专业班级_____ 姓名________ 学号________ 第七章静电场中的导体和电介质
一、选择题:
1,在带电体A旁有一不带电的导体壳B,C为导体壳空腔内的一点,如下图所示。则由静电
屏蔽可知:[ B ]
(A)带电体A在C点产生的电场强度为零;
(B)带电体A与导体壳B的外表面的感应电荷在C点所产生的
合电场强度为零;
(C)带电体A与导体壳B的内表面的感应电荷在C点所产生的合电场强度为零;
(D)导体壳B的内、外表面的感应电荷在C点产生的合电场强度为零。
解答 单一就带电体A来说,它在C点产生的电场强度是不为零的。对于不带电的导体壳B,由于它在带电体A这次,所以有感应电荷且只分布在外表面上(因其内部没有带电体)此感应电荷也是要在C点产生电场强度的。由导体的静电屏蔽现象,导体壳空腔内C点的合电场强度为零,故选(B)。
2,在一孤立导体球壳内,如果在偏离球心处放一点电荷+q,则在球壳内、外表面上将出现感应电荷,其分布情况为 [ B ]
(A)球壳内表面分布均匀,外表面也均匀;
(B)球壳内表面分布不均匀,外表面均匀;
(C)球壳内表面分布均匀,外表面不均匀;
(D)球壳的内、外表面分布都不均匀。
解答 由于静电感应,球壳内表面感应-q,而外表面感应+q,由于静电屏蔽,球壳内部的点电荷+q 和内表面的感应电荷不影响球壳外的电场,外表面的是球面,因此外表面的感应电荷均匀分布。故选(B)。
3. 当一个带电导体达到静电平衡时:[ D ]
(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。
4. 如图示为一均匀带电球体,总电量为+Q,其外部同心地罩一内、外半径分别为r 1、r 2的金属球壳、设无穷远处为电势零点,则在
球壳内半径为r 的P
(A)E=r Q U r Q 02
04,4πεπε=
(B)E=0,1
04r Q U πε= (C)E=0,r
Q U 04πε=
(D)E=0,2
04r Q U πε=
5. 关于高斯定理,下列说法中哪一个是正确的? [ C ]
(A)高斯面内不包围自由电荷,则面上各点电位移矢量D
为零。
(B)高斯面上处处D
为零,则面内必不存在自由电荷。
(C)高斯面的D
通量仅与面内自由电荷有关。
(D)以上说法都不正确。
6, 如图所示,一带电量为q、半径为A r 的金属球外,同心地套上一层内、外半径分别为B r 和C r ,相对介电常数为r ε的均匀电介质球壳。球壳外为真空,则介质点()B C P r r r <<处的电场强度的大小为 [ A ]
201
A E=;4r q r πεε() 201C ;4r r
r q r e
επεε-()E= 2B ;q r πε01
()E=
4 2
0r q
D E=
4r C A B A r r r r πεε??
- ?-??
()。 解答 均匀分布在导体球上的自由电荷q 激发的电场具有球对称性,均匀电介质球壳内、外表面上束缚电荷q ′均匀分布,所激发的电场也是球对称性的,故可用高斯定理求解。 通过p 点以r 为半径,在电介质球壳中作一同心高斯球面S ,应用电介质时的高斯定理,
D i
s
dS qi ?=∑? ,高斯面S 上的电位移通量为2
()D r π,S 面内包围的自由电荷为i
qi q =∑,有
2(4),D r q π= 2/4D q r π=
由,D E ε=两者方向相同,则电介质中p 点的电场强度不大小为
2
04r D
q E r
ε
πεε=
=
故选(A )
7. 孤立金属球,带有电量1.2×10-8C,当电场强度的大小为3×106
V/m 时,空气将被击穿,若要空气不被击穿,则金属球的半径至少大于 [ D ]
(A)3.6×10-2
m (B)6.0×10-6
m (C)3.6×10-5
m (D)6.0×10-3
m 解答 2
04R
q
E πε=
,代入参数可得答案D。
8. 将一空气平行板电容器接到电源上充电到一定电压后,断开电源,再将一块与板面积相同的金属板平行地插入两极板之间,则由于金属板的插入及其所放位置的不同,对电容器储
能的影响为:[ A ] (A)储能减少,但与金属板位置无关。 (B)储能减少,且与金属板位置有关。 (C)储能增加,但与金属板位置无关。 (D)储能增加,且与金属板位置无关。 9. 两个完全相同的电容器C 1和C 2,串联后与电源连接,现将一各向同性均匀电介质板插入
C 1中,则[
D ]
(A)电容器组总电容减小。 (B)C 1上的电量大于C 2上的电量。 (C)C 1上的电压高于C 2上的电压。 (D)电容器组贮存的总能量增大。 解答:串联时:
增大;
不变,则增大,,故C C C C C C 212
11
11+=且U U U =+21不变。故总能量增大22
1
CU W e =
。 10. 一空气平行板电容器,极板间距为d,电容为C,若在两板中间平行插入一块厚度为d/3的金属板,则其电容值变为 [ C ]
(A)C (B)2C/3
(C)3C/2 (D)2C
11.C 1和C 2两个电容器,其上分别标明200pF(电容量)
、500V(耐压值)和300pF、900V,把它们串连起来在两端加上1000V 电压,则 [ C ]
(A)C 1被击穿,C 2不被击穿。 (B)C 2被击穿,C 1不被击穿。 (C)两者都被击穿。 (D)两者都不被击穿。
12. 一空气平行板电容器充电后与电源断开,然后在两极板间充满某种各向同性,均匀电介质,则电场强度的大小E、电容C、电压U、电场能量W 四个量各自与充入介质前相比较,
增大(↑)或减小(↓)的情形为:[ B ]
(A)E↑,C↑,U↑,W↑ (B)E↓,C↑,U↓,W↓ (C)E↓,C↑,U↑,W↓ (D)E↑,C↓,U↓,W↑
13.如果某带电体其电荷分布的体密度ρ增大为原来的2倍,则其电场的能量变为原来的[ C ] (A)2倍 (B)1/2倍 (C)4倍 (D)1/4倍
二、填空题:
1.一带电量Q 的导体球,外面套一不带电的导体球壳(不与球接触),则球壳内表面上有电量Q 1= ,外表面上有电量Q 2= 。-Q , +Q
2.一孤立带电导体球,其表面处场强的方向 ;当把另一带电体放在这个导体球
附近时,该导体球表面处场强的方向 。垂直于导体表面,垂直于导体表面;
3
d
3.将一负电荷从无穷远处移到一个不带电的导体附近,则导体内的 电场强度 ,导体的电势 。
(填增大、不变、减小)不变,减小
4.如下图所示,平行板电容器中充有各向同性均匀电介质, 图中画出两组带有箭头的线分别表示电力线、电位移线, 则其中(1) ,(2)为 。 (1)电位移线,(2)电场线
5,一平行平板电容器两极板相距为d,插入一块厚度为d/2的平板,如图所示。
(1)若平板是金属导体,则电容器电容增大为原来的 倍。 (2)若平板为均匀电介质,其相对介电常数为r ε,则电容器的
电容增大为原来的 倍。
解答 设两极板带电荷面密度为σ±,先求电势差,再求电容。 (1)带电平面间电场强度大小为0E σ
ε=
,插入厚为2
d 的导体,其内部电场强度为零,则两极板间电势差为
02
A B d
V V σε-=
未插入导体时电容为0002,C=
C S
s
C d
d
εε=
0插入后=2C 。
(2)插入厚为
2d 的电介质,00+22A B d d
V V r σσεεε-=?,则021r r
C C εε=+。 6.A、B 为两个电容值都等于C 的电容器,已知A 带电量为Q,B 带电量为2Q,现将A、B
并联后,系统电场能量的增量△W= 。C
Q 42
7.一平行板电容器,充电后与电源保持联接,然后使两极间充满相对介电常数为εr 的各向同性均匀电介质,这时两极板上的电量是原来的 倍,电场强度是原来的 倍;电场能量是原来的 倍。εr ,1,εr
三、计算题:
1.一空气球形电容器,内外半径为R 1和R 2,设内外球面带电量为分别+Q 和-Q 。 求(1)球形电容器r
(5)若在两球面之间充满相对介电常数为εr 的各向同性均匀电介质,则电容值变为多少? 解答:(1)设内、外球壳分别带电荷为+Q 和-Q ,则两球壳间的电位移大小为
)4/(2r Q D π=
场强大小为)4/(2
0r Q E r επε=, 在空气中,1=r ε
110
R r E <=
213
024R r R r
r Q
E <<=
πε
230
R r E >=
(2)内外球面的电势差为
2
2
1
1
211220
012012
()11
()444R R R R Q R R Q dr Q U E dr r R R R R πεπεπε-=?=
=-=?
?
(3) 电容 1
2210124R R R R U Q
C -=
=
πε (4)电场能量 2
012121221
22r R R U QU W R R πεε==-
(5)1
22
104'R R R R C C r r -==επεε
2. 如图所示,,两块分别带有等量异号电荷的平行金属平板A 和B ,相距为d=5.0mm ,两板面积均为S=150 cm 2。所带电量均为q=2.66×10-8C, A 板带正电并接地。求:(1)B 板的电势;(2)A 、B 板间距A 板1.0mm 处的电势。
解答 A 板带电荷+q 且接地,即V A =0V,B 板带电荷-q。按题设,不计边缘效应,两板
上的电荷均匀分布,板间为均匀电场,其电场强度E 的方向由A 板指向B 板,而电场强度总是指向电势降落的方向,故V A >V B 。
已知两无限大带电的平行平面间的电场强度为
0/E σε=
已知/q s σ=,则有
0/E q S ε=
根据电场强度与电势为差的关系,有
A B
V V E d
-=
由上述两式,得
0A B qd V V S
ε-=
s qd
VB S
ε=-
统一单位,代入数据,得
83
124
2.661051010008.851015010B V V V ----???=-=-???
同理,在距A 板1mm 处的p 点电势,有
0AP
A C qd V V S
ε==
即
83
124
0 2.66101102008.851015010AP C qd V V V S ε----???=-=-=-??? 3.一空气平板电容器,极板面积为S ,板间距为d (d 远小于极板线度),设两极板带电量为分别+Q 和-Q ,忽略边缘效应 求(1)两极板间的电场强度的大小;
(2)两极板间间的电势差U 12; (3)该平板电容器的电容C ; (4)该电容存储的电场能量;
(5)若在两极板之间充满相对介电常数为εr 的各向同性均匀电介质,则电容值变为多少? 解:(1)设极板上分别带电量+Q 和-Q ,距离为d ,极板间产生均匀电场,
)/(0S Q E ε=方向为由带+Q 的极板指向带-Q 的极板
极板外侧0'=E
(2)两极板间的电势差为S
Qd
Ed U 012ε==
(3)由此得d
S U Q
C 012ε==
(4)该电容存储的能量为S
d
Q CU W 022
1222ε==
(5)在两极板间充满相对介电常数为r ε的各向同性均匀电介质,电容变为
d
S
C C r r εεε0'=
=
4,一空气柱形电容器,内外柱面半径为R 1和R 2,柱面高度为L ,设内外柱面带电量为分别+Q 和-Q ,忽略边缘效应。
求(1)两柱面间的电场强度的大小; (2)两内外柱面间的电势差U 12; (3)该柱形电容器的电容C ; (4)该电容存储的电场能量W e ;
(5)若在两柱面极板之间充满相对介电常数为εr 的各向同性均匀电介质,则电容值C ’变为多少?
解:(1)由题给条件(b-a)≤a 和L≥b ,忽略边缘效应,将两同轴圆筒导体看作是无限长
带电体,根据高斯定理可以得到两同轴圆筒导体之间的电场强度为
/2/)(ε
πε??==∑=?s
s Q rLE Eds q s d E 内
Lr
Q E 02πε=
(2)同轴圆筒之间的电势差:
a
b
L Q r dr L Q
l d E U b
a
b
a
ln 2200πεπε==?=?
?
—Q
(3)根据电容的定义: a
b L U
Q C ln 20πε==
(4)电容器储存的能量: a
b L Q CU W ln 421022
πε=
= (5)在两柱面极板间充满相对介电常数为r ε的各向同性均匀电介质,电容为
a
b L
C C r r ln 2'0επεε=
= 5,如图,11-17所示,平板电容器内充满两种电介质,相对电容率分别为εr1和εr2,对应的两部分面积分别为S 1和S 2,两极板之间的距离为d 。略去边缘效应,求电容器的电容。
解答 整个电容器相当于两个平板电容器的并联,设两个电容器的电容分别为C 1和C 2,则整个电容器的电容为C,则有
011
022
12r r S S C C C d
d
εεεε=+=
+
()0
1122r r S S d
εεε=
+
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第八章 稳恒电流的磁场
一、选择题:
1、在磁感应强度为B
的均匀磁场中作一半径为r 的半球面S ,S 边线所在平面
的法线方向单位矢量n 与B
的夹角为α,则通过半球面S 的磁通量为:[ D ]
(A)B r 2
π (B)B r 2
2π (C)απsin 2
B r - (D)απcos 2
B r -。
2、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 点的磁感应强度大小等于:[ D ] (A)
R I πμ20 (B)R I
40μ (C)0 (D)
1
1(20π
μ-
R
I
(E)
1
1(40π
μ+
R
I
3、电流由长直导线1沿切向经a 点流入一个电阻均匀分布的圆环,再由点a 沿切向从圆环流出,经长直导线2返回电源(如图)。已知直导线上的电流强度为I ,圆环的半径为R,且a、b 和圆心O 在同一直线上。设长直载流导线1、2和圆环分别在O 点产生的磁感应强
度为1B 、2B
、3B ,则圆心处磁感应强度的大小[ B ]
(A)0=B ,因为0321===B B B 。
(B)0=B , 因为虽然01≠B ,02≠B ,但021=+B B
,03=B 。
(C)0≠B ,因为01≠B ,02≠B ,03≠B 。
(D)0≠B ,因为虽然03=B ,但021≠+B B
。
4、 磁场由沿空心长圆筒形导体的均匀分布的电流产生,圆筒半径为R ,x 坐标轴垂直圆筒轴线,原点在中心轴线
上,图(A)——(E)哪一条表示x B -
c
5、无限长直圆柱体,半径为R,沿轴向均匀流有电流,设圆柱体内(R r <)的磁感应强度为i B ,圆柱体外(r> R)的磁感应强度为e B 。则有:[ D ] (A)i B 、e B 均与r 成正比。 (B) i B 、e B 均与r 成反比。
(C)i B 与r 成反比,e B 与r 成正比。 (D) i B 与r 成正比,e B 与r 成反比。
6、如右图所示,在磁感应强度为B
的均匀磁场中,有一圆形载流导线,
a 、
b 、
c 是其上三个长度相等的电流元,则它们所受安培力大小的关
系为[ B ]
(A)c b a F F F >>。 (B)c b a F F F <<。 (C)a c b F F F >>。 (D)b c a F F F >>。
7、把一电流元依次放置在无限长的栽流直导线附近的两点A 和B,如果A 点和B 点到导线的距离相等,电流元所受到的磁力大小[ C ] (A)一定相等 (B)一定不相等 (C)不一定相等 (D)A、B、C 都不正确
8、半径为R 的圆电流在其环绕的圆内产生的磁场分布是:[ C ] (A)均匀的 (B)中心处比边缘处强 (C)边缘处比中心处强 (D)距中心1/2处最强。
9、一长方形的通电闭合导线回路,电流强度为I,其四条边分别为ab、bc、cd、da 如图所示,设4321B B B B 及、、分别是以上各边中电流单独产生的磁场的磁感应强度,下列各式中正确的是:[ A ]
(A)I l d B C 011
μ=??
(B)
I
l d B C 012
μ=??
(C)I l d B B C 0211
)(μ=?+?
(D)I l d B B B B C 043212)(μ=?+++?
10、已知α粒子的质量是质子的4倍,电量是质子的2倍,设它们的初速度为零,经相同的电压加速后,垂直进入匀强磁场作圆周运动,它们的半径比为:[ C ]
(A)1 (B)1/2 (C)2 (D)22
11、两个共面同心的圆形电流1I 和2I ,其半径分别为1R 和2R ,当电流在圆心处产生总的磁感强度为零时,则二者电流强度之比1I :2I 为 [ A ]
A. 1R : 2R
B. 2R :1R
C. 2
1R :2
2R D. 2
2R :2
1R
二、填空题:
1、有一根通有电流I 的长直导线旁,与之共面地放着一个长、宽各a 为和
b 的矩形线框, 如右图所示,在此情形中,线框内的磁通量
_________=Φm 。 (
2ln 20π
μI
a ) 2、 一无限长载流直导线,通有电流I ,弯成如右图形状。设各线段皆在纸面内,则P 点磁感应强度B
的大小为___________=B 。(
a
I
πμ083) 3、一长直载流导线,沿空间直角坐标oy 轴放置。电流沿y 正向,在原点O 处取
一电流元l Id ,则该电流元在(a ,0,0)点处的磁感应强度的大小 ,(204a
Idl πμ)
方向为 。(Z 轴负方向)
4、如图所示,用均匀细金属丝构成一半径为R 的圆环C,电流I 由导线1流入圆环A 点,而后由圆环B 点流出,进入导线2。设导线1和导线2与圆
环共面,则环心O 处磁感应强度大小为________=B (R
I
πμ40),方向
____________(垂直纸面向里)。
解答 设AB 弧的电流为
AB I ,ACB 弧的电流为ACB I ,因为A 、B 两点电势差确定,
ACB 弧的电阻是AB 弧电阻的3倍,所以AB 弧的电流是ACB 弧电流的3倍,则:
3A B A C B A B A C B
I I I I I +== 所以
3414
AB ACB I I
I I
==
1A 段:延长线过O 点的载流导线在O 点产生的磁场 : B 1=0
3/4圆弧电流段在O 点产生的磁场:μμ=
?=00233424
32I I
B R
R
方向为垂直纸面向外
1/4圆弧电流段在O 点产生的磁场:
μμ=
?=
003331
424
32I I
B R
R
方向为垂直纸面向里.
B2段电流半无限长直电流在O 点产生的磁场: 044I
B R
μπ=
方向垂直纸面向里 所以,O 点的总磁感强度大小为01234
4I B B B B B R
μπ=+++= 方向为垂直纸面向里 5、 两根长直导线通有电流I ,如图,图示有三种环路;在每种情况下,
??l d B
等于:_______________(对环路a )
。__________(对环路b )。_________(对环路c )。(I I 002,
0,
μμ)
6、一密绕长直螺线管,单位长度的线圈匝数为n,通有电流为I,内部为空心,则其内部任一点的磁感强度近似为: ,方向 。(电流方向成右手螺旋沿螺线管轴线方向,与,
0nI μ)
三、计算题:
1、如图,真空中有一长直导线通以电流强度为I 的电流,折成abcde 形状,且处于同一平
面内,其中bcd 是一半径为R 的半圆。求圆心O 磁感强度B
的大小。
解:ab 段:延长线过O 点的载流导线在O 点的B=0;
bcd 段:1/2圆弧段载流导线在O 点的R
I
B 40μ=
,方向为垂直纸面向里;
de 段:半无限长载流导线在O 点的R I
B πμ40=,方向为垂直纸面向里;
所以,O 点的总磁感强度大小为R
I
R I B πμμ4400+=,方向为垂直纸面向里。
2、无限长载流直导线弯成如图形状,,图中各段共面,其中两段圆弧分别是半径为1R 与2
R 的同心半圆弧。(1)求半圆弧中心O 点的磁感应强度B 。(2)在21R R ≠的情形下,半径1
R 和2R 满足什么样的关系时,O 独存在时在O 点产生的磁感应强度。
解:(1)半无限长载流导线在O 点的1
04R I
B πμ=
,方向为垂直纸面向外; 半径为1R 的半圆弧段载流导线在O 点的1
04R I
B μ=
,方向为垂直纸面向外;
半径为2R 的半圆弧段载流导线在O 点的2
04R I
B μ=,方向为垂直纸面向里;
延长线过O 点的载流导线在O 点的B=0;
所以,O 点的总磁感强度大小为4
)1
(444021*********I R R R R R R I R I R I B μπμμπμ-+=-+=,
方向为垂直纸面向外。
(2)若要满足题目要求,则1
04R I
B πμ≈
,
即1
002112144)1
(
R I I R R R R R B πμμπ≈-+=, 12
112111R R R R R R ππ≈-+,推出
0)(212≈-R R R π, 所以,当π
2
12R R R <<-,或当1112-<<
-πR R R 时,1
04R I B πμ≈
3、一无限长的电缆,由一半径为a的圆柱形导线和一共轴的内外半径分别为b、c的圆筒状导线组成,如图所示。在两导线中有等值反向的电流I通过,求: