大平面导体薄板，自下而上均匀通有电流，已知其面电流密度为i (即单位宽度上通有的电流强度) (1)