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1、第七章真空中的靜電場q2q-4q2q習(xí)題71圖71 在邊長為a的正方形的四角,依次放置點電荷q,2q,-4q和2q,它的幾何中心放置一個單位正電荷,求這個電荷受力的大小和方向。解:如圖可看出兩2q的電荷對單位正電荷的在作用力將相互抵消,單位正電荷所受的力為方向由q指向-4q。72 如圖,均勻帶電細(xì)棒,長為L,電荷線密度為。(1)求棒的延長線上任一點P的場強(qiáng);(2)求通過棒的端點與棒垂直上任一點Q的場強(qiáng)。解:(1)如圖72 圖a,在細(xì)棒上任取電荷元dq,建立如圖坐標(biāo),dqldx,設(shè)棒的延長線上任一點P與坐標(biāo)原點0的距離為x,則0dqxdx,P習(xí)題72 圖ax則整根細(xì)棒在P點產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的大小為
2、方向沿x軸正向。(2)如圖72 圖b,設(shè)通過棒的端點與棒垂直上任一點Q與坐標(biāo)原點0的距離為y0dqxdx,P習(xí)題72 圖bydEqyQq00, 因,代入上式,則,方向沿x軸負(fù)向。73 一細(xì)棒彎成半徑為R的半圓形,均勻分布有電荷q,求半圓中心O處的場強(qiáng)。解:如圖,在半環(huán)上任取dl=Rdq的線元,其上所帶的電荷為dq=lRdq。對稱分析Ey=0。dqqqdExy習(xí)題73圖R,如圖,方向沿x軸正向。74 如圖線電荷密度為1的無限長均勻帶電直線與另一長度為l、線電荷密度為2的均勻帶電直線在同一平面內(nèi),二者互相垂直,求它們間的相互作用力。解:在2的帶電線上任取一dq,1的帶電線是無限長,它在dq處產(chǎn)生的
3、電場強(qiáng)度由高斯定理容易得到為,a12習(xí)題74圖0xdq兩線間的相互作用力為如圖,方向沿x軸正向。75 兩個點電荷所帶電荷之和為Q,問它們各帶電荷多少時,相互作用力最大?解:設(shè)其中一個電荷的帶電量是q,另一個即為Qq,若它們間的距離為r,它們間的相互作用力為相互作用力最大的條件為由上式可得:Q=2q,q=Q/276 一半徑為R的半球殼,均勻帶有電荷,電荷面密度為,求球心處電場強(qiáng)度的大小。 yqr習(xí)題76圖o解:將半球殼細(xì)割為諸多細(xì)環(huán)帶,其上帶電量為dq在o點產(chǎn)生的電場據(jù)(710)式為,。如圖,方向沿y軸負(fù)向。77 設(shè)勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度E與半徑為R的半球面對稱軸平行,計算通過此半球面電場強(qiáng)度的通量
4、。S1S2E習(xí)題77圖解:如圖,設(shè)作一圓平面S1蓋住半球面S2,成為閉合曲面高斯,對此高斯曲面電通量為0,即78 求半徑為R,帶電量為q的空心球面的電場強(qiáng)度分布。解: 由于電荷分布具有球?qū)ΨQ性,因而它所產(chǎn)生的電場分布也具有球?qū)ΨQ性,與帶電球面同心的球面上各點的場強(qiáng)E的大小相等,方向沿徑向。在帶電球內(nèi)部與外部區(qū)域分別作與帶電球面同心的高斯球面S1與S2。對S1與S2,應(yīng)用高斯定理,即先計算場強(qiáng)的通量,然后得出場強(qiáng)的分布,分別為r0R習(xí)題718圖得 (r<R) (r>R)79 如圖所示,厚度為d的“無限大”均勻帶電平板,體電荷密度為,求板內(nèi)外的電場分布。解:帶電平板均勻帶電,在厚度為d
5、/2的平分街面上電場強(qiáng)度為零,取坐標(biāo)原點在此街面上,建立如圖坐標(biāo)。對底面積為A,高度分別為x<d/2和x>d/2的高斯曲面應(yīng)用高斯定理,有d習(xí)題79圖0xE得 710 一半徑為R的無限長帶電圓柱,其體電荷密度為,0為常數(shù)。求場強(qiáng)分布。習(xí)題710圖ro解: 據(jù)高斯定理有時:時:711 帶電為q、半徑為R1的導(dǎo)體球,其外同心地放一金屬球殼,球殼內(nèi)、外半徑為R2、R3。(1)球殼的電荷及電勢分布;(2)把外球接地后再絕緣,求外球殼的電荷及球殼內(nèi)外電勢分布;(3)再把內(nèi)球接地,求內(nèi)球的電荷及外球殼的電勢。解:(1)靜電平衡,球殼內(nèi)表面帶q,外表面帶q電荷。據(jù)(723)式的結(jié)論得: oR1R
6、2R3q-qq習(xí)題711圖(2) (3)再把內(nèi)球接地,內(nèi)球的電荷及外球殼的電荷重新分布設(shè)靜電平衡,內(nèi)球帶q/,球殼內(nèi)表面帶q/,外表面帶q/q。得:712 一均勻、半徑為R的帶電球體中,存在一個球形空腔,空腔的半徑r(2r<R),試證明球形空腔中任意點的電場強(qiáng)度為勻強(qiáng)電場,其方向沿帶電球體球心O指向球形空腔球心O/。證明:利用補(bǔ)缺法,此空腔可視為同電荷密度的一個完整的半徑為R 的大球和一個半徑為r 與大球電荷密度異號完整的小球組成,兩球在腔內(nèi)任意點P產(chǎn)生的電場分別據(jù)例77結(jié)果為oo/pr2r1習(xí)題712圖, E=E1+E2=上式是恒矢量,得證。713 一均勻帶電的平面圓環(huán),內(nèi)、外半徑分別
7、為R1、R2,且電荷面密度為。一質(zhì)子被加速器加速后,自圓環(huán)軸線上的P點沿軸線射向圓心O。若質(zhì)子到達(dá)O點時的速度恰好為零,試求質(zhì)子位于P點時的動能EK。(已知質(zhì)子的帶電量為e,忽略重力的影響,OP=L)R2oR1xp習(xí)題713圖解:圓環(huán)中心的電勢為 圓環(huán)軸線上p點的電勢為 質(zhì)子到達(dá)O點時的速度恰好為零有=714 有一半徑為R的帶電球面,帶電量為Q,球面外沿直徑方向上放置一均勻帶電細(xì)線,線電荷密度為,長度為L(L>R),細(xì)線近端離球心的距離為L。設(shè)球和細(xì)線上的電荷分布固定,試求細(xì)線在電場中的電勢能。解:在帶電細(xì)線中任取一長度為dr的線元,其上所帶的電荷元為dq=ldr,據(jù)(723)式帶電球面
8、在電荷元處產(chǎn)生的電勢為orQdr習(xí)題714圖電荷元的電勢能為: 細(xì)線在帶電球面的電場中的電勢能為: *715 半徑為R的均勻帶電圓盤,帶電量為Q。過盤心垂直于盤面的軸線上一點P到盤心的距離為L。試求P點的電勢并利用電場強(qiáng)度與電勢的梯度關(guān)系求電場強(qiáng)度。解:P到盤心的距離為L,p點的電勢為p習(xí)題715圖xo圓盤軸線上任意點的電勢為利用電場強(qiáng)度與電勢的梯度關(guān)系得:P到盤心的距離為L,p點的電場強(qiáng)度為:716 兩個同心球面的半徑分別為R1和R2,各自帶有電荷Q1和Q2。求:(1)各區(qū)城電勢分布,并畫出分布曲線;(2)兩球面間的電勢差為多少?解:(1)據(jù)(723)式的結(jié)論得各區(qū)城電勢分布為oQ1Q2R1
9、R2習(xí)題716圖 (2)兩球面間的電勢差為717 一半徑為R的無限長帶電圓柱,其內(nèi)部的電荷均勻分布,電荷體密度為,若取棒表面為零電勢,求空間電勢分布并畫出電勢分布曲線。習(xí)題710圖ro解: 據(jù)高斯定理有時:時,V=0,則時:RroV時:空間電勢分布并畫出電勢分布曲線大致如圖。718 兩根很長的同軸圓柱面半徑分別為R1、R2,帶有等量異號的電荷,兩者的電勢差為U,求:(1)圓柱面單位長度帶有多少電荷?(2)兩圓柱面之間的電場強(qiáng)度。解:設(shè)圓柱面單位長度帶電量為l,則兩圓柱面之間的電場強(qiáng)度大小為習(xí)題718圖ro兩圓柱面之間的電勢差為由上式可得:所以719 在一次典型的閃電中,兩個放電點間的電勢差約為
10、109V,被遷移的電荷約為30庫侖,如果釋放出來的能量都用來使00C的冰熔化成00C的水,則可融化多少冰?(冰的熔解熱為3.34×105Jkg-1)解:兩個放電點間的電勢差約為109V,被遷移的電荷約為30庫侖,其電勢能為上式釋放出來的能量可融化冰的質(zhì)量為:8.98×104kg720 在玻爾的氫原子模型中,電子沿半徑為a的玻爾軌道上繞原子核作圓周運(yùn)動。(1)若把電子從原子中拉出來需要克服電場力作多少功?(2)電子在玻爾軌道上運(yùn)動的總能量為多少?解:電子沿半徑為a的玻爾軌道上繞原子核作圓周運(yùn)動,其電勢能為(1)把電子從原子中拉出來需要克服電場力作功為:(2)電子在玻爾軌道上運(yùn)
11、動的總能量為:電子的總能量為:第八章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)81 點電荷+q處在導(dǎo)體球殼的中心,殼的內(nèi)外半徑分別為Rl和R2,試求,電場強(qiáng)度和電勢的分布。解:靜電平衡時,球殼的內(nèi)球面帶q、外球殼帶q電荷在r<R1的區(qū)域內(nèi)R2R1習(xí)題 81圖q-qq,在R1<r<R2的區(qū)域內(nèi)在r>R2的區(qū)域內(nèi):82 把一厚度為d的無限大金屬板置于電場強(qiáng)度為E0的勻強(qiáng)電場中,E0與板面垂直,試求金屬板兩表面的電荷面密度。E0E0習(xí)題 82圖s1s2解:靜電平衡時,金屬板內(nèi)的電場為0,金屬板表面上電荷面密度與緊鄰處的電場成正比所以有83 一無限長圓柱形導(dǎo)體,半徑為a,單位長度帶有電荷量l1,
12、其外有一共軸的無限長導(dǎo)體圓簡,內(nèi)外半徑分別為b和c,單位長度帶有電荷量l2,求(1)圓筒內(nèi)外表面上每單位長度的電荷量;(2)求電場強(qiáng)度的分布。解:(1)由靜電平衡條件,圓筒內(nèi)外表面上每單位長度的電荷量為習(xí)題 83圖(2)在r<a的區(qū)域內(nèi):E=0在a<rb的區(qū)域內(nèi):Een在r>b的區(qū)域內(nèi):Een84 三個平行金屬板A、B和C,面積都是200cm2,A、B相距4.0mm,A、C相距2.0mm,B、C兩板都接地,如圖所示。如果A板帶正電3.0×107C,略去邊緣效應(yīng)(1)求B板和C板上感應(yīng)電荷各為多少?(2)以地為電勢零點,求A板的電勢。ABC習(xí)題 84圖d1d2解:(1
13、)設(shè)A板兩側(cè)的電荷為q1、q2,由電荷守恒原理和靜電平衡條件,有(1),(2)依題意VAB=VAC,即代入(1)(2)式得q11.0×10-7C,q22.0×10-7C,qB1.0×10-7C,qC=-q22.0×10-7C,(2)=2.3×103V85 半徑為R1=l.0cm的導(dǎo)體球帶電量為q=1.0×1010 C,球外有一個內(nèi)外半徑分別為R2=3.0cm和R3=4.0cm的同心導(dǎo)體球殼,殼帶有電量Q=11×1010 C,如圖所示,求(1)兩球的電勢;(2)用導(dǎo)線將兩球連接起來時兩球的電勢;(3)外球接地時,兩球電勢各為多
14、少?(以地為電勢零點)解:靜電平衡時,球殼的內(nèi)球面帶q、外球殼帶q+Q電荷(1)代入數(shù)據(jù)習(xí)題 85圖q-qq+Q3.3×102V=2.7×102V(2)用導(dǎo)線將兩球連接起來時兩球的電勢為=2.7×102V(3)外球接地時,兩球電勢各為60Vq2AB習(xí)題 86圖q1q3q486 證明:兩平行放置的無限大帶電的平行平面金屬板A和B相向的兩面上電荷面密度大小相等,符號相反,相背的兩面上電荷面密度大小等,符號相同。如果兩金屬板的面積同為100cm2,帶電量分別為QA=6×108 C和QB=4×108C,略去邊緣效應(yīng),求兩個板的四個表面上的電面密度。證:
15、設(shè)A板帶電量為QA、兩側(cè)的電荷為q1、q2,B板板帶電量為QB、兩側(cè)的電荷為q3、q4。由電荷守恒有(1)(2)在A板與B板內(nèi)部取兩場點,金屬板內(nèi)部的電場為零有,得(3),得(4)聯(lián)立上面4個方程得:,即相向的兩面上電荷面密度大小相等,符號相反,相背的兩面上電荷面密度大小等,符號相同,本題得證。如果兩金屬板的面積同為100cm2,帶電量分別為QA=6×108 C和QB=4×108C,則5.0×106C/m2,1.0×10-6C/m287 半徑為R的金屬球離地面很遠(yuǎn),并用細(xì)導(dǎo)線與地相聯(lián),在與球心相距離為D=3R處有一點電荷+q,試求金屬球上的感應(yīng)電荷。解:
16、設(shè)金屬球上的感應(yīng)電荷為Q,金屬球接地qQD=3RR習(xí)題 87圖電勢為零,即88 一平行板電容器,兩極板為相同的矩形,寬為a,長為b,間距為d,今將一厚度為t、寬度為a的金屬板平行地向電容器內(nèi)插入,略去邊緣效應(yīng),求插入金屬板后的電容量與金屬板插入深度x的關(guān)系。tdbx習(xí)題 88圖解:設(shè)如圖左邊電容為C1,右邊電容為C2左右電容并聯(lián),總電容即金屬板后的電容量與金屬板插入深度x的關(guān)系,為=89 收音機(jī)里的可變電容器如圖(a)所示,其中共有n塊金屬片,相鄰兩片的距離均為d,奇數(shù)片聯(lián)在一起固定不動(叫定片)偶數(shù)片聯(lián)在起而可一同轉(zhuǎn)動(叫動片)每片的形狀如圖(b)所示。求當(dāng)動片轉(zhuǎn)到使兩組片重疊部分的角度為q
17、時,電容器的電容。解:當(dāng)動片轉(zhuǎn)到使兩組片重疊部分的角度(a)(b)習(xí)題 89圖為q時,電容器的電容的有效面積為此結(jié)構(gòu)相當(dāng)有n-1的電容并聯(lián),總電容為810 半徑都為a的兩根平行長直導(dǎo)線相距為d(d>>a),(1)設(shè)兩直導(dǎo)線每單位長度上分別帶電十l和一l求兩直導(dǎo)線的電勢差;(2)求此導(dǎo)線組每單位長度的電容。解:(1)兩直導(dǎo)線的電電場強(qiáng)度大小為or習(xí)題 810圖兩直導(dǎo)線之間的電勢差為(2)求此導(dǎo)線組每單位長度的電容為=811 如圖,C1=10mF,C2=5mF,C3=5mF,求(1)AB間的電容;(2)在AB間加上100V電壓時,求每個電容器上的電荷量和電壓;(3)如果C1被擊穿,問C
18、3上的電荷量和電壓各是多少?解:(1)AB間的電容為=3.75mF;(2)在AB間加上100V電壓時,電路中的總電量就是C3電容器上的電荷量,為ABC1C3C2習(xí)題 811圖(3)如果C1被擊穿,C2短路,AB間的100V電壓全加在C3上,即V3=100V,C3上的電荷量為812 平行板電容器,兩極間距離為l.5cm,外加電壓39kV,若空氣的擊穿場強(qiáng)為30kV/cm,問此時電容器是否會被擊穿?現(xiàn)將一厚度為0.3cm的玻璃插入電容器中與兩板平行,若玻璃的相對介電常數(shù)為7,擊穿場強(qiáng)為100kV/cm,問此時電容器是否會被擊穿?結(jié)果與玻璃片的位置有無關(guān)系?V習(xí)題 812圖解:(1)未加玻璃前,兩極
19、間的電場為不會擊穿(2)加玻璃后,兩極間的電壓為空氣部分會擊穿,此后,玻璃中的電場為,玻璃部分也被擊穿。結(jié)果與玻璃片的位置無關(guān)。813 一平行板電容器極板面積為S,兩板間距離為d,其間充以相對介電常數(shù)分別為er1、er2,的兩種均勻電介質(zhì),每種介質(zhì)各占一半體積,如圖所示。若忽略邊緣效應(yīng),求此電容器的電容。解:設(shè)如圖左邊電容為C1,右邊電容為C2er1er2習(xí)題 813圖左右電容并聯(lián),總電容為814 平行板電容器兩極間充滿某種介質(zhì),板間距d為2mm,電壓600V,如果斷開電源后抽出介質(zhì),則電壓升高到1800V。求(1)電介質(zhì)相對介電常數(shù);(2)電介質(zhì)上極化電荷面密度;(3)極化電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)。解:設(shè)電介質(zhì)抽出前后電容分別為C與C/815 圓柱形電容器是由半徑為R1的導(dǎo)體圓柱和與它共軸的導(dǎo)體圓筒組成。圓筒的半徑為R2,電容器的長度為L,其間充滿相對介電常數(shù)為er的電介質(zhì),設(shè)沿軸線方向單位長度上圓柱的帶電量為+l,圓筒單位長度帶電量為-l,忽略邊緣效應(yīng)。求(1)電介質(zhì)中的電位移和電場強(qiáng)度;(2)電介質(zhì)極化電荷面密度。解:R1R/習(xí)題 81
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