大學(xué)物理下15章習(xí)題參考答案解析我國石油大學(xué)

./15章習(xí)題參考答案15-3求各圖中點P處磁感應(yīng)強度的大小和方向。[解]<a>因為長直導(dǎo)線對空間任一點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為：對于導(dǎo)線1：,,因此對于導(dǎo)線2：,因此方向垂直紙面向外。<b>因為長直導(dǎo)線對空間任一點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為：對于導(dǎo)線1：,,因此,方向垂直紙面向內(nèi)。對于導(dǎo)線2：,,因此,方向垂直紙面向內(nèi)。半圓形導(dǎo)線在P點產(chǎn)生的磁場方向也是垂直紙面向內(nèi),大小為半徑相同、電流相同的圓形導(dǎo)線在圓心處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的一半,即,方向垂直紙面向內(nèi)。所以,<c>P點到三角形每條邊的距離都是,每條邊上的電流在P點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的方向都是垂直紙面向內(nèi),大小都是故P點總的磁感應(yīng)強度大小為方向垂直紙面向內(nèi)。15-4在半徑為R和r的兩圓周之間,有一總匝數(shù)為N的均勻密繞平面線圈,通有電流I,方向如圖所示。求中心O處的磁感應(yīng)強度。[解]由題意知,均勻密繞平面線圈等效于通以INI圓盤,設(shè)單位長度線圈匝數(shù)為n建立如圖坐標,取一半徑為x厚度為dx的圓環(huán),其等效電流為:方向垂直紙面向外.15-5電流均勻地流過一無限長薄壁半圓筒,設(shè)電流I=5.0A,圓筒半徑R=如圖所示。求軸線上一點的磁感應(yīng)強度。[解]把無限長薄壁半圓筒分割成無數(shù)細條,每一細條可看作一無限長直導(dǎo)線,取一微元dl則則在O點所產(chǎn)生的磁場為又因,所以,,半圓筒對O點產(chǎn)生的磁場為：,所以只有方向分量,即,沿的負方向。15-6矩形截面的螺繞環(huán),尺寸如圖所示,均勻密繞共N匝,通以電流I,試證明通過螺繞環(huán)截面的磁通量為[證明]建立如圖所示坐標,在螺繞環(huán)橫截面上任取一微元以與螺繞環(huán)同心的圓周為環(huán)路,其半徑為r,,所以15-7長直導(dǎo)線與半徑為R的均勻?qū)w圓環(huán)相切于點a,另一直導(dǎo)線沿半徑方向與圓環(huán)接于點b,如圖所示?，F(xiàn)有穩(wěn)恒電流I從端a流入而從端b流出。<1>求圓環(huán)中心點O的B。<2>B沿閉合路徑L的環(huán)流等于什么?[解]<1>其中:,故與大小相等,方向相反,所以因而,方向垂直紙面向外.<2>由安培環(huán)路定理,有:15-9磁場中某點處的磁感應(yīng)強度,一電子以速度通過該點。求作用在該電子上的磁場力。[解]由洛侖茲力公式,有15-10在一個圓柱磁鐵N極正上方,水平放置一半徑為R的導(dǎo)線圓環(huán),如圖所示,其中通有順時針方向<俯視>的電流I。在導(dǎo)線處的磁場B的方向都與豎直方向成角。求導(dǎo)線環(huán)受的磁場力。[解]圓環(huán)上每個電流元受力為將分解為z分量和徑向分量：,所以對于圓環(huán)圓環(huán)所受合力為,方向沿z軸正向。15-11如圖所示,空心圓柱無限長導(dǎo)體內(nèi)外半徑分別為a和b,導(dǎo)體內(nèi)通有電流I,且電流在橫截面上均勻分布,介質(zhì)的影響可以忽略不計。求證導(dǎo)體內(nèi)部<a<r<b>各點的磁感應(yīng)強度由下式給出[解]作圖示的安培環(huán)路有因為導(dǎo)體電流在橫截面上均勻分布,所以即所以15-12一圓線圈的半徑為R,載有電流I,置于均勻磁場中,如圖所示。在不考慮載流線圈本身激發(fā)的磁場的情況下,求線圈導(dǎo)線上的張力<已知線圈法線方向與B的方向相同>。[解]取半個圓環(huán)為研究對象,受力如圖所示,由平衡條件,有:,半圓所受到的磁力F等效于長為2R的載流直導(dǎo)線,在磁場中受力：15-13厚為2d的無限大導(dǎo)體平板,其內(nèi)有均勻電流平行于表面流動,電流密度為j,求空間磁感應(yīng)強度的分布。[解]建立如圖所示的坐標系,對板內(nèi),取安培環(huán)路abcd則所以對板外,取安培環(huán)路,則有:即所以15-14一根半徑為R的長直導(dǎo)體圓柱載有電流I,作一寬為R長為l的假想平面S,如圖所示。若假想平面S可在導(dǎo)體直徑和軸所確定的平面內(nèi)離開軸移動至遠處,試求當通過面S的磁通量最大時平面S的位置<設(shè)直導(dǎo)線內(nèi)電流分布是均勻的>。[解]r≤R時：即r≥R時：即當假想平面的內(nèi)邊界離軸x時令<舍>對求二階導(dǎo)數(shù)<0因此時,有最大值。15-15將一均勻分布著面電流的無限大載流平面放入均勻磁場中,已知平面兩側(cè)的磁感應(yīng)強度分別為和<如圖所示>。求載流平面上單位面積所受磁力的大小和方向。[解]由圖可知,>,說明載流平面的磁場的方向與所放入的均勻磁場的方向在平面右側(cè)是一致的,在平面左側(cè)是相反的,進而說明平面上電流方向是垂直于紙面向內(nèi)。設(shè)面電流密度為j。則由此二式解得,在載流平面上沿電流方向取長為h、寬為dl的條形面積,面積dS=hdl,面積上電流dI=jdl,此電流受到的磁力大小為載流平面單位面積所受磁力大小為方向為垂直于平面向左。15-16電流為的等邊三角形載流線圈與無限長直線電流共面,如圖所示。求：<1>載流線圈所受到的總的磁場力；<2>載流線圈所受到的磁力矩<通過點c并垂直于紙面方向的直線為軸>。[解]ab邊到長直導(dǎo)線的距離為d,電流在ab邊上的磁場為方向垂直紙面向內(nèi)。此磁場對ab邊的作用力為方向向左。在ac邊上任取一,設(shè)到的距離為,則在處產(chǎn)生的磁場為,受到的磁力,又因為所以,所以,方向如圖所示。同理,可求得,方向如圖所示。則線圈受到的合力為：,方向沿x軸負向。〔2因為的方向垂直直面向外所以又因為,所以,所以15-17半徑為a、線電荷密度為<常量>的半圓,以角速度繞軸勻速旋轉(zhuǎn),如圖所示。求：<1>在點O產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B；<2>旋轉(zhuǎn)的帶電半圓的磁矩。[解]〔1把半圓分成無數(shù)個小弧每段帶電量旋轉(zhuǎn)后形成電流元由圓環(huán)得方向向上〔2因為,,方向向上。15-18有一均勻帶電細直棒AB,長為b,線電荷密度為。此棒繞垂直于紙面的軸O以勻角速度轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動過程中端A與軸O的距離a保持不變,如圖所示。求：<1>點O的磁感應(yīng)強度；<2>轉(zhuǎn)動棒的磁矩；<3>若a>>b,再求和。[解]<1>均勻帶電直棒AB繞O軸旋轉(zhuǎn),其結(jié)果等效于載流圓盤。在均勻直棒上取一微元,等效電流為：它在O點的磁感應(yīng)強度〔,方向垂直直面向里<2><3>若a>>b,則有：,與帶電粒子情況相同與點電荷的磁矩相同15-20有一個無限長直圓筒形導(dǎo)體,導(dǎo)體和空腔半徑分別為和,它們的軸線相互平行,兩軸線間的距離為a<>a+>2>,如圖所示。電流I沿軸向流動,在橫截面上均勻分布。求兩軸線上任一點的磁感應(yīng)強度。[解]根