习题八
8-1 电量都是q 的三个点电荷，分别放在正三角形的三个顶点．试问：(1)在这三角形的中心放一个什么样的电荷，就可以使这四个电荷都达到平衡(即每个电荷受其他三个电荷的库仑力之和都为零)?(2)这种平衡与三角形的边长有无关系
?
解: 如题8-1图示
(1) 以A 处点电荷为研究对象，由力平衡知：q '为负电荷
20
220)3
3(π4130cos π412a q q a q '=?εε
解得 q q 3
3-=' (2)与三角形边长无关．
题8-1图 题8-2图
8-2 两小球的质量都是m ，都用长为l 的细绳挂在同一点，它们带有相同电量，静止时两线夹角为2θ ,如题8-2
图所示．设小球的半径和线的质量都可以忽略不计，求每
解: 如题8-2图示
??
?
??
===220)sin 2(π41
sin cos θεθθl q F T mg T e
解得 θπεθtan 4sin 20mg l q
=
8-3 根据点电荷场强公式2
04r q
E πε=，当被考察的场点距源点电荷很近(r →0)时，则场强→∞，这是没有物理意义的，对此应如何理解
?
解: 02
0π4r r q E
ε=
仅对点电荷成立，当0→r 时，带电体不能再视为点电荷，再用上式求场强是错误的，实际带电体有一定形状大小，考虑电荷在带电体上的分布求出的场强不会是无限大． 8-4 在真空中有
A ，
B 两平行板，相对距离为d ，板面积为S ，其带电量分别为+q 和-q ．则这两板之间有相互作用力f ，有人说f =
2
024d
q πε,又有人说，因为
f =qE ,S q E 0ε=，所以f =S
q 02
ε．试问这两种说法对吗?为什么? f 到底应等于多少
? 解: 题中的两种说法均不对．第一种说法中把两带电板视为点电荷是不对的，第二种说法把合场强S
q
E 0ε=
看成是一个带电板在另一带电板处的场强也是不对的．正确解答应为一个板的电场为S q
E 02ε=，另一板受它的作用力S q S q
q f 02
022εε=
=，这是两板间相互作用的电场力． 8-5 一电偶极子的电矩为l q p =，场点到偶极子中心O 点的距离为r ,矢量r 与l
的夹角为θ,(见题8-5图)，且l r >>．试证P 点的场强E 在r 方向上的分量r E 和垂直于r 的分量θE 分别为
r E =302cos r p πεθ, θ
E =304sin r p πεθ
证: 如题8-5所示，将p 分解为与r 平行的分量θsin p 和垂直于r
的分量θsin p ． ∵ l r >> ∴ 场点P 在r 方向场强分量
3
0π2cos r
p E r εθ= 垂直于r 方向，即θ方向场强分量
3
00π4sin r
p E εθ=
题8-5图 题8-6图
8-6 长l =15.0cm AB 上均匀地分布着线密度λ=5.0x10-9C ·m -1
(1)在导线的延长线上与导线B 端相距1a =5.0cm 处P 点的场强；(2)在导线的垂
直平分线上与导线中点相距2d =5.0cm 处
Q
解： 如题8-6图所示
(1)在带电直线上取线元x d ，其上电量q d 在P 点产生场强为
2
0)(d π41d x a x
E P -=
λε
2220)(d π4d x a x
E E l
l
P P -==??-ελ
]2
121[π40
l a l a +
--=ελ
)
4(π220l a l
-=
ελ
用15=l
cm ，9100.5-?=λ1m C -?, 5.12=a cm 代入得
21074.6?=P E 1C N -? 方向水平向右
(2) 2
2
20d d π41d +=x x
E Q λε 方向如题8-6图所示 由于对称性?=l
Qx E 0d ，即Q E
只有y 分量，
∵ 2
2
2
222
20d
d d d π41d ++=
x x x E Qy
λε
2
2π4d d ελ?==l
Qy
Qy E E ?
-+22
2
3
222)
d (d l l x x
22
2
0d
4π2+=
l l
ελ
以9
10
0.5-?=λ1cm C -?, 15=l cm ,5d 2=cm 代入得
21096.14?==Qy Q E E 1C N -?，方向沿y 轴正向
8-7 一个半径为R 的均匀带电半圆环，电荷线密度为λ,求环心处O 点的场强． 解: 如8-7图在圆上取?Rd dl =
题8-7图
?λλd d d R l q ==，它在O 点产生场强大小为
2
0π4d d R R E ε?λ=方向沿半径向外
则 ??ελ
?d sin π4sin d d 0R
E E x =
=
??ελ
?πd cos π4)cos(d d 0R
E E y -=
-=
积分R R E x 000π2d sin π4ελ
??ελπ
==
? 0d cos π400=-=???ελπR E y
∴ R
E E x 0π2ελ
==，方向沿x 轴正向．
8-8 均匀带电的细线弯成正方形，边长为l ，总电量为q ．(1)求这正方形轴线上离中心为r 处的场强E ；(2)证明：在l r >>处，它相当于点电荷q 产生的场强
E
解: 如8-8图示，正方形一条边上电荷4
q
在P 点产生物强P E d 方向如图，大小为
()4π4cos cos d 22021l
r E P +
-=εθθλ
∵ 2
2cos 221l r l +
=θ
12cos cos θθ-=
∴ 2
4π4d 22220l
r l
l r E P +
+=ελ
P E
d 在垂直于平面上的分量βcos d d P E E =⊥
∴ 4
24π4d 2222220l
r r
l r l r l E +
++=⊥ελ
题8-8图
由于对称性，P 点场强沿OP 方向，大小为
2
)4(π44d 4
2
22
20l r l r lr
E E P ++
=
?=⊥ελ
∵ l
q 4=
λ ∴ 2
)4(π42
22
20l
r l r qr
E P
++
=
ε 方向沿OP
8-9 (1)点电荷q 位于一边长为a 的立方体中心，试求在该点电荷电场中穿过立方体的一个面的电通量；(2)如果该场源点电荷移动到该立方体的一个顶点上，这时穿过立方体各面的电通量是多少?*(3)如题8-9(3)图所示，在点电荷q 的电场中取半径为R 的圆平面．q 在该平面轴线上的A 点处，求：通过圆平面的电通量．(x
R
arctan
=α)
解: (1)由高斯定理0
d εq
S E s
?=?
立方体六个面，当q 在立方体中心时，每个面上电通量相等 ∴ 各面电通量0
6εq
e =
Φ． (2)电荷在顶点时，将立方体延伸为边长a 2的立方体，使q 处于边长a 2的立方体中心，则边长a 2的正方形上电通量0
6εq e =Φ 对于边长a 的正方形，如果它不包含q 所在的顶点，则0
24εq
e =Φ， 如果它包含q 所在顶点则0=Φe ．
如题8-9(a)图所示．题8-9(3)图
题8-9(a)图 题8-9(b)图 题8-9(c)图 (3)∵通过半径为R 的圆平面的电通量等于通过半径为
22x R +的球冠面的电通量，球冠面积*
]1)[(π22
2
22x
R x x R S +-
+= ∴ )
(π42
2
00
x R S
q +=
Φε0
2εq
=
[2
21x
R x
+-]
*关于球冠面积的计算：见题8-9(c)图
ααα
??=0
d sin π2r r S
ααα
??=0
2d sin π2r
)cos 1(π22α-=r
8-10 均匀带电球壳内半径6cm ，外半径10cm ，电荷体密度为2×5
10
-C ·m -3
求距球心5cm ，8cm ,12cm 各点的场强．
解: 高斯定理0
d ε∑?=?q S E s
,0
2
π4ε∑=
q r E
当5=r cm 时，0=∑q ,0=E
8=r cm 时，∑q 3
π4p
=3(r )3
内r - ∴ ()
2
02
3π43π4r
r r E ερ
内
-=41048.3?≈1C N -?， 方向沿半径向外． 12=r cm 时,3
π4∑=ρq -3(外r ）内3
r ∴ ()
42
0331010.4π43π4?≈-=r
r r E ερ内
外 1C N -? 沿半径向外.
8-11 半径为1R 和2R (2R ＞1R )的两无限长同轴圆柱面，单位长度上分别带有电量λ和-λ,试求:(1)r ＜1R ；(2) 1R ＜r ＜2R ；(3) r ＞2R 处各点的场强．
解: 高斯定理0
d ε∑?=?q
S E s
取同轴圆柱形高斯面，侧面积rl S
π2=
则 rl E S E S π2d =??
对(1) 1R r < 0,0==∑E q
(2) 2
1R r R <<
λl q =∑
∴ r
E 0π2ελ=
沿径向向外
(3) 2R r >
=∑q
∴ 0=E
题8-12图
8-12 两个无限大的平行平面都均匀带电，电荷的面密度分别为1σ和2
σ
解: 如题8-12图示，两带电平面均匀带电，电荷面密度分别为1σ与2σ，
两面间， n E
)(21210σσε-= 1σ面外， n E
)(21210
σσε+-= 2σ面外， n E
)(21210
σσε+= n
：垂直于两平面由1σ面指为2σ面．
8-13 半径为R 的均匀带电球体内的电荷体密度为ρ,若在球内挖去一块半径为r ＜R 的小球体，如题8-13图所示．试求：两球心O 与O '点的场强，并证明小球空腔内
的电场是均匀的．
解: 将此带电体看作带正电ρ的均匀球与带电ρ-的均匀小球的组合，见题8-13图(a)．
(1) ρ+球在O 点产生电场010=E
，
ρ- 球在O 点产生电场d π4π343
0320
OO r E ερ=
∴ O 点电场'd
33
030OO r E ερ
= ； (2) ρ+在O '产生电场d π4d 3430301E ερπ=' ρ-球在O '产生电场002='E
∴ O ' 点电场 0
03ερ
='E 'OO
题8-13图(a) 题8-13图(b)
(3)设空腔任一点P 相对O '的位矢为r
'，相对O 点位矢为r (如题8-13(b)图)
则 0
3ερr
E PO =，
3ερr E O P '
-=' ,
∴ 0
0033)(3ερερερd
r r E E E O P PO P
=
='-=+=' ∴腔内场强是均匀的．
8-14 一电偶极子由q =1.0×10-6
C
d=0.2cm ，把这电偶极子放在1.0×105N ·C
-1
解: ∵ 电偶极子
p
在外场E 中受力矩
E p M
?= ∴ qlE pE M ==max 代入数字
4536max 100.2100.1102100.1---?=?????=M m N ?
8-15 两点电荷1q =1.5×10-8
C ，2q =3.0×10-8
C ，相距1r =42cm ，要把它们之间的距离变为2r =25cm ，需作多少功
?
解: ??
==?=
222
1
02120
21π4π4d d r r r r q q r r q q r F A εε )11(21r r -
61055.6-?-=J
外力需作的功 6
1055.6-?-=-='A A J
题8-16图
8-16 如题8-16图所示，在A ，B 两点处放有电量分别为+q ,-q 的点电荷，AB 间距离为2R ，现将另一正试验点电荷0q 从O 点经过半圆弧移到C 点，求移动过程中
解: 如题8-16图示
0π41ε=
O U 0)(=-R q
R q 0π41ε=O U )3(R q
R q -R
q 0π6ε-
= ∴ R
q
q U U q A o C O 00π6)(ε=
-=
8-17 如题8-17图所示的绝缘细线上均匀分布着线密度为λ的正电荷,两直导线的长度和半圆环的半径都等于R ．试求环中心O
解: (1)由于电荷均匀分布与对称性，AB 和CD 段电荷在O 点产生的场强互相抵消，取θd d R l = 则θλd d R q =产生O 点E
d 如图，由于对称性，O 点场强沿
y 轴负方向
题8-17图
θ
εθ
λπ
π
cos π4d d 22
2
0??-==R R E E y
R 0π4ελ=
［)2sin(π-2sin π
-］
R
0π2ελ-= (2) AB 电荷在O 点产生电势，以0=∞U
??===A B 20
0012ln π4π4d π4d R R x x x x U ελελελ
同理CD 产生 2ln π402ελ
=
U 半圆环产生 0
034π4πελ
ελ==R R U
∴ 0
032142ln π2ελελ+=++=U U U U O 8-18 一电子绕一带均匀电荷的长直导线以2×104
m ·s -1
的匀速率作圆周运动．求带电直线上的线电荷密度．(电子质量0m =9.1×10-31
kg ，电子电量e =1.60×10-19
C)
解: 设均匀带电直线电荷密度为λ，在电子轨道处场强
r
E 0π2ελ
=
电子受力大小 r
e eE F e 0π2ελ
=
=
∴ r
v m r e 2
0π2=ελ
得 132
0105.12π2-?==
e
mv ελ1m C -? 8-19 空气可以承受的场强的最大值为E =30kV ·cm -1
，超过这个数值时空气要发生火花放电．今有一高压平行板电容器，极板间距离为d =0.5cm ，求此电容器可承受的
解: 平行板电容器内部近似为均匀电场
∴ 4105.1d ?==E U
V
8-20 根据场强E
与电势U 的关系U E -?= ，求下列电场的场强：(1)点电荷q 的电场；(2)总电量为q ，半径为R 的均匀带电圆环轴上一点；*(3)偶极子ql p =的
l r >>处(见题8-20图)
解: (1)点电荷 r
q
U 0π4ε=
题 8-20 图
∴ 02
00π4r r q r r U E ε=??-= 0r
为r 方向单位矢量． (2)总电量q ，半径为R 的均匀带电圆环轴上一点电势
2
20π4x
R q
U +=
ε
∴ ()
i x
R qx
i x U E 2/3220π4+=??-=ε
(3)偶极子l q p
=在l r >>处的一点电势
2
00π4cos ])
cos 2
1(1)cos 2(1[π4r ql l l r q U εθ
θθε=+--= ∴ 30π2cos r p r U E r εθ
=??-= 3
0π4sin 1r
p U r E εθθθ=??-= 8-21 证明：对于两个无限大的平行平面带电导体板(题8-21图)来说，(1)相向的两面上，电荷的面密度总是大小相等而符号相反；(2)
相背的两面上，电荷的面密度总是
证: 如题8-21图所示，设两导体A 、B 的四个平面均匀带电的电荷面密度依次为1σ，2σ，3σ，4σ
题8-21图
(1)则取与平面垂直且底面分别在A 、B 内部的闭合柱面为高斯面时，有
0)(d 32=?+=??S S E s
σσ
∴ +2σ03=σ
说明相向两面上电荷面密度大小相等、符号相反；
(2)在A 内部任取一点P ，则其场强为零，并且它是由四个均匀带电平面产生的场强叠加而成的，即
022220
4
030201=---εσεσεσεσ 又∵ +2σ03=σ ∴ 1σ4σ=
说明相背两面上电荷面密度总是大小相等，符号相同．
8-22 三个平行金属板A ，B 和C 的面积都是200cm 2，A 和B 相距4.0mm ，A 与C 相距2.0 mm ．B ，C 都接地，如题8-22图所示．如果使A 板带正电3.0×10-7
C ，略去边缘效应，问B 板和C 板上的感应电荷各是多少?以地的电势为零，则A 板的电势是多少? 解: 如题8-22图示，令A 板左侧面电荷面密度为1σ，右侧面电荷面密度为2σ
题8-22图
(1)∵ AB AC U U =，即 ∴ AB AB AC AC E E d d =
∴
2d d 21===AC
AB
AB AC E E σσ 且 1σ+2σS
q
A =
得 ,32S q A =σ S
q A
321=σ
而 7
11023
2-?-=-=-=A C q S q σC
C 10172-?-=-=S q B σ (2) 30
1
103.2d d ?==
=AC AC AC A E U εσV 8-23 两个半径分别为1R 和2R （1R ＜2R )的同心薄金属球壳，现给内球壳带电+
q
(1)
(2)
*(3)
解: (1)内球带电q +；球壳内表面带电则为q -,外表面带电为q +，且均匀分布，其电势
题8-23图
?
?
∞
∞==?=2
2
020π4π4d d R R R q
r r q r E U εε
(2)外壳接地时，外表面电荷q +入地，外表面不带电，内表面电荷仍为q -．所以球壳电势由内球q +与内表面q -产生：
0π4π4202
0=-
=
R q R q U εε
(3)设此时内球壳带电量为q '；则外壳内表面带电量为q '-，外壳外表面带电量为+-q q ' (电荷守恒)，此时内球壳电势为零，且
0π4'
π4'π4'2
02
01
0=+-+
-=
R q q R q R q U A εεε
得 q R R q 21
=' 外球壳上电势
()2
2
021202
02
0π4π4'π4'π4'R q
R R R q q R q R q U B εεεε-=+-+
-
=
8-24 半径为R 的金属球离地面很远，并用导线与地相联，在与球心相距为R d 3=处有一点电荷+q ，试求：金属球上的感应电荷的电量．
解: 如题8-24图所示，设金属球感应电荷为q '，则球接地时电势0=O U
8-24图
由电势叠加原理有：
=
O U 03π4π4'00=+R
q R q εε
得 -='q 3
q
8-25 有三个大小相同的金属小球，小球1，2带有等量同号电荷，相距甚远，其间的库仑力为0F ．试求： (1)用带绝缘柄的不带电小球3先后分别接触1，2后移去，小球1，2之间的库仑力； (2)小球3依次交替接触小球1，2很多次后移去，小球1，
2
解: 由题意知 2
020π4r
q F ε=
(1)小球3接触小球1后，小球3和小球1均带电 2q q =
', 小球3再与小球2接触后，小球2与小球3均带电 q q 43
=''
∴ 此时小球1与小球2间相互作用力 00220183π483π4"'2
F r
q
r q q F =-=εε (2)小球3依次交替接触小球1、2很多次后，每个小球带电量均为 3
2q
.
∴ 小球1、2间的作用力 0029
4π432322F r q q F ==ε *8-26 如题8-26图所示，一平行板电容器两极板面积都是S ，相距为d ，分别维持电势A U =U ，B U =0不变．现把一块带有电量q 的导体薄片平行地放在两极板正中间，
片的面积也是S ，片的厚度略去不计．求导体薄片的电势．
解: 依次设A ,C ,B 从上到下的6个表面的面电荷密度分别为1σ，2σ，3σ，4σ,5σ,6σ如图所示．由静电平衡条件，电荷守恒定律及维持U U AB =可得以下6个方程
题8-26图
?
??????
???
???
++++==+=+-==+=+===+6
543215432
06
54
30021
00
1σσσσσσσσσσεσσσσεσσd U
S q S q
d
U U C S S q B A 解得 S q 261
=
=σσ S q
d U 2032-
=-=εσσ S
q
d U 2054+
=-=εσσ 所以CB 间电场 S q
d U E 00
422εεσ+== )2d
(212d 02S q U E U U CB C ε+===
注意：因为C 片带电，所以2U U C ≠，若C 片不带电，显然2
U
U C =
8-27 在半径为1R 的金属球之外包有一层外半径为2R 的均匀电介质球壳，介质相对介电常数为r ε，金属球带电Q ．试求：
(1)电介质内、外的场强； (2)电介质层内、外的电势； (3)金属球的电势．
解: 利用有介质时的高斯定理∑?=?q S D S
d
(1)介质内)(21R r R <<场强 3
03π4,π4r r Q E r r Q D r εε ==内; 介质外)(2R r <场强 3
03π4,π4r
r
Q E r Qr D ε ==外 (2)介质外)(2R r >电势 r
Q E U 0r π4r d ε=?=?∞
外
介质内)(21R r R <<电势
2
020π4)11(π4R Q R r q
r εεε+-=
)1
1(π42
0R r Q
r r -+=
εεε
(3)金属球的电势 r d r d 2
21
?+?=??∞R R R E E U
外内 ?
?
∞
+=22
2
020π44πdr
R R R r r Qdr
r Q εεε
)11(π42
10R R Q r r -+=εεε 8-28 如题8-28图所示，在平行板电容器的一半容积内充入相对介电常数为r ε的电介质．试求：在有电介质部分和无电介质部分极板上自由电荷面密度的比值．
解: 如题8-28图所示，充满电介质部分场强为2E ，真空部分场强为1E
，自由电荷面密度分别为2σ与1σ
由∑?=?0d q S D
得 11σ=D ，22σ=D
而 101E D ε=,202E D r εε=
d
21U E E =
= ∴
r D D εσσ==1
2
12
题8-28图 题8-29图
8-29 两个同轴的圆柱面，长度均为l ，半径分别为1R 和2R (2R ＞1R )，且l >>2R -1R ，两柱面之间充有介电常数ε的均匀电介质.当两圆柱面分别带等量异号电荷Q 和-Q 时，求：
r
d r d ?+?=??
∞∞
r
r
E E U 外内
(1)在半径r 处(1R ＜r ＜2R ＝，厚度为dr ，长为l 的圆柱薄壳中任一点的电场能量密度和整个薄壳中的电场能量； (2)电介质中的总电场能量； (3)圆柱形电容器的电容．
解: 取半径为r 的同轴圆柱面)(S
则 rlD S D S π2d )
(=??
当)(21R r R <<时，Q q =∑
∴ rl
Q
D
π2=
(1)电场能量密度 2222
2π82l r Q D w εε== 薄壳中 rl
r
Q rl r l r Q w W εευπ4d d π2π8d d 22
222=== (2)电介质中总电场能量 ??===211
22
2ln π4π4d d R R V R R l Q rl r Q W W εε
(3)电容：∵ C
Q W 22
=
∴ )
/ln(π22122R R l
W Q C ε=
= *8-30 金属球壳A 和B 的中心相距为r ，A 和B 原来都不带电．现在A 的中心放一点电荷1q ，在B 的中心放一点电荷2q ，如题8-30图所示．试求： (1) 1q 对2q 作用的库仑力，2q 有无加速度；
(2)去掉金属壳B ，求1q 作用在2q 上的库仑力，此时2q 有无加速度． 解: (1)1q 作用在2q 的库仑力仍满足库仑定律，即
2
2
10π41r
q q F ε= 但2q 处于金属球壳中心，它受合力．．
为零，没有加速度． (2)去掉金属壳B ，1q 作用在2q 上的库仑力仍是2
2
10π41r
q q F ε=
，但此时2q 受合力不为零，有加速度．
题8-30图 题8-31图
8-31 如题8-31图所示，1C =0.25μF ，2C =0.15μF ，3C =0.20μF ．1C 上电压为50V ．求：AB U ． 解: 电容1C 上电量 111U C Q =
电容2C 与3C 并联3223C C C +=
其上电荷123Q Q = ∴ 35
50
25231123232?===
C U C C Q U 86)35
25
1(5021=+=+=U U U AB
V
8-32
1C 和2C 两电容器分别标明“200 pF 、500 V ”和“300 pF 、900 V ”，把它们串联起来后等值电容是多少?如果两端加上1000 V ?
解: (1) 1C 与2C 串联后电容
120300
2003002002121=+?=+='C C C C C pF
(2)串联后电压比
2
3
1221==C C U U ，而100021=+U U ∴ 600
1=U V ,4002=U V
即电容1C 电压超过耐压值会击穿，然后2C 也击穿．
8-33 将两个电容器1C 和2C 充电到相等的电压U 以后切断电源，再将每一电容器的正极板与另一电容器的负极板相联．试求：
(1)每个电容器的最终电荷； (2)电场能量的损失．
解: 如题8-33图所示，设联接后两电容器带电分别为1q ,2q
题8-33图
则?????
??==-=-=+2
122112*********U U U C U C q q
U C U C q q q q
解得 (1) =
1q U C C C C C q U C C C C C 2
1212221211)
(,)(+-=+- (2)电场能量损失
W W W -=?0
)22()2121(22
21212
221C q C q U C U C +-+= 22
1212U C C C C += 8-34 半径为1R =2.0cm 的导体球，外套有一同心的导体球壳，壳的内、外半径分别为2R =4.0cm 和3R =5.0cm ，当内球带电荷Q =3.0×10-8
C
，求：
(1)整个电场储存的能量；
(2)如果将导体壳接地，计算储存的能量； (3)此电容器的电容值．
解: 如图，内球带电Q ，外球壳内表面带电Q -，外表面带电Q
题8-34图
(1)在1R r <和32R r R <<区域
0=E
在21R r R <<时 3
01π4r
r
Q E ε
=
3R r >时 3
02π4r r
Q E ε =
∴在21R r R <<区域
?=21d π4)π4(212
22001R R r r r Q W εε ?
-==2
1
)1
1(π8π8d 2
102202R R R R Q r r Q εε
在3R r >区域
?∞
==323
022
20021π8d π4)π4(21R R Q r r r Q W εεε ∴ 总能量 )1
11(π83
210221R R R Q W W W +-=+=ε
41082.1-?=J
(2)导体壳接地时，只有21R r R <<时3
0π4r
r
Q E ε
=
,02=W ∴ 4210211001.1)1
1(π8-?=-==R R Q W W ε J
(3)电容器电容 )1
1/(
π422102R R Q
W C -==ε 121049.4-?=F
习题九
9-1 在同一磁感应线上，各点B 的数值是否都相等?为何不把作用于运动电荷的磁力方向定义为磁感应强度B
的方向?
解: 在同一磁感应线上，各点B 的数值一般不相等．因为磁场作用于运动电荷的磁力方向不仅与磁感应强度B
的方向有关，而且与电荷速度方向有关，即磁力方向并不
是唯一由磁场决定的，所以不把磁力方向定义为B
的方向．
9-2 (1)在没有电流的空间区域里，如果磁感应线是平行直线，磁感应强度B
的大小在沿磁感应线和垂直它的方向上是否
可能变化(即磁场是否一定是均匀的)? (2)若存在电流，上述结论是否还对?
解: (1)不可能变化，即磁场一定是均匀的．
如图作闭合回路abcd 可证明21B B
=
∑?==-=?0d 021I bc B da B l B abcd
μ
∴ 21B B
=
(2)若存在电流，上述结论不对．如无限大均匀带电平面两侧之磁力线是平行直线，但B
方向相反，即21B B ≠.
9-3 用安培环路定理能否求有限长一段载流直导线周围的磁场
?
答: 不能，因为有限长载流直导线周围磁场虽然有轴对称性，但不是稳恒电流，安培环路定理并不适用． 9-4 在载流长螺线管的情况下，我们导出其内部nI B 0μ=，外面B =0，所以在载流螺线管 外面环绕一周(见题9-4图)的环路积分
?外B L
·d l =0 但从安培环路定理来看，环路L 中有电流I 穿过，环路积分应为 ?外B L ·d l =I 0μ
这是为什么? 解: 我们导出nl B 0μ=
内,0=外B 有一个假设的前提，即每匝电流均垂直于螺线管轴线．这时图中环路L 上就一定没有电流通过，即也是?∑==?L
I l B 0d 0μ
外，与
?
?=?=?L
l l B 0d 0d
外是不矛盾的．但这是导线横截面积为零，螺距为零的理想模型．实际上以上假设并不真实存在，所以使得穿过L 的电流为I ，因此实际螺线管若
是无限长时，只是外B 的轴向分量为零，而垂直于轴的圆周方向分量r
I
B πμ20=⊥,r 为管外一点到螺线管轴的距离．
题 9 - 4 图
9-5 如果一个电子在通过空间某一区域时不偏转，能否肯定这个区域中没有磁场?如果它发 生偏转能否肯定那个区域中存在着磁场?
解：如果一个电子在通过空间某一区域时不偏转，不能肯定这个区域中没有磁场，也可能存在互相垂直的电场和磁场，电子受的电场力与磁场力抵消所致．如果它发生偏转也不能肯定那个区域存在着磁场，因为仅有电场也可以使电子偏转．
9-6 已知磁感应强度0.2=B Wb ·m -2
x 轴正方向，如题9-6图所示．试求：(1)通过图中abcd 面的磁通量；(2)通过图中befc 面的磁通量；(3)通过图中aefd 面的磁通量． 解： 如题9-6图所示
题9-6图
(1)通过abcd 面积1S 的磁通是 24.04.03.00.211=??=?=S B
ΦWb
(2)通过befc 面积2S 的磁通量 022=?=S B
Φ
(3)通过aefd 面积3S 的磁通量
24.05
4
5.03.02cos 5.03.0233=???=θ???=?=S B ΦWb (或曰24.0-Wb )
题9-7图
9-7 如题9-7图所示，AB 、CD 为长直导线，C B
为圆心在O 点的一段圆弧形导线，其半径为R ．若通以电流I ，求O 点的磁感应强度． 解：如题9-7图所示，O 点磁场由
AB 、C B
、CD 三部分电流产生．其中
AB 产生 01=B
CD 产生R
I B 1202
μ=，方向垂直向里 CD 段产生 )23
1(2)60sin 90(sin 24003-
πμ=-πμ=??R I R I B ，方向⊥向里 ∴)6
231(203210π
πμ+-=++=R I B B B B ，方向⊥向里． 9-8 在真空中，有两根互相平行的无限长直导线1L 和2L ，相距0.1m ，通有方向相反的电流，1I =20A,2I =10A ，如题9-8图所示．A ，B 两点与导线在同一平面内．这两点与导线2L 的距离均为5.0cm ．试求A ，B
两点处的磁感应强度，以
题9-8图
解：如题9-8图所示,A B
方向垂直纸面向里
42
01
0102.105
.02)
05.01.0(2-?=?+
-=
πμπμI I B A T
(2)设0=B
在2L 外侧距离2L 为r 处
则
02)
1.0(22
0=-
+r
I r I
πμπμ 解得 1.0=r m
题9-9图
9-9 如题9-9图所示，两根导线沿半径方向引向铁环上的A ，B 两点，并在很远处与电源相连．已知圆环的粗细均匀，求环中心O 的磁感应强度． 解： 如题9-9图所示，圆心O 点磁场由直电流∞A 和∞B 及两段圆弧上电流1I 与2I 所产生，但∞A 和∞B 在O 点产生的磁场为零。且
θ
-πθ==21221R R I I 电阻电阻. 1I 产生1B
方向⊥纸面向外
π
θπμ2)
2(2101-=
R I B ，
2I 产生2B 方向⊥纸面向里
π
θμ22202R I B =
∴
1)2(2121=-=θθπI I B B 有 0210=+=B B B
9-10 在一半径R =1.0cm
I =5.0 A 通过，电流分布均匀.如题9-10图所示．试求圆柱轴线任一点P 处的磁感应强度．
题9-10图
解：因为金属片无限长，所以圆柱轴线上任一点P 的磁感应强度方向都在圆柱截面上，取坐标如题9-10图所示，取宽为l d 的一无限长直电流l R
I
I
d d π=
，在轴上P 点产生B
d 与R 垂直，大小为
R
I R R R I
R I B 200
02d 2d 2d d πθμ=πθ
πμ=πμ= R
I B B x 2
02d cos cos d d πθ
θμ=θ= R
I B B y 2
02d sin )2cos(d d πθθμ-=θ+π
= ∴ 52
02022
21037.6)]2sin(2[sin 22d cos -ππ-?=πμ=π
--ππμ=πθθμ=?
R
I R I R I B x
T 0)2d sin (22
2
0=πθ
θμ-
=?ππ-R
I B y ∴ i B 5
1037.6-?= T
9-11 氢原子处在基态时，它的电子可看作是在半径a =0.52×10-8cm 的轨道上作匀速圆周运动，速率v =2.2×108cm ·s -1
．求电子在轨道中心所产生的磁感应强度和电子
磁矩的值．
解：电子在轨道中心产生的磁感应强度
3004a a
v e B πμ ?=
如题9-11图，方向垂直向里，大小为
1342
00==
a ev
B πμ T 电子磁矩m P
在图中也是垂直向里，大小为
242102.92
-?===
eva a T e P m π 2m A ? 题9-11图 题9-12图
9-12 两平行长直导线相距d =40cm ，每根导线载有电流1I =2I =20A ，如题9-12图所示．求： (1)两导线所在平面内与该两导线等距的一点
A
(2)通过图中斜线所示面积的磁通量．(1r =3r =10cm,l
=25cm)
解：(1) 52
01
0104)
2
(2)
2
(2-?=+
=
d I d I B A
πμπμ T
⊥纸面向外
(2)
r l S d d =
61201011
0102.23ln 31ln 23ln 2])(22[1211
-+?=π
μ=πμ-πμ=-πμ+πμ=?l I l I l I ldr r d I r I r r r ΦWb
9-13 一根很长的铜导线载有电流10A ，设电流均匀分布.在导线内部作一平面S ，如题9-13图所示．试计算通过S 平面的磁通量(沿导线长度方向取长为1m 的一段作计算)．铜的磁导率0μμ=.
解：由安培环路定律求距圆导线轴为r 处的磁感应强度
?∑μ=?l
I l B 0d
22
02R
Ir r B μπ=
∴ 2
02R Ir B πμ=
题 9-13 图
磁通量 60020
)(10
42-===?=Φ??π
μπμI dr R Ir S d B R s m Wb 9-14 设题9-14图中两导线中的电流均为8A ，对图示的三条闭合曲线a ,b ,c ，分别写出安培环路定理等式右边电流的代数和．并讨论：
(1)在各条闭合曲线上，各点的磁感应强度B
的大小是否相等?
(2)在闭合曲线c 上各点的B
是否为零?为什么?
解： ?μ=?a
l B 08d
?μ=?ba l B 08d
?=?c
l B 0d
(1)在各条闭合曲线上，各点B
的大小不相等．
(2)在闭合曲线C 上各点B 不为零．只是B
的环路积分为零而非每点0=B ．
题9-14图题9-15图
9-15 题9-15图中所示是一根很长的长直圆管形导体的横截面，内、外半径分别为a ,b ，导体内载有沿轴线方向的电流I ，且I 均匀地分布在管的横截面上．设导体的磁导率0μμ≈
，试证明导体内部各点)(b r a << 的磁感应强度的大小由下式给出：
r a r a b I
B 2
2220)
(2--=πμ
解：取闭合回路r l π2= )(b r a <<
则 ?π=?l
r B l B 2d
2
22
2)
(a b I
a r I ππππ--=∑
∴ )
(2)
(2
2220a b r a r I B --=πμ 9-16 一根很长的同轴电缆，由一导体圆柱(半径为a )和一同轴的导体圆管(内、外半径分别
为b ,c )构成，如题9-16图所示．使用时，电流I 从一导体流去，从另一导体流回．设电流都是均匀地分布在导体的横截面上，求：(1)导体圆柱内(r ＜a ),(2)两导体之间(a ＜r ＜b )，（3）导体圆筒内(b ＜r ＜c )以及(4)电缆外(r ＞c )各点处磁感应强度的大小 解：
?
∑μ=?L
I l B 0d
(1)a r < 22
02R
Ir r B μπ=
202R Ir B πμ=
(2) b r
a << I r B 02μπ=
r
I B πμ20=
(3)c r b << I b c b r I r B 02
2
2
202μμπ+---= )
(2)
(2
2220b c r r c I B --=πμ (4)c r > 02=r
B π
0=B
题9-16图题9-17图
9-17 在半径为R 的长直圆柱形导体内部，与轴线平行地挖成一半径为r 的长直圆柱形空腔，两轴间距离为a ,且a ＞r ，横截面如题9-17图所示．现在电流I 沿导体管流
动，电流均匀分布在管的横截面上，而电流方向与管的轴线
(1)
(2)
解：空间各点磁场可看作半径为R ，电流1I 均匀分布在横截面上的圆柱导体和半径为r 电流2I -均匀分布在横截面上的圆柱导体磁场之和． (1)圆柱轴线上的O 点B 的大小：
电流1I 产生的01=B ，电流2I -产生的磁场
2
22
020222r R Ir a a I B -=
=πμπμ
∴ )
(22
2
2
00r R a Ir B -=
πμ
(2)空心部分轴线上O '点B 的大小：
电流2I 产生的02
='B ， 电流1I 产生的222022r R Ia a B -πμ=')
(22
20r R Ia -=πμ ∴ )
(22200r R Ia
B -='πμ
题9-18图
9-18 如题9-18图所示，长直电流1I 附近有一等腰直角三角形线框，通以电流2I ，二者 共面．求△ABC 的各边所受的磁力．
解： ??=A
B
AB B l I F d 2
d
a
I I d I a
I F AB πμπμ22210102== 方向垂直AB 向左 ??=C
A
AC B l I F d 2 方向垂直AC 向下，大小为
?
++πμ=πμ=a
d d
AC d
a
d I I r I r
I F ln
22d 210102 同理 BC F
方向垂直BC 向上，大小
?
+πμ=a
d d
Bc r
I l
I F 2d 1
02 ∵ ?
=
45
cos d d r
l ∴ ?++π
μ=?πμ=a d a BC
d a d I I r r I I F ln 245cos 2d 210120 题9-19图
9-19 在磁感应强度为B
的均匀磁场中，垂直于磁场方向的平面内有一段载流弯曲导线，电流为I ，如题9-19图所示．求其
解：在曲线上取l
d
则 ??=b
a
ab B l I F d
∵ l d 与B 夹角l d <，2
π
>=B 不变，B 是均匀的．
∴ ???=?=?=b
a
b a
ab B I B l I B l I F )d (d
方向⊥ab 向上，大小BI F ab =ab
题9-20图
9-20 如题9-20图所示，在长直导线
AB 内通以电流1I =20A ，在矩形线圈CDEF 中通有电流2I =10 A ，AB 与线圈共面，且CD ，EF 都与AB 平行．已知
a =9.0cm,
b =20.0cm,d =1.0 cm
(1)导线AB
(2)
解：(1)CD F
方向垂直CD 向左，大小
41
02100.82-?==d
I b
I F CD πμ N 同理FE F
方向垂直FE 向右，大小
51
02100.8)
(2-?=+=a d I b
I F FE πμ N
CF F
方向垂直CF 向上，大小为
?
+-?=+πμ=πμ=a
d d
CF d a
d I I r r I I F 5210210102.9ln 2d 2 N ED F
方向垂直ED 向下，大小为
5
102.9-?==CF ED F F N
(2)合力ED CF FE CD F F F F F
+++=方向向左，大小为
4102.7-?=F N
合力矩B P M m
?=
∵ 线圈与导线共面
∴ B P m
//
0=M
．
题9-21图 9-21 边长为l =0.1m B =1T 的均匀磁场中，线圈平面与磁场方向平行.如题9-21图所示，使线圈通以电流I =10A ，求： (1) 线圈每边所受的安培力； (2) 对O O '轴的磁力矩大小；
(3)从所在位置转到线圈平面与磁场垂直时磁力所作的功．
解： (1) 0=?=B l I F bc
B l I F ab
?= 方向⊥纸面向外，大小为 866.0120sin ==?IlB F ab N B l I F ca
?=方向⊥纸面向里，大小
866.0120sin ==?IlB F ca N
(2)IS P m =
B P M m
?= 沿O O '方向，大小为
22
1033.44
3-?===B l I ISB M m N ?
(3)磁力功 )(12ΦΦ-=I A
∵ 01=Φ B l 2
24
3=Φ ∴ 22
1033.4
4
3-?==B l I
A J 9-22 一正方形线圈，由细导线做成，边长为a ，共有N 匝，可以绕通过其相对两边中点的一个竖直轴自由转动．现在线圈中通有电流I ，并把线圈放在均匀的水平外磁场B
中，线圈对其转轴的转动惯量为J .求线圈绕其平衡位置作微小振动时的振动周期T .
解：设微振动时线圈振动角度为θ (>=<θB P m ,)，则
θθsin sin 2B NIa B P M m ==
由转动定律 θθθ
B NIa B NIa at
J 2222sin d -≈-= 即 022
2=+θθJ B
NIa dt
d ∴ 振动角频率 J B
NIa 2=ω
周期 IB
Na J T 222πωπ== 9-23 一长直导线通有电流1I ＝20A ，旁边放一导线ab ，其中通有电流2I =10A ，且两者共面，如题9-23图所示．求导线ab 所受作用力对O 点的力矩． 解：在ab 上取r d ，它受力 ab F ⊥
d 向上，大小为
r I
r I F πμ2d d 102=
F d 对O 点力矩F r M
?=d M
d 方向垂直纸面向外，大小为
r I
I F r M d 2d d 210π
μ==
??-?===b a b
a
r I I M M 6210106.3d 2d πμ m N ?
题9-23图
题9-24图
9-24 如题9-24图所示，一平面塑料圆盘，半径为R ，表面带有面密度为σ剩余电荷．假定圆盘绕其轴线A A '以角速度ω (rad ·s -1
)转动，磁场B 的方向垂直于转轴A A '．试
证磁场作用于圆盘的力矩的大小为4
4B
R M πσω=．(提示：将圆盘分成许多同心圆环来考虑．)
解：取圆环r r S d 2d π=，它等效电流
q T q I d 2d d πω==
r r S d d 2ωσσπ
ω
==
等效磁矩 r r I r P m d d d 3
2πωσπ==
受到磁力矩 B P M m ?=d d ，方向⊥纸面向内，大小为
rB r B P M m d d d 3πωσ=?=
4d d 403
B
R r r B M M R
πσωπωσ===??
9-25 电子在B =70×10-4
T
r =3.0cm ．已知B 垂直于纸面向外，某时刻电子在A 点，速度v
向上，如题9-25图．
(1) 试画出这电子运动的轨道；
(2) 求这电子速度v
的大小；
(3)求这电子的动能k E ．
题9-25图
解：(1)轨迹如图
(2)∵ r
v m evB 2
=
∴ 7107.3?==m eBr
v 1s m -?
(3) 16
2K 102.62
1-?==mv E J
9-26 一电子在B =20×10-4
T R =2.0cm
h=5.0cm ，如题9-26
(1)
(2)磁场B
的方向如何?
解: (1)∵ eB
mv R θ
cos =
θπcos 2v eB
m
h =
题9-26 图
∴ 62
21057.7)2()(
?=+=
m
eBh m eBR v π1s m -? (2)磁场B
的方向沿螺旋线轴线．或向上或向下，由电子旋转方向确定．
9-27 在霍耳效应实验中，一宽1.0cm ，长4.0cm ，厚1.0×10-3
cm
3.0A 的电流，当磁感应强度大小为B =1.5T 的磁场垂直地通过该导体时，产生
1.0×10-5
V 的横向电压．试求： (1) 载流子的漂移速度； (2) 每立方米的载流子数目．
解: (1)∵ evB eE H =
∴lB
U B E v H
H ==
l 为导体宽度，0.1=l cm ∴ 425
107.65
.110100.1---?=??==
lB U v H -1s m ? (2)∵ nevS I =
∴ evS
I
n =
5
24191010107.6106.13
----?????=
29108.2?=3
m -
9-28 两种不同磁性材料做成的小棒，放在磁铁的两个磁极之间，小棒被磁化后在磁极间处于不同的方位，如题9-28图所示．试指出哪一个是由顺磁质材料做成的，哪一个是由抗磁质材料做成的? 解: 见题9-28图所示.
题9-28图题9-29图
9-29 题9-29图中的三条线表示三种不同磁介质的H B -关系曲线，虚线是B =H 0μ关系的曲线，试指出哪一条是表示顺磁质?哪一条是表示抗磁质?哪一条是表示铁磁质?
答: 曲线Ⅱ是顺磁质，曲线Ⅲ是抗磁质，曲线Ⅰ是铁磁质．
9-30 螺绕环中心周长L =10cm ，环上线圈匝数N =200匝，线圈中通有电流I =100 mA ．
(1)当管内是真空时，求管中心的磁场强度H
和磁感应强度0B ；
(2)若环内充满相对磁导率r μ=4200的磁性物质，则管内的B
和H 各是多少?
*(3)磁性物质中心处由导线中传导电流产生的0B 和由磁化电流产生的B
′各是多少?
解: (1) I l H l
∑=??
d
NI HL = 200==L
NI H 1m A -?
400105.2-?==H B μT
(2)200=H
1m A -?05.1===H H B o r μμμ T
(3)由传导电流产生的0B 即(1)中的4
0105.2-?=B T ∴由磁化电流产生的05.10≈-='B B B T
9-31 螺绕环的导线内通有电流20A ，利用冲击电流计测得环内磁感应强度的大小是1.0 Wb ·m -2
．已知环的平均周长是40cm ，绕有导线400
(1) 磁场强度； (2) 磁化强度； *(3)磁化率；
*(4)相对磁导率． 解: (1)4102?==
=I l
N
nI H 1m A -?
(2)501076.7?≈-=
H B
M μ1m A -?
(3)8.38≈=H
M
x m
(4)相对磁导率 8.391=+=m r x μ
9-32 一铁制的螺绕环，其平均圆周长L =30cm ，截面积为1.0 cm 2，在环上均匀绕以300匝导线，当绕组内的电流为0.032安培时，环内的磁通量为2.0×10-6
Wb
(1)环内的平均磁通量密度；
(2)圆环截面中心处的磁场强度； 解: (1) 2102-?=Φ
=
S B
T (2) 0d NI l H =??
320
==
L
NI H 1m A -? 题9-33图
*9-33 试证明任何长度的沿轴向磁化的磁棒的中垂面上，侧表面内、外两点1，2的磁场强度H 相等(这提供了一种测量磁棒内部磁场强度H 的方法)，如题9-33图所示．这两点的磁感应强度相等吗?
解: ∵ 磁化棒表面没有传导电流，取矩形回路abcd
则 0d 21=-=??cd H ab H l H l
∴ 12H H =
这两点的磁感应强度20211,H B H B μμ==
∴ 21B B ≠
习题十
10-1 一半径r =10cm B =0.8T 的均匀磁场中．回路平面与B 垂直．当回路半径以恒定速率t
r
d d =80cm ·s -1 收缩时，求回路中感应电动势的大小．
解: 回路磁通 2
πr B BS m ==Φ
感应电动势大小
40.0d d π2)π(d d d d 2====
t
r
r B r B t t m Φε V 10-2 一对互相垂直的相等的半圆形导线构成回路，半径R =5cm ，如题10-2图所示．均匀磁场B =80×10-3
T ，B 的方向与两半圆的公共直径(在Oz 轴上)垂直，且与两个半圆构成相等的角α 当磁场在5ms 内均匀降为零时，求回路中的感应电动势的大小及方向．
解: 取半圆形cba 法向为i
， 题10-2图
则 αΦcos 2π2
1B R m = 同理，半圆形adc 法向为j
，则
αΦcos 2
π22
B R m
=
∵ B 与i 夹角和B 与j
夹角相等，
∴ ?=45α
则 αΦcos π2
R B m =
221089.8d d cos πd d -?-=-=Φ-=t
B R t m αεV
方向与cbadc 相反，即顺时针方向．
题10-3图
*10-3 如题10-3图所示，一根导线弯成抛物线形状y =2
ax ，放在均匀磁场中．B
与xOy 平面垂直，细杆CD 平行于x 轴并以加速度a 从抛物线的底部向开口处作平动．求CD 距O 点为y 处时回路中产生的感应电动势． 解: 计算抛物线与CD 组成的面积内的磁通量
?
?=-==a
y m y B x x y B S B 0
2
3
2
322d )(2d 2α
αΦ
∴ v y B t y y B t m 2
1
212d d d d α
αε-=-=Φ-=
∵ ay v 22
=
∴ 2
12y a v =
则 α
α
εa
By
y a y
B
i
8222
12
1-=-
= i ε实际方向沿ODC ．
题10-4图
10-4 如题10-4图所示，载有电流I 的长直导线附近，放一导体半圆环MeN 与长直导线共面，且端点MN 的连线与长直导线垂直．半圆环的半径为b ，环心O 与导线相距a ．设半圆环以速度v 平行导线平移．求半圆环内感应电动势的大小和方向及MN 两端的电压 N M U U -．
解: 作辅助线MN ，则在MeNM 回路中，沿v
方向运动时0d =m Φ ∴ 0=MeNM ε 即 MN MeN εε= 又∵ 0cos d ln 02a b
MN a b
Iv a b
vB l a b
μεππ+--==
<+?
所以MeN ε沿NeM 方向，
大小为
b
a b a Iv -+ln 20πμ M 点电势高于N 点电势，即
b
a b
a Iv U U N M -+=
-ln 20πμ 题10-5图
10-5如题10-5所示，在两平行载流的无限长直导线的平面内有一矩形线圈．两导线中的电流方向相反、大小相等，且电流以t
I
d d 的变化率增大，求： (1)
(2)
解: 以向外磁通为正则
(1) ]ln [ln
π2d π2d π2000d
a
d b a b Il
r l r I
r l r I
a
b b a
d d m
+-+=
-=?
?
++μμμΦ
(2) t
I
b a b d a d l t d d ]ln [ln π2d d 0+-+=-=μΦε
10-6 如题10-6图所示，用一根硬导线弯成半径为r 的一个半圆．令这半圆形导线在磁场中以频率f 绕图中半圆的直径旋转．整个电路的电阻为R ．求：感应电流的最
大值．
题10-6图
解: )cos(2
π02
?ωΦ+=?=t r B S B m ∴ Bf
r f r B r B t r B t m m i 222
202ππ22π2π)
sin(2
πd d ===+=-=ωε?ωωΦε
∴ R
Bf r R I m 22π==ε 10-7 如题10-7图所示，长直导线通以电流I =5A ，在其右方放一长方形线圈，两者共面．线圈长b =0.06m ，宽a =0.04m ，线圈以速度v =0.03m ·s -1
d =0.05m 时线圈中感应电动势的大小和方向．
题10-7图
解: AB 、CD 运动速度v
方向与磁力线平行，不产生感应电动势． DA 产生电动势
?==??=A
D
I
vb
vBb l B v d
2d )(01πμε
BC 产生电动势
)
(π2d )(02d a I
vb
l B v C
B
+-=??=?με
∴回路中总感应电动势
8021106.1)11
(π2-?=+-=
+=a
d d Ibv μεεε V 方向沿顺时针．
10-8 长度为l 的金属杆ab 以速率v 在导电轨道abcd 上平行移动．已知导轨处于均匀磁场B 中，B 的方向与回路的法线成60°角(如题10-8图所示)，B
的大小为B =kt (k 为正常)．设t =0时杆位于cd 处，求：任一时刻t 导线回路中感应电动势的大小和方向．
解: ?==?=?=2
22
12160cos d klvt lv kt Blvt S B m Φ
∴ klvt t
m
-=-=d d Φε 即沿abcd 方向顺时针方向．
题10-8图
10-9 一矩形导线框以恒定的加速度向右穿过一均匀磁场区，B
的方向如题10-9图所示．取逆时针方向为电流正方向，画出线框中电流与时间的关系(设导线框刚进入磁场区时t =0)．
解: 如图逆时针为矩形导线框正向，则进入时0d d <Φ
t
,0>ε； 题10-9图(a)题10-9图(b)
在磁场中时0d d =t
Φ
,0=ε； 出场时
0d d >t
Φ
，0<ε，故t I -曲线如题10-9图(b)所示.
题10-10图
10-10 导线ab 长为l ，绕过O 点的垂直轴以匀角速ω转动，aO =3
l
磁感应强度B 平行于转轴，如图10-10所示．试求： （1）ab 两端的电势差； （2）b a ,两端哪一点电势高? 解: (1)在Ob 上取dr r r
+→一小段
则 ?=
=
320
2
9
2d l Ob l B r rB ωωε 同理 ?=
=30218
1
d l
Oa l B r rB ωωε ∴ 226
1
)92181(l B l B Ob aO ab ωωεεε=+-=+=
(2)∵ 0>ab ε 即0<-b a U U ∴b 点电势高．
题10-11图
10-11 如题10-11图所示，长度为b 2的金属杆位于两无限长直导线所在平面的正中间，并以速度v
平行于两直导线运动．两直导线通以大小相等、方向相反的电流I ，两导线相距2a ．试求：金属杆两端的电势差及其方向． 解：在金属杆上取r d 距左边直导线为r ，则
b
a b a Iv r r a r Iv l B v b a b a B
A A
B -+-=-+-=??=??+-ln d )211(2d )(00πμπμε
∵ 0 ∴实际上感应电动势方向从A B →，即从图中从右向左， ∴ b a b a Iv U AB -+=ln 0πμ 题10-12图 10-12 磁感应强度为B 的均匀磁场充满一半径为R 的圆柱形空间，一金属杆放在题10-12图中位置，杆长为2R ，其中一半位于磁场内、另一半在磁场外．当t B d d ＞0时， 求：杆两端的感应电动势的大小和方向． 解： ∵ bc ab ac εεε+= t B R B R t t ab d d 43]43[d d d d 21=--=- =Φε =-=t ab d d 2Φεt B R B R t d d 12π]12π[d d 22=-- ∴ t B R R ac d d ]12π43[22+=ε ∵ 0d d >t B ∴ 0>ac ε即ε从c a → 10-13 半径为R 的直螺线管中，有dt dB ＞0的磁场，一任意闭合导线abca ，一部分在螺线管内绷直成ab 弦，a ,b 两点与螺线管绝缘，如题10-13图所示．设ab =R ，试求：闭合导线中的感应电动势． 解：如图，闭合导线abca 内磁通量 )4 36π(2 2R R B S B m -=?= Φ ∴ t B R R i d d )436π(22--=ε ∵ 0d d >t B ∴0 题10-13图题10-14图 10-14 如题10-14图所示，在垂直于直螺线管管轴的平面上放置导体ab 于直径位置，另一导体cd 在一弦上，导体均与螺线管绝缘．当螺线管接通电源的一瞬间管内磁场如题10-14 习题八 8-1 电量都是q 的三个点电荷，分别放在正三角形的三个顶点．试问：(1)在这三角形的中心放一个什么样的电荷，就可以使这四个电荷都达到平衡(即每个电荷受其他三个电荷的库仑力之和都为零)?(2)这种平衡与三角形的边长有无关系? 解: 如题8-1图示 (1) 以A 处点电荷为研究对象，由力平衡知：q '为负电荷 2 220)3 3( π4130cos π412a q q a q '=?εε 解得 q q 3 3- =' (2)与三角形边长无关． 题8-1图 题8-2图 8-2 两小球的质量都是m ，都用长为l 的细绳挂在同一点，它们带有相同电量，静止时两线夹角为2θ ,如题8-2图所示．设小球的半径和线的质量都可以忽略不计，求每个小球所带的电量． 解: 如题8-2图示 ?? ? ?? ===220)sin 2(π41 sin cos θεθθl q F T mg T e 解得 θπεθtan 4sin 20mg l q = 8-3 根据点电荷场强公式2 04r q E πε= ，当被考察的场点距源点电荷很近(r →0)时，则场强→∞，这是没有物理意义的，对此应如何理解? 解: 02 0π4r r q E ε= 仅对点电荷成立，当0→r 时，带电体不能再视为点电 荷，再用上式求场强是错误的，实际带电体有一定形状大小，考虑电荷在带电体上的分布求出的场强不会是无限大． 8-4 在真空中有A ，B 两平行板，相对距离为d ，板面积为S ，其带电量分别为+q 和-q ．则这两板之间有相互作用力f ，有人说f = 2 024d q πε,又有人 说，因为f =qE ,S q E 0ε=，所以f =S q 02 ε．试问这两种说法对吗?为什么? f 到底应等于多少? 解: 题中的两种说法均不对．第一种说法中把两带电板视为点电荷是不对的，第二种说法把合场强S q E 0ε= 看成是一个带电板在另一带电板处的场强也是不对的．正确解答应为一个板的电场为S q E 02ε= ，另一板受它的作用 力S q S q q f 02 022εε= =，这是两板间相互作用的电场力． 8-5 一电偶极子的电矩为l q p =，场点到偶极子中心O 点的距离为r ,矢量r 与l 的夹角为θ,(见题8-5图)，且l r >>．试证P 点的场强E 在r 方向上的分量r E 和垂直于r 的分量θE 分别为 r E = 302cos r p πεθ, θ E =3 04sin r p πεθ 证: 如题8-5所示，将p 分解为与r 平行的分量θsin p 和垂直于r 的分量 θsin p ． ∵ l r >> 大学物理习题及解答 8-1 电量都是q 的三个点电荷，分别放在正三角形的三个顶点．试问：(1)在这三角形的中心放一个什么样的电荷，就可以使这四个电荷都达到平衡(即每个电荷受其他三个电荷的库仑力之和都为零)?(2)这种平衡与三角形的边长有无关系? 解: 如题8-1图示 (1) 以A 处点电荷为研究对象，由力平衡知：q '为负电荷 20 220)33(π4130cos π412a q q a q '=?εε 解得 q q 33 - =' (2)与三角形边长无关． 题8-1图 题 8-2图 8-2 两小球的质量都是m ，都用长为l 的细绳挂在同一点，它们带有相同电量，静止时两线夹角为2θ,如题8-2图所示．设小球的半径和线的质量都可以忽略不计，求每个小球所带的电量． 解: 如题8-2图示 ????? ===22 0)sin 2(π41sin cos θεθθl q F T mg T e 解得 θ πεθtan 4sin 20mg l q = 8-3 根据点电荷场强公式 204r q E πε= ，当被考察的场点距源点电荷很近(r →0)时，则场强 →∞，这是没有物理意义的，对此应如何理解? 解: 2 0π4r r q E ε= 仅对点电荷成立，当0→r 时，带电体不能再视为点电荷，再用上式求 场强是错误的，实际带电体有一定形状大小，考虑电荷在带电体上的分布求出的场强不会是无限大． 8-4 在真空中有A ，B 两平行板，相对距离为d ，板面积为S ，其带电量分别为+q 和-q ．则 这两板之间有相互作用力f ，有人说f =2 02 4d q πε,又有人说，因为f =qE , S q E 0ε= ，所 大学物理学 习题答案 习题一答案 习题一 1.1 简要回答下列问题： (1) 位移和路程有何区别？在什么情况下二者的量值相等？在什么情况下二者的量值不相等？ (2)平均速度和平均速率有何区别？在什么情况下二者的量值相等？ (3)瞬时速度和平均速度的关系和区别是什么？瞬时速率和平均速率的关系和区别又是什么？ (4) 质点的位矢方向不变，它是否一定做直线运动？质点做直线运动，其位矢的方向是否一定保持不 变？ (5) r ?v 和r ?v 有区别吗？v ?v 和v ?v 有区别吗？0dv dt =v 和0d v dt =v 各代表什么运动？ (6) 设质点的运动方程为：()x x t = ，()y y t =，在计算质点的速度和加速度时，有人先求出 r = dr v dt =及22d r a dt = 而求得结果；又有人先计算速度和加速度的分量，再合成求得结果，即 v =及a =你认为两种方法哪一种正确？两者区别何在？ (7)如果一质点的加速度与时间的关系是线性的，那么，该质点的速度和位矢与时间的关系是否也是线性 的？ (8) “物体做曲线运动时，速度方向一定在运动轨道的切线方向，法向分速度恒为零，因此其法向加速 度也一定为零.”这种说法正确吗？ (9)任意平面曲线运动的加速度的方向总指向曲线凹进那一侧，为什么？ (10)质点沿圆周运动，且速率随时间均匀增大，n a 、t a 、a 三者的大小是否随时间改变？ (11)一个人在以恒定速度运动的火车上竖直向上抛出一石子，此石子能否落回他的手中？如果石子抛出后，火车以恒定加速度前进，结果又如何？ 一质点沿x 轴运动，坐标与时间的变化关系为224t t x -=，式中t x ,分别以m 、s 为单位，试计算：(1)在最初s 2内的位移、平均速度和s 2末的瞬时速度；(2)s 1末到s 3末的平均加速度；(3)s 3末的瞬时加速度。 解： 习 题 四 4-1 质量为m =的弹丸，其出口速率为300s m ，设弹丸在枪筒中前进所受到的合力 9800400x F -=。开抢时，子弹在x =0处，试求枪筒的长度。 [解] 设枪筒长度为L ，由动能定理知 2022121mv mv A -= 其中??-==L L dx x Fdx A 00)9 8000400( 9 40004002 L L - = 而00=v ， 所以有： 22 300002.05.09 4000400??=-L L 化简可得： m 45.00 813604002==+-L L L 即枪筒长度为。 4-2 在光滑的水平桌面上平放有如图所示的固定的半圆形屏障。质量为m 的滑块以初速度0v 沿切线方向进入屏障内，滑块与屏障间的摩擦系数为μ，试证明：当滑块从屏障的另一端滑出时，摩擦力所作的功为() 12 1220-= -πμe mv W [证明] 物体受力：屏障对它的压力N ，方向指向圆心，摩擦力f 方向与运动方向相反，大小为 N f μ= (1) 另外，在竖直方向上受重力和水平桌面的支撑力，二者互相平衡与运动无关。 由牛顿运动定律 切向 t ma f =- (2) 法向 R v m N 2 = (3) 联立上述三式解得 R v a 2 t μ-= 又 s v v t s s v t v a d d d d d d d d t === 所以 R v s v v 2 d d μ -= 即 s R v v d d μ-= 两边积分，且利用初始条件s =0时，0v v =得 0ln ln v s R v +- =μ 即 s R e v v μ -=0 由动能定理 2 022 121mv mv W -= ，当滑块从另一端滑出即R s π=时，摩擦力所做的功为 () 12 1212122020220-=-=--πμ πμ e mv mv e mv W R R 4-3 质量为m 的质点开始处于静止状态，在外力F 的作用下沿直线运动。已知 T t F F π2sin 0=，方向与直线平行。求：(1)在0到T 的时间内，力F 的冲量的大小；(2)在0到2T 时间内，力F 冲量的大小；(3)在0到2T 时间内，力F 所作的总功；(4)讨论质点的运动情况。 [解]由冲量的定义?=1 2 d t t t F I ，在直线情况下，求冲量I 的大小可用代数量的积分，即 ?= 1 2 d t t t F I (1) 从t ＝0到 t=T ，冲量的大小为： ?= =T t F I 01d ?-=T T T t T F t T t F 0 00]2cos [2d 2sin πππ=0 (2) 从t =0到 t =T /2，冲量的大小为 π πππ0000 0022 2 2]2cos [2d 2sin d TF T t T F t T t F t F I T T T =-=== ?? (3) 初速度00=v ，由冲量定理 0mv mv I -= 当 t =T /2时，质点的速度m TF m I v π0== 又由动能定理，力F 所作的功 m F T m F mT mv mv mv A 22022 22022 20222212121ππ===-= (4) 质点的加速度)/2sin()/(0T t m F a π=，在t =0到t =T /2时间内，a >0，质点 作初速度为零的加速运动，t =T /2时，a =0，速度达到最大；在t =T /2到t =T 时间内，a <0，但v >0，故质点作减速运动，t =T 时 a =0，速度达到最小，等于零；此后，质点又进行下一 习题八 8-1 电量都是q的三个点电荷，分别放在正三角形的三个顶点．试问：(1)在这三角形的中心放一个什么样的电荷，就可以使这四个电荷都达到平衡(即每个电荷受其他三个电荷的库仑力之和都为零)?(2)这种平衡与三角形的边长有无关系? 解: 如题8-1图示 (1) 以A处点电荷为研究对象，由力平衡知：q'为负电荷 2 2 2 0) 3 3 ( π4 1 30 cos π4 1 2 a q q a q' = ? ε ε 解得q q 3 3 - =' (2)与三角形边长无关． 题8-1图题8-2图 8-7 一个半径为R的均匀带电半圆环，电荷线密度为λ,求环心处O点的场强． 解: 如8-7图在圆上取? Rd dl= 题8-7图 ? λ λd d d R l q= =，它在O点产生场强大小为 2 0π4d d R R E ε? λ= 方向沿半径向外 则 ??ελ ?d sin π4sin d d 0R E E x = = ??ελ ?πd cos π4)cos(d d 0R E E y -= -= 积分R R E x 000 π2d sin π4ελ ??ελπ == ? 0d cos π400 =-=? ??ελ π R E y ∴ R E E x 0π2ελ = =，方向沿x 轴正向． 8-11 半径为1R 和2R (2R ＞1R )的两无限长同轴圆柱面，单位长度上分别带有电量λ和-λ,试求:(1)r ＜1R ；(2) 1R ＜r ＜2R ；(3) r ＞2R 处各点的场强． 解: 高斯定理0 d ε∑? = ?q S E s 取同轴圆柱形高斯面，侧面积rl S π2= 则 rl E S E S π2d =?? 对(1) 1R r < 0,0==∑E q (2) 21R r R << λl q =∑ ∴ r E 0π2ελ = 沿径向向外 习 题 1 1.1选择题 (1) 一运动质点在某瞬时位于矢径),(y x r 的端点处，其速度大小为 (A)dt dr (B)dt r d (C)dt r d | | (D) 22)()(dt dy dt dx [答案：D] (2) 一质点作直线运动，某时刻的瞬时速度s m v /2 ，瞬时加速度 2/2s m a ，则一秒钟后质点的速度 (A)等于零 (B)等于-2m/s (C)等于2m/s (D)不能确定。 [答案：D] (3) 一质点沿半径为R 的圆周作匀速率运动，每t 秒转一圈，在2t 时间间隔中，其平均速度大小和平均速率大小分别为 (A) t R t R 2, 2 (B) t R 2,0 (C) 0,0 (D) 0,2t R [答案：B] 1.2填空题 (1) 一质点，以1 s m 的匀速率作半径为5m 的圆周运动，则该质点在5s 内，位移的大小是 ；经过的路程是 。 [答案： 10m ； 5πm] (2) 一质点沿x 方向运动，其加速度随时间的变化关系为a=3+2t (SI)，如果初 始时刻质点的速度v 0为5m ·s -1 ，则当t 为3s 时，质点的速度v= 。 [答案： 23m ·s -1 ] (3) 轮船在水上以相对于水的速度1V 航行，水流速度为2V ，一人相对于甲板以 速度3V 行走。如人相对于岸静止，则1V 、2V 和3V 的关系是 。 [答案： 0321 V V V ] 1.3 一个物体能否被看作质点，你认为主要由以下三个因素中哪个因素决定： (1) 物体的大小和形状； (2) 物体的内部结构； (3) 所研究问题的性质。 解：只有当物体的尺寸远小于其运动范围时才可忽略其大小的影响，因此主要由所研究问题的性质决定。 1.4 下面几个质点运动学方程，哪个是匀变速直线运动？ （1）x=4t-3；（2）x=-4t 3+3t 2+6；（3）x=-2t 2+8t+4；（4）x=2/t 2-4/t 。 给出这个匀变速直线运动在t=3s 时的速度和加速度，并说明该时刻运动是加速的还是减速的。（x 单位为m ，t 单位为s ） 解：匀变速直线运动即加速度为不等于零的常数时的运动。加速度又是位移对时间的两阶导数。于是可得（3）为匀变速直线运动。 其速度和加速度表达式分别为 t=3s 时的速度和加速度分别为v =20m/s ，a =4m/s 2。因加速度为正所以是加速的。 1.5 在以下几种运动中，质点的切向加速度、法向加速度以及加速度哪些为零 题1.1：已知质点沿x 轴作直线运动，其运动方程为3322)s m 2()s m 6(m 2t t x --?-?+= 。求（l ）质点在运动开始后s 0.4内位移的大小；（2）质点在该时间内所通过的路程。 题1.1解：（1）质点在4.0 s 内位移的大小 m 3204-=-=?x x x （2）由 0)s m 6()s m 12(d d 232=?-?=--t t t x 得知质点的换向时刻为 ｓ2=P t （t = 0不合题意） 则：m 0.8021=-=?x x x m 40x 242-=-=?x x 所以，质点在4.0 s 时间间隔内的路程为 m 4821=?+?=x x s 题1.2：一质点沿x 轴方向作直线运动，其速度与时间的关系如图所示。设0=t 时，0=x 。试根据已知的图t v -，画出t a -图以及t x -图。 题1.2解：将曲线分为AB 、BC 、CD 三个过程，它们对应的加速度值分别为 2A B A B AB s m 20-?=--=t t v v a （匀加速直线运动） 0BC =a （匀速直线） 2C D C D CD s m 10-?-=--= t t v v a （匀减速直线运动） 根据上述结果即可作出质点的a －t 图 在匀变速直线运动中，有 2002 1at t v x x + += 间内，质点是作v = 201s m -?的匀速直线运动，其x －t 图是斜率k = 20的一段直线。 题1.3：如图所示，湖中有一小船。岸上有人用绳跨过定滑轮拉船靠岸。设滑轮距水面高度为h ，滑轮到原船位置的绳长为0l ，试求：当人以匀速v 拉绳，船运动的速度v '为多少？ 《大学物理学》课后习题参考答案 习 题1 1-1. 已知质点位矢随时间变化的函数形式为 )ωt sin ωt (cos j i +=R r 其中ω为常量．求：（1）质点的轨道；(2)速度和速率。 解：1） 由)ωt sin ωt (cos j i +=R r 知 t cos R x ω= t sin R y ω= 消去t 可得轨道方程 222R y x =+ 2） j r v t Rcos sin ωωt ωR ωdt d +-== i R ωt ωR ωt ωR ωv =+-=2 122 ])cos ()sin [( 1-2. 已知质点位矢随时间变化的函数形式为j i r )t 23(t 42++=，式中r 的单位为m ，t 的单位为s .求： （1）质点的轨道；（2）从0=t 到1=t 秒的位移；（3）0=t 和1=t 秒两时刻的速度。 解：1）由j i r )t 23(t 42++=可知 2t 4x = t 23y += 消去t 得轨道方程为：2)3y (x -= 2）j i r v 2t 8dt d +== j i j i v r 24)dt 2t 8(dt 1 1 +=+==??Δ 3） j v 2(0)= j i v 28(1)+= 1-3. 已知质点位矢随时间变化的函数形式为j i r t t 22+=，式中r 的单位为m ，t 的单 位为s .求：（1）任一时刻的速度和加速度；（2）任一时刻的切向加速度和法向加速度。 解：1）j i r v 2t 2dt d +== i v a 2dt d == 2）21 22 12)1t (2] 4)t 2[(v +=+= 1 t t 2dt dv a 2 t +== n a == 1-4. 一升降机以加速度a 上升，在上升过程中有一螺钉从天花板上松落，升降机的天花板与底板相距为d ，求螺钉从天花板落到底板上所需的时间。 解：以地面为参照系，坐标如图，升降机与螺丝的运动方程分别为 2012 1 at t v y += （1） 图 1-4 2022 1 gt t v h y -+= （2） 21y y = （3） 解之 t = 1-5. 一质量为m 的小球在高度h 处以初速度0v 水平抛出，求： （1）小球的运动方程； （2）小球在落地之前的轨迹方程； （3）落地前瞬时小球的t d d r ，t d d v ，t v d d . 解：（1） t v x 0= 式（1） 2gt 2 1 h y -= 式（2） j i r )gt 2 1 -h (t v (t)20+= （2）联立式（1）、式（2）得 2 02 v 2gx h y -= （3） j i r gt -v t d d 0= 而 落地所用时间 g h 2t = 大学物理课后习题答案第六章 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 第6章 真空中的静电场 习题及答案 1. 电荷为q +和q 2-的两个点电荷分别置于1=x m 和1-=x m 处。一试验电荷置于x 轴上何处，它受到的合力等于零？ 解：根据两个点电荷对试验电荷的库仑力的大小及方向可以断定，只有试验电荷0q 位于点电荷q +的右侧，它受到的合力才可能为0，所以 2 00 200)1(π4)1(π42-=+x qq x qq εε 故 223+=x 2. 电量都是q 的三个点电荷，分别放在正三角形的三个顶点。试问：(1)在这三角形的中心放一个什么样的电荷，就可以使这四个电荷都达到平衡(即每个电荷受其他三个电荷的库仑力之和都为零)?(2)这种平衡与三角形的边长有无关系? 解：(1) 以A 处点电荷为研究对象，由力平衡知，q '为负电荷，所以 2 220)3 3(π4130cos π412a q q a q '=?εε 故 q q 3 3- =' (2)与三角形边长无关。 3. 如图所示，半径为R 、电荷线密度为1λ的一个均匀带电圆环，在其轴线上放一长为 l 、电荷线密度为2λ的均匀带电直线段，该线段的一端处于圆环中心处。求该直线段受到的 电场力。 解：先求均匀带电圆环在其轴线上产生的场强。在带电圆环上取dl dq 1λ=，dq 在带电圆环轴线上x 处产生的场强大小为 ) (4220R x dq dE += πε 根据电荷分布的对称性知，0==z y E E 2 3220)(41 cos R x xdq dE dE x += =πεθ R O λ1 λ2 l x y z 大学物理第三版下册 答案 习题八 8-1 电量都是q的三个点电荷，分别放在正三角形的三个顶点．试问：(1)在这三角形的中心放一个什么样的电荷，就可以使这四个电荷都达到平衡(即每个电荷受其他三个电荷的库仑力之和都为零)?(2)这种平衡与三角形的边长有无关系? 解: 如题8-1图示 (1) 以A处点电荷为研究对象，由力平衡知：q'为负电荷 2 2 2 0) 3 3 ( π4 1 30 cos π4 1 2 a q q a q' = ? ε ε 解得q q 3 3 - =' (2)与三角形边长无关． 题8-1图题8-2图 8-2 两小球的质量都是m，都用长为l的细绳挂在同一点，它们带有相同电量，静止时两线夹角为2θ ,如题8-2图所示．设小球的半径和线的质量都可以忽略不计，求每个小球所带的电量． 解: 如题8-2图示 ?? ? ? ? = = = 2 2 ) sin 2( π4 1 sin cos θ ε θ θ l q F T mg T e 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢103 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢103 解得 θπεθtan 4sin 20mg l q = 8-3 根据点电荷场强公式2 04r q E πε= ，当被考察的场点距源点电荷 很近(r →0)时，则场强→∞，这是没有物理意义的，对此应如何理解? 解: 02 0π4r r q E ε= 仅对点电荷成立，当0→r 时，带电体不能再视为点电 荷，再用上式求场强是错误的，实际带电体有一定形状大小，考虑电荷在带电体上的分布求出的场强不会是无限大． 8-4 在真空中有A ，B 两平行板，相对距离为d ，板面积为S ，其带电量分别为+q 和-q ．则这两板之间有相互作用力f ，有人说 f = 2 02 4d q πε,又有人说，因为f =qE ,S q E 0ε=，所以f =S q 02 ε．试问这两种说法对吗?为什么? f 到底应等于多少? 解: 题中的两种说法均不对．第一种说法中把两带电板视为点电荷是不对的，第二种说法把合场强S q E 0ε= 看成是一个带电板在另一带电板处的场强也是不对的．正确解答应为一个板的电场为S q E 02ε= ，另一板受它的作 用力S q S q q f 02 022εε= =，这是两板间相互作用的电场力． 大学物理(上)课后习题答案 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 2 3 第1章 质点运动学 P21 1.8 一质点在xOy 平面上运动，运动方程为：x =3t +5, y = 2 1t 2 +3t -4. 式中t 以 s 计，x ,y 以m 计。⑴以时间t 为变量，写出质点位置矢量的表示式；⑵求出t =1 s 时刻和t ＝2s 时刻的位置矢量，计算这1秒内质点的位移；⑶ 计算t ＝0 s 时刻到t ＝4s 时刻内的平均速度；⑷求出质点速度矢量表示式，计算t ＝4 s 时质点的速度；(5)计算t ＝0s 到t ＝4s 内质点的平均加速度；(6)求出质点加速度矢量的表示式，计算t ＝4s 时质点的加速度(请把位置矢量、位移、平均速度、瞬时速度、平均加速度、瞬时加速度都表示成直角坐标系中的矢量式)。 解：（1）j t t i t r )432 1()53(2 m ⑵ 1 t s,2 t s 时，j i r 5.081 m ；2114r i j v v v m ∴ 213 4.5r r r i j v v v v v m ⑶0t s 时，054r i j v v v ；4t s 时，41716r i j v v v ∴ 140122035m s 404r r r i j i j t v v v v v v v v v ⑷ 1 d 3(3)m s d r i t j t v v v v v ，则：437i j v v v v 1s m (5) 0t s 时，033i j v v v v ；4t s 时，437i j v v v v 24041 m s 44 j a j t v v v v v v v v v (6) 2d 1 m s d a j t v v v v 这说明该点只有y 方向的加速度，且为恒量。 1.9 质点沿x 轴运动，其加速度和位置的关系为2 26a x ，a 的单位为m/s 2， x 的单位为m 。质点在x =0处，速度为10m/s,试求质点在任何坐标处的速度值。 解：由d d d d d d d d x a t x t x v v v v 得：2 d d (26)d a x x x v v 两边积分 210 d (26)d x x x v v v 得：2322250x x v ∴ 31225 m s x x v 1.11 一质点沿半径为1 m 的圆周运动，运动方程为 =2+33t ，式中 以弧度计，t 以秒计，求：⑴ t ＝2 s 时，质点的切向和法向加速度；⑵当加速度 的方向和半径成45°角时，其角位移是多少? 解： t t t t 18d d ,9d d 2 ⑴ s 2 t 时，2 s m 362181 R a 2 222s m 1296)29(1 R a n ⑵ 当加速度方向与半径成ο45角时，有：tan 451n a a 即： R R 2 ，亦即t t 18)9(2 2 ，解得：9 2 3 t 则角位移为：32 2323 2.67rad 9 t 1.13 一质点在半径为0.4m 的圆形轨道上自静止开始作匀角加速度转动，其角加速度为 =0.2 rad/s 2，求t ＝2s 时边缘上各点的速度、法向加速度、切向加速度和合加速度。 解：s 2 t 时，4.02 2.0 t 1s rad 则0.40.40.16R v 1s m 064.0)4.0(4.022 R a n 2 s m 0.40.20.08a R 2 s m 22222s m 102.0)08.0()064.0( a a a n 与切向夹角arctan()0.0640.0843n a a 大学物理学第三版修订版下册第章答案(赵近芳) ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 习题11 11.1选择题 (1）一圆形线圈在磁场中作下列运动时，那些情况会产生感应电流（） （A ）沿垂直磁场方向平移；（B ）以直径为轴转动，轴跟磁场垂直； （C ）沿平行磁场方向平移；（D ）以直径为轴转动，轴跟磁场平行。 [答案：B] (2)下列哪些矢量场为保守力场（） （A ） 静电场；（B ）稳恒磁场；（C ）感生电场；（D ）变化的磁场。 [答案：A] (3) 用线圈的自感系数 L 来表示载流线圈磁场能量的公式22 1LI W m =（） ( A )只适用于无限长密绕线管； ( B ) 只适用于一个匝数很多，且密绕的螺线环； ( C ) 只适用于单匝圆线圈； ( D )适用于自感系数L 一定的任意线圈。 [答案：D] (4)对于涡旋电场，下列说法不正确的是（）： （A ）涡旋电场对电荷有作用力； （B ）涡旋电场由变化的磁场产生； （C ）涡旋场由电荷激发； （D ）涡旋电场的电力线闭合的。 [答案：C] 11.2 填空题 (1)将金属圆环从磁极间沿与磁感应强度垂直的方向抽出时，圆环将受到 。 [答案：磁力] (2)产生动生电动势的非静电场力是 ，产生感生电动势的非静电场力是 ，激发感生电场的场源是 。 [答案：洛伦兹力，涡旋电场力，变化的磁场] (3)长为l 的金属直导线在垂直于均匀的平面内以角速度ω转动，如果转轴的位置在 ，这个导线上的电动势最大，数值为 ；如果转轴的位置在 ，整个导线上的电动势最小，数值为 。 [答案：端点，2 2 1l B ω；中点，0] 11.3一半径r =10cm 的圆形回路放在B =0.8T 的均匀磁场中．回路平面与B ? 垂直．当回路半 径以恒定速率 t r d d =80cm ·s -1 收缩时，求回路中感应电动势的大小． 解: 回路磁通 2 πr B BS m ==Φ 第9章 静电场 习 题 一 选择题 9-1 两个带有电量为2q 等量异号电荷，形状相同的金属小球A 和B 相互作用力为f ，它们之间的距离R 远大于小球本身的直径，现在用一个带有绝缘柄的原来不带电的相同的金属小球C 去和小球A 接触，再和B 接触，然后移去，则球A 和球B 之间的作用力变为[ ] (A) 4f (B) 8f (C) 38f (D) 16 f 答案：B 解析：经过碰撞后，球A 、B 带电量为2q ，根据库伦定律12204q q F r πε=，可知球A 、B 间的作用力变为 8 f 。 9-2关于电场强度定义式/F E =0q ，下列说法中哪个是正确的？[ ] (A) 电场场强E 的大小与试验电荷0q 的大小成反比 (B) 对场中某点，试验电荷受力F 与0q 的比值不因0q 而变 (C) 试验电荷受力F 的方向就是电场强度E 的方向 (D) 若场中某点不放试验电荷0q ，则0=F ，从而0=E 答案：B 解析：根据电场强度的定义，E 的大小与试验电荷无关，方向为试验电荷为正电荷时的受力方向。因而正确答案（B ） 9-3 如图9-3所示，任一闭合曲面S 内有一点电荷q ，O 为S 面上任一点，若将q 由闭合曲面内的P 点移到T 点，且 OP =OT ，那么[ ] (A) 穿过S 面的电场强度通量改变，O 点的场强大小不变 (B) 穿过S 面的电场强度通量改变，O 点的场强大小改变 习题9-3图 (C) 穿过S 面的电场强度通量不变，O 点的场强大小改变 (D) 穿过S 面的电场强度通量不变，O 点的场强大小不变 答案：D 解析：根据高斯定理，穿过闭合曲面的电场强度通量正比于面内电荷量的代数和，曲面S 内电荷量没变，因而电场强度通量不变。O 点电场强度大小与所有电荷有关，由点电荷电场强度大小的计算公式2 04q E r πε= ，移动电荷后，由于OP =OT ， 即r 没有变化，q 没有变化，因而电场强度大小不变。因而正确答案（D ） 9-4 在边长为a 的正立方体中心有一个电量为q 的点电荷，则通过该立方体任一面的电场强度通量为 [ ] (A) q /ε0 (B) q /2ε0 (C) q /4ε0 (D) q /6ε0 答案：D 解析：根据电场的高斯定理，通过该立方体的电场强度通量为q /ε0，并且电荷位于正立方体中心，因此通过立方体六个面的电场强度通量大小相等。因而通过该立方体任一面的电场强度通量为q /6ε0，答案（D ） 9-5 在静电场中，高斯定理告诉我们[ ] (A) 高斯面内不包围电荷，则面上各点E 的量值处处为零 (B) 高斯面上各点的E 只与面内电荷有关，但与面内电荷分布无关 (C) 穿过高斯面的E 通量，仅与面内电荷有关，而与面内电荷分布无关 (D) 穿过高斯面的E 通量为零，则面上各点的E 必为零 答案：C 解析：高斯定理表明通过闭合曲面的电场强度通量正比于曲面内部电荷量的代数和，与面内电荷分布无关；电场强度E 为矢量，却与空间中所有电荷大小与分布均有关。故答案（C ） 9-6 两个均匀带电的同心球面，半径分别为R 1、R 2(R 1 第一章质点运动学 1、(习题1.1)：一质点在xOy 平面内运动，运动函数为2 x =2t,y =4t 8-。（1）求质点的轨道方程；（2）求t =1 s t =2 s 和时质点的位置、速度和加速度。 解：（1）由x=2t 得， y=4t 2-8 可得： y=x 2 -8 即轨道曲线 （2）质点的位置 ： 2 2(48)r ti t j =+- 由d /d v r t =则速度： 28v i tj =+ 由d /d a v t =则加速度： 8a j = 则当t=1s 时，有 24,28,8r i j v i j a j =-=+= 当t=2s 时，有 48,216,8r i j v i j a j =+=+= 2、（习题1.2）： 质点沿x 在轴正向运动，加速度kv a -=，k 为常数．设从原点出发时速 度为0v ，求运动方程)(t x x =. 解： kv dt dv -= ??-=t v v kdt dv v 001 t k e v v -=0 t k e v dt dx -=0 dt e v dx t k t x -?? =0 00 )1(0 t k e k v x --= 3、一质点沿x 轴运动，其加速度为a = 4t (SI)，已知t = 0时，质点位于x 0=10 m 处，初速度v 0 = 0．试求其位置和时间的关系式． 解： =a d v /d t 4=t d v 4=t d t ? ?=v v 0 d 4d t t t v 2=t 2 v d =x /d t 2=t 2 t t x t x x d 2d 0 20 ?? = x 2= t 3 /3+10 (SI) 4、一质量为m 的小球在高度h 处以初速度0v 水平抛出，求： （1）小球的运动方程； （2）小球在落地之前的轨迹方程； （3）落地前瞬时小球的 d d r t ，d d v t ，t v d d . 解：（1） t v x 0= 式（1） 2gt 21h y -= 式（2） 201 ()(h -)2 r t v t i gt j =+ （2）联立式（1）、式（2）得 2 2 v 2gx h y -= （3） 0d -gt d r v i j t = 而落地所用时间 g h 2t = 所以 0d -2g h d r v i j t = d d v g j t =- 2 202y 2x )gt (v v v v -+=+= 21 20 212202)2(2])([gh v gh g gt v t g dt dv +=+= 第一章质点运动学 1、(习题 1.1)：一质点在xOy 平面内运动，运动函数为2 x =2t,y =4t 8-。（1）求质点的轨道方程；（2）求t =1 s t =2 s 和时质点的位置、速度和加速度。 解：（1）由x=2t 得， y=4t 2-8 可得： y=x 2 -8 即轨道曲线 （2）质点的位置 ： 2 2(48)r ti t j =+- 由d /d v r t =则速度： 28v i tj =+ 由d /d a v t =则加速度： 8a j = 则当t=1s 时，有 24,28,8r i j v i j a j =-=+= 当t=2s 时，有 48,216,8r i j v i j a j =+=+= 2、（习题1.2）： 质点沿x 在轴正向运动，加速度kv a -=，k 为常数．设从原点出发时 速度为0v ，求运动方程)(t x x =. 解： kv dt dv -= ??-=t v v kdt dv v 001 t k e v v -=0 t k e v dt dx -=0 dt e v dx t k t x -??=000 )1(0t k e k v x --= 3、一质点沿x 轴运动，其加速度为a = 4t (SI)，已知t = 0时，质点位于x 0=10 m 处，初速 度v 0 = 0．试求其位置和时间的关系式． 解： =a d v /d t 4=t d v 4=t d t ? ?=v v 0 d 4d t t t v 2=t 2 v d =x /d t 2=t 2 t t x t x x d 2d 0 20 ?? = x 2= t 3 /3+10 (SI) 4、一质量为m 的小球在高度h 处以初速度0v 水平抛出，求： （1）小球的运动方程； （2）小球在落地之前的轨迹方程； （3）落地前瞬时小球的 d d r t ，d d v t ，t v d d . 解：（1） t v x 0= 式（1） 2gt 21h y -= 式（2） 201 ()(h -)2 r t v t i gt j =+ （2）联立式（1）、式（2）得 2 2 v 2gx h y -= （3） 0d -gt d r v i j t = 而落地所用时间 g h 2t = 所以 0d -2gh d r v i j t = d d v g j t =- 2 202y 2x )gt (v v v v -+=+= 21 20 212202)2(2])([gh v gh g gt v t g dt dv +=+= 习题11 11.1选择题 (1）一圆形线圈在磁场中作下列运动时，那些情况会产生感应电流（） （A ）沿垂直磁场方向平移；（B ）以直径为轴转动，轴跟磁场垂直； （C ）沿平行磁场方向平移；（D ）以直径为轴转动，轴跟磁场平行。 [答案：B] (2)下列哪些矢量场为保守力场（） （A ） 静电场；（B ）稳恒磁场；（C ）感生电场；（D ）变化的磁场。 [答案：A] (3) 用线圈的自感系数 L 来表示载流线圈磁场能量的公式22 1LI W m =（） ( A )只适用于无限长密绕线管； ( B ) 只适用于一个匝数很多，且密绕的螺线环； ( C ) 只适用于单匝圆线圈； ( D )适用于自感系数L 一定的任意线圈。 [答案：D] (4)对于涡旋电场，下列说法不正确的是（）： （A ）涡旋电场对电荷有作用力； （B ）涡旋电场由变化的磁场产生； （C ）涡旋场由电荷激发； （D ）涡旋电场的电力线闭合的。 [答案：C] 11.2 填空题 (1)将金属圆环从磁极间沿与磁感应强度垂直的方向抽出时，圆环将受到 。 [答案：磁力] (2)产生动生电动势的非静电场力是 ，产生感生电动势的非静电场力是 ，激发感生电场的场源是 。 [答案：洛伦兹力，涡旋电场力，变化的磁场] (3)长为l 的金属直导线在垂直于均匀的平面内以角速度ω转动，如果转轴的位置在 ，这个导线上的电动势最大，数值为 ；如果转轴的位置在 ，整个导线上的电动势最小，数值为 。 [答案：端点，2 2 1l B ω；中点，0] 11.3一半径r =10cm 的圆形回路放在B =0.8T 的均匀磁场中．回路平面与B 垂直．当回路 半径以恒定速率 t r d d =80cm·s -1 收缩时，求回路中感应电动势的大小． 解: 回路磁通 2 πr B BS m ==Φ 物理学教程下册答案9-16 第九章 静 电 场 9－1 电荷面密度均为＋σ的两块“无限大”均匀带电的平行平板如图(A )放置，其周围空间各点电场强度E (设电场强度方向向右为正、向左为负)随位置坐标x 变化的关系曲线为图(B )中的( ) 题 9-1 图 分析与解 “无限大”均匀带电平板激发的电场强度为0 2εσ，方向沿带电平板法向向外，依照电场叠加原理可以求得各区域电场强度的大小和方向.因而正确答案为(B ). 9－2 下列说确的是( ) (A )闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面一定没有电荷 (B )闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面电荷的代数和必定为零 (C )闭合曲面的电通量为零时，曲面上各点的电场强度必定为零 (D )闭合曲面的电通量不为零时，曲面上任意一点的电场强度都不可能为零 分析与解 依照静电场中的高斯定理，闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面电荷的代数和必定为零，但不能肯定曲面一定没有电荷；闭合曲面的电通量为零时，表示穿入闭合曲面的电场线数等于穿出闭合曲面的电场线数或没有电场线穿过闭合曲面，不能确定曲面上各点的电场强度必定为零；同理闭合曲面的电通量不为零，也不能推断曲面上任意一点的电场强度都不可能为零，因而正确答案为(B ). 9－3 下列说确的是( ) (A) 电场强度为零的点，电势也一定为零 (B) 电场强度不为零的点，电势也一定不为零 (C) 电势为零的点，电场强度也一定为零 (D) 电势在某一区域为常量，则电场强度在该区域必定为零 分析与解电场强度与电势是描述电场的两个不同物理量，电场强度为零表示试验电荷在该点受到的电场力为零，电势为零表示将试验电荷从该点移到参考零电势点时，电场力作功为零.电场中一点的电势等于单位正电荷从该点沿任意路径到参考零电势点电场力所作的功；电场强度等于负电势梯度.因而正确答案为(D). *9－4在一个带负电的带电棒附近有一个电偶极子，其电偶极矩p的方向如图所示.当电偶极子被释放后，该电偶极子将( ) (A) 沿逆时针方向旋转直到电偶极矩p水平指向棒尖端而停止 (B) 沿逆时针方向旋转至电偶极矩p水平指向棒尖端，同时沿电场线方向朝着棒尖端移动 (C) 沿逆时针方向旋转至电偶极矩p水平指向棒尖端，同时逆电场线方向朝远离棒尖端移动 (D) 沿顺时针方向旋转至电偶极矩p 水平方向沿棒尖端朝外，同时沿电场线方向朝着棒尖端移动 题9-4 图 分析与解电偶极子在非均匀外电场中，除了受到力矩作用使得电偶极子指向电场方向外，还将受到一个指向电场强度增强方向的合力作用，因而正确答案为(B). 9－5精密实验表明，电子与质子电量差值的最大围不会超过±10－21e，而中子电量与零差值的最大围也不会超过±10－21e，由最极端的情况考虑，一个有8个电子，8个质子和8个中子构成的氧原子所带的最大可能净电荷是多少？若将原子视作质点，试比较两个氧原子间的库仑力和万有引力的大小. 分析考虑到极限情况，假设电子与质子电量差值的最大围为2×10－21e，中子电量为10－21e，则由一个氧原子所包含的8个电子、8个质子和8个中子 物理部分课后习题答案（标有红色记号的为老师让看的题）27页 1-2 1-4 1-12 1-2 质点的运动方程为22,(1)x t y t ==-，,x y 都以米为单位，t 以秒为单位，求： （1） 质点的运动轨迹； （2） 从1t s =到2t s =质点的位移的大小； （3） 2t s =时，质点的速度和加速度。 解：（1）由运动方程消去时间t 可得轨迹方程，将t = 或1= （2）将1t s =和2t s =代入，有 11r i =u r r ， 241r i j =+u r r r 位移的大小 r ==r V （3） 2x dx v t dt = = 2x x dv a dt = =， 2y y dv a dt == 当2t s =时，速度和加速度分别为 22a i j =+r r r m/s 2 1-4 设质点的运动方程为 cos sin ()r R ti R t j SI ωω=+r r r ，式中的R 、ω均为常量。求（1）质点的速度；（2）速率的变化率。 解 （1）质点的速度为 （2）质点的速率为 速率的变化率为 0dv dt = 1-12 质点沿半径为R 的圆周运动，其运动规律为232()t SI θ=+。求质点在t 时刻的法向加速度n a 的大小和角加速度β的大小。 解 由于 4d t dt θ ω= = 质点在t 时刻的法向加速度n a 的大小为 角加速度β的大小为 24/d rad s dt ω β== 77 页2-15, 2-30， 2-34， 2-15 设作用于质量1m kg =的物体上的力63()F t SI =+，如果物体在这一力作 用下，由静止开始沿直线运动，求在0到2.0s 的时间内力F 对物体的冲量。 解 由冲量的定义，有 2-21 飞机着陆后在跑道上滑行，若撤除牵引力后，飞机受到与速度成正比的 阻力（空气阻力和摩擦力）f kv =-（k 为常数）作用。设撤除牵引力时为0t =，初速度为0v ，求（1）滑行中速度v 与时间t 的关系；（2）0到t 时间内飞机所滑行的路程；（3）飞机停止前所滑行的路程。 解 （１）飞机在运动过程中只受到阻力作用，根据牛顿第二定律，有 即 dv k dt v m =- 两边积分，速度v 与时间t 的关系为 2-31 一质量为m 的人造地球卫星沿一圆形轨道运动，离开地面的高度等 于地球半径的2倍（即2R ），试以,m R 和引力恒量G 及地球的质量M 表示出： （1） 卫星的动能； （2） 卫星在地球引力场中的引力势能. 解 (1) 人造卫星绕地球做圆周运动，地球引力作为向心力，有 卫星的动能为 212 6k GMm E mv R == （２）卫星的引力势能为 2-37 一木块质量为1M kg =，置于水平面上，一质量为2m g =的子弹以 500/m s 的速度水平击穿木块，速度减为100/m s ，木块在水平方向滑行了20cm 后 停止。求： （1） 木块与水平面之间的摩擦系数； （2） 子弹的动能减少了多少。大学物理学第三版下册习题标准答案习题8
大学物理课后习题答案(北邮第三版)下
大学物理学第二版第章习题解答精编
大学物理课后题答案
大学物理第三版下册答案(供参考)
大学物理学第三版课后习题参考答案
大学物理(第四版)课后习题及答案 质点
大学物理课后习题答案(全册)
大学物理课后习题标准答案第六章
最新大学物理第三版下册答案
大学物理(上)课后习题标准答案
大学物理学第三版修订版下册第章标准答案(赵近芳)
《大学物理学》(袁艳红主编)下册课后习题答案
大学物理课后习题答案详解
大学物理课后习题答案详解
大学物理学第三版修订版下册第11章答案(赵近芳)
大学物理学教程(第二版)(下册)答案
大学物理教程 上 课后习题 答案
相关主题
文本预览