第十五讲电磁学复习（六）
专题：楞次定律、法拉第电磁感应定律
一、知识梳理
1.知识框图
2．易错判断
(1)闭合电路内只要有磁通量，就有感应电流产生。(×)
(2)穿过线圈的磁通量和线圈的匝数无关。(√)
(3)线框不闭合时，即使穿过线框的磁通量发生变化，线框中也没有感应电流产生。(√)
(4)当导体切割磁感线时，一定产生感应电动势。(√)
(5)由楞次定律知，感应电流的磁场一定与引起感应电流的磁场方向相反。 (×)
(6)感应电流的磁场一定阻碍引起感应电流的磁场的磁通量的变化。(√)
(7)线圈中磁通量越大，产生的感应电动势越大。(×)
(8)线圈中磁通量变化越大，产生的感应电动势越大。(×)
(9)线圈中磁通量变化越快，产生的感应电动势越大。(√)
(10)线圈匝数n 越多，磁通量越大，产生的感应电动势也越大。(×)
(11)磁场相对于导体棒运动时，导体棒中也可能产生感应电动势。(√)
二、题型与方法
【楞次定律应用---阻碍磁通变化】
1．电阻R 、电容C 与一线圈连成闭合电路，条形磁铁静止于线圈的正上方，N 极朝下，如图所示。现使磁铁开始自由下落，在N 极接近线圈上端的过程中，流过
R 的电流方向和电容器极板的带电情况是( D )
A ．从a 到b ，上极板带正电
B ．从a 到b ，下极板带正电
C ．从b 到a ，上极板带正电
D ．从b 到a ，下极板带正电
2.如图甲所示，长直导线与导线框abcd 固定在同一平面内。直导线中通以如图乙所示的大小和方向都随时间作周期性变化的交流电，并取图甲所示向
上的电流方向为直导线中电流的正方向。关于0～T 时间内
线框abcd 中感应电流的方向，下列说法正确的是( D )
A ．由顺时针方向变为逆时针方向
B ．由逆时针方向变为顺时针方向
C ．由顺时针方向变为逆时针方向，再变为顺时针方向
D ．由逆时针方向变为顺时针方向，再变为逆时针方向
【感生电动势】
3.(北京高考)如图所示，匀强磁场中有两个导体圆环a 、b ，磁场方向与圆环所在平面垂直。磁感应强度B 随时间均匀增大。两圆环半径之比为2∶1，圆环中产生
的感应电动势分别为E a 和E b 。不考虑两圆环间的相互影响。下列说
法正确的是( B )
A ．E a ∶E b ＝4∶1，感应电流均沿逆时针方向
B ．E a ∶E b ＝4∶1，感应电流均沿顺时针方向
C ．E a ∶E b ＝2∶1，感应电流均沿逆时针方向
D ．
E a ∶E b ＝2∶1，感应电流均沿顺时针方向
4．(江苏高考)如图所示，一正方形线圈的匝数为n ，边长为a ，线圈平面
与匀强磁场垂直，且一半处在磁场中。在Δt 时间内，磁感应强度的方向
不变，大小由B 均匀地增大到2B 。在此过程中，线圈中产生的感应电动
势为( B )
A.Ba 22Δt
B.nBa 2
2Δt
C.nBa 2
Δt
D.2nBa 2Δt
【动生电动势】
5.如图所示，粗细均匀的、电阻为r 的金属圆环放在图示的匀强磁场中，
磁感应强度为B ，圆环直径为L 。长为L 、电阻为r 2
的金属棒ab 放在圆环上，以v 0向左匀速运动，当棒ab 运动到图示虚线位置时，金属棒两
端的电势差为( D )
A ．0
B ．BLv 0
C ．BLv 0/2
D ．BLv 0/3
6．如图中半径为r 的金属圆盘在垂直于盘面的匀强磁场B 中，绕O
轴以角速度ω沿逆时针方向匀速转动，则通过电阻R 的电流的方向
和大小是(金属圆盘的电阻不计)( D )
A ．由c 到d ，I ＝Br 2ω/R
B ．由d 到c ，I ＝Br 2ω/R
C ．由c 到d ，I ＝Br 2ω/(2R )
D ．由d 到c ，I ＝Br 2ω/(2R )
【计算题】
7.如图甲所示，不计电阻的平行金属导轨竖直放置，导轨间距为L ＝1 m ，上端接有电阻R ＝3 Ω，虚线OO ′下方是垂直于导轨平面向里的匀强磁场。现将质量m ＝0.1 kg 、电阻r ＝1 Ω的金属杆ab 从OO ′上方某处垂直导轨由静止释放，杆下落过程中始终与导轨保持良好接触，杆下落过程中的v -t 图像如图乙所示。(g 取10 m/s 2)求：
(1)磁感应强度B 的大小。
(2)杆在磁场中下落0.1 s 过程中电阻R 产生的热量。
解析：(1)由图像知，杆自由下落0.1 s 进入磁场以v ＝
1.0 m/s 做匀速运动，产生的电动势E ＝Bl v
杆中的电流：I ＝E R ＋r
杆所受安培力：F ＝BIL
由平衡条件：mg ＝F
代入相关数据，解之得B ＝2 T
(2)电阻R 中产生的热量为：Q ＝I 2Rt ＝0.075 J 。
答案：(1)2 T (2)0.075 J
8．如图所示，两根平行金属导轨固定在同一水平面内，间距为l ，导轨左端连接一个电阻R .一根质量为m 、电阻为r 的金属杆ab 垂直放置在导轨上．在杆的右方距杆为d 处有一个匀强磁场，磁场方向垂直于轨道平面向下，磁感应强度为B .对杆施加一个大小为F 、方向平行于导轨的恒力，使杆从静止开始运动，已知杆到达磁场区域时速度为v ，之后进入磁场恰好做匀速运动．不计导轨的电阻，假定导轨与杆之间存在恒定的阻力．求：
(1)导轨对杆ab 的阻力大小F f ；
(2)杆ab 中通过的电流及其方向；
(3)导轨左端所接电阻R 的阻值．
解析：(1)杆进入磁场前做匀加速运动，
有F －F f ＝ma
v 2
＝2ad 解得导轨对杆的阻力F f ＝F －m v 2
2d
. (2)杆进入磁场后做匀速运动，有F ＝F f ＋F 安杆ab 所受的安培力
F 安＝IBl 解得杆ab 中通过的电流I ＝m v 2
2Bld
杆中的电流方向自a 流向b . (3)杆ab 产生的感应电动势E ＝Bl v 杆中的感应电流I ＝E R ＋r
解得导轨左端所接电阻阻值 R ＝2B 2l 2d m v －r .
9.如图甲所示，水平面上的两光滑金属导轨平行固定放置，间距d=0.5 m ，电阻不计，左端通过导线与阻值R=2 Ω的电阻连接，右端通过导线与阻值R L =4 Ω的小灯泡L 连接.在CDFE 矩形
区域内有竖直向上的匀强磁场，CE 长 2 m =l ，有一阻值r=2 Ω的金属棒PQ 放置在靠近磁场边界CD 处.CDFE 区域内磁场的磁感应强度B 随时间变化规律如图乙所示.在t=0至t=4 s 内，金属棒PQ 保持静止，在t=4 s 时使金属棒PQ 以某一速度进入磁场区域并保持匀速运动.已知从t=0开始到金属棒运动到磁场边界EF 处的整个过程中，小灯泡的亮度没有发生变化.求：
(1)通过小灯泡的电流
(2)金属棒PQ 在磁场区域中运动的速度大小.
【解析】(1)0～4 s 内，电路中的感应电动势B 2E S 0.5 2 V 0.5 V t t 4
?Φ?===??=??
此时灯泡中的电流L L E E 0.5I A 0.1 A Rr 22R R 4 R r 22
====?++++总 (2)由于灯泡亮度没有变化，故I L 没变化.根据E ′=Bdv L
L E E I RR R r R R '''=='++总 L L L RR U I R R ='+ L L L
U I R = 解得v=1 m/s
10.(广东卷)如图所示，质量为M 的导体棒ab ，垂直放在相距为l 的平行光滑金属导轨上，导轨平面与水平面的夹角为θ，并处于磁感应强度大小为B 、方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中，左侧是水平放置、间距为d 的平行金属板，R 和R x 分别表示定值电阻和滑动变阻器的阻值，不计其他电阻．
(1)
调节R x ＝R ，释放导体棒，当棒沿导轨匀速下滑时，求通过棒的电流I 及棒的速率v .
(2)改变R x ，待棒沿导轨再次匀速下滑后，将质量为m 、带电量为＋q 的微粒水平射入金属板
间，若它能匀速通过，求此时的R x .
(1)导体棒匀速下滑时，Mg sin θ＝BIl ①I ＝Mg sin θBl ②
设导体棒产生的感应电动势为E 0，则E 0＝BL v ③由
闭合电路欧姆定律得：
I ＝E 0R ＋R x
④ 联立②③④，得 v ＝2MgR sin θB 2l 2⑤ (2)改变R x ，由②式可知电流不变．设带电微粒在金属板间匀速通过时，板间电压为U ，电场
强度大小为E U ＝IR x ⑥ E ＝U d ⑦ mg ＝qE ⑧
联立②⑥⑦⑧，得 R x ＝mBld qM sin θ
⑨
二、 提升训练
11．如图所示，一电阻为R 的导线弯成边长为L 的等边三角形闭合回路。虚线MN 右侧有磁感应强度大小为B 的匀强磁场，方向垂直于闭合回路所在的平面向里。下列对三角形导线以速度v 向右匀速进入磁场过程中的说法正确的是( B )
A ．回路中感应电流方向为顺时针方向
B ．回路中感应电动势的最大值E ＝32
BL v C ．回路中感应电流的最大值I ＝32
RBL v D ．导线所受安培力的大小可能不变
12．如图所示，匀强磁场的磁感应强度为B ，方向竖直向下．在磁场
中有一个边长为L 的正方形刚性金属框，ab 边的质量为m ，电阻为R ，
其他三边的质量和电阻不计．cd 边上装有固定的水平轴，将金属框自水
平位置由静止释放，不计一切摩擦，重力加速度为g ，则第一次转到竖
直位置的过程中，下列说法正确的是( A )
A ．通过ab 边的电流方向为b →a
B ．ab 边经过最低点时的电动势为E ＝BL 2gL
C ．a 、b 两点间的电压始终不变
D ．整个过程金属框转动越快，通过ab 边的电荷量越少
13.(浙江高考)如图所示，a 、b 两个闭合正方形线圈用同样的导线制
成，匝数均为10匝，边长l a ＝3l b ，图示区域内有垂直纸面向里的匀
强磁场，且磁感应强度随时间均匀增大，不考虑线圈之间的相互影
响，则( B )
A ．两线圈内产生顺时针方向的感应电流
B ．a 、b 线圈中感应电动势之比为9∶1
C ．a 、b 线圈中感应电流之比为3∶4
D ．a 、b 线圈中电功率之比为3∶1
14．如图，均匀磁场中有一由半圆弧及其直径构成的导线框，半圆直径与磁场边缘重合；磁场方向垂直于半圆面(纸面)向里，磁感应强度大小为B 0.使该线框从静止开始绕过圆心O 、垂直于半圆面的轴以角速度ω匀速转动半周，在线框中产生感应电流．现使线框保持图中所示位置，磁感应强度大小随时间线性变化．为了产生与线框运动过程中同样大小的电流，磁感
应强度随时间的变化率ΔB
Δt
的大小应为( C ) A.4ωB 0π B.2ωB 0π
C.ωB 0π
D.ωB 02π
15.(1)如图甲所示，两根足够长的平行导轨，间距L ＝0.3 m ，在导轨间有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度B 1＝0.5 T 。一根直金属杆MN 以v ＝2 m/s 的速度向右匀速运动，杆MN 始终与导轨垂直且接触良好。杆MN 的电阻r 1＝1 Ω，导轨的电阻可忽略。求杆MN 中产生的感应电动势E 1；
(2)如图乙所示，一个匝数n ＝100的圆形线圈，面积S 1＝0.4 m 2，电阻r 2＝1 Ω。在线圈中存在面积S 2＝0.3 m 2垂直线圈平面(指向纸外)的匀强磁场区域，磁感应强度B 2随时间t 变化的关系如图丙所示。求圆形线圈中产生的感应电动势E 2；
(3)将一个R ＝2 Ω的电阻分别与图甲和图乙中的a 、b 端相连接，然后b 端接地。试判断以上两种情况中，哪种情况a 端的电势较高？并求出较高的电势φa 。
解析 (1)杆MN 做切割磁感线的运动，
产生的感应电动势E 1＝B 1Lv ＝0.3 V 。
(2)穿过圆形线圈的磁通量发生变化，产
生的感应电动势E 2＝n ΔB 2Δt S 2
＝4.5 V 。 (3)题图甲中φa >φb ＝0，
题图乙中φa <φb ＝0，
所以当电阻R 与题图甲中的导轨相连接时，a 端的电势较高。
此时通过电阻R 的电流I ＝E 1R ＋r 1
电阻R 两端的电势差φa －φb ＝IR
a 端的电势φa ＝IR ＝0.2 V 。
答案 (1)0.3 V (2)4.5 V (3)与图甲中的导轨相连接a 端电势高 φa ＝0.2 V
16.如图所示，间距L ＝1 m 的两根足够长的固定水平平行导轨间存在着匀强磁场，其磁感应
强度大小B ＝1 T 、方向垂直于纸面向里，导轨上有一金属棒MN 与导轨垂直且在水平拉力F 作用下以v ＝2 m/s 的速度水平向左匀速运动。R 1＝8 Ω，R 2＝12 Ω，C ＝6μF ，导轨和棒的电阻及一切摩擦均不计。开关S 1、S 2闭合，电路稳定后，求：
(1)通过R 2的电流I 的大小和方向；
(2)拉力F 的大小；
(3)开关S 1切断后通过R 2的电荷量Q 。
解析 (1)开关S 1、S 2闭合后，根据右手定则知棒中的感应电流
方向是由M →N ，所以通过R 2的电流方向是由b →a
MN 中产生的感应电动势的大小E ＝BLv
流过R 2的电流I ＝E R 1＋R 2
代入数据解得I ＝0.1 A
(2)棒受力平衡有F ＝F 安，F 安＝BIL
代入数据解得F ＝0.1 N
(3)开关S 1、S 2闭合，电路稳定后，电容器所带电荷量
Q 1＝CIR 2
S 1切断后，流过R 2的电荷量Q 等于电容器所带电荷量的减少量，即Q ＝Q 1－0
代入数据解得Q ＝7.2×10－6 C
答案 (1)0.1 A ，方向是b →a (2)0.1 N (3)7.2×10－6 C
17. t ＝0时，磁场在xOy 平面内的分布如图所示，其磁感应强度的大小均为B 0，方向垂直于xOy 平面，相邻磁场区域的磁场方向相反，每个同向磁场区域的宽度均为L 0，整个磁场以速度v 沿x 轴正方向匀速运动．若在磁场所在区间内放置一由n 匝线圈组成的矩形线框abcd ，线框的bc 边平行于x 轴．bc ＝L B 、ab ＝L ，L B 略大于L 0，总电阻为R ，线框始终保持静止．求：
(1)线框中产生的总电动势大小和导线中的电流大小；
(2)线框所受安培力的大小和方向．
解析 (1)线框相对于磁场向左做切割磁感线的
匀速运动，切割磁感线的速度大小为v ，任意时
刻线框中总的感应电动势大小E ＝2nB 0L v
导线中的电流大小I ＝2nB 0L v R .
(2)线框所受安培力的大小
F ＝2nB 0LI ＝4n 2B 02L 2v R
由左手定则判断，线框所受安培力的方向始终沿x 轴正方向．
18．相距L ＝1.5 m 的足够长金属导轨竖直放置，质量为m 1＝1 kg 的金属棒ab 和质量为m 2＝0.27 kg 的金属棒cd 均通过棒两端的套环水平地套在金属导轨上，如图(甲)所示，虚线上方
磁场方向垂直纸面向里，虚线下方磁场方向竖直向下，两处磁场磁感应强度大小相同．ab 棒光滑，cd 棒与导轨间的动摩擦因数为μ＝0.75，两棒总电阻为1.8 Ω，导轨电阻不计．ab 棒在方向竖直向上，大小按图(乙)所示规律变化的外力F 作用下，从静止开始，沿导轨匀加速运动，同时cd 棒也由静止释放．
(1)求出磁感应强度B 的大小和ab 棒加速度的大小；
(2)已知在2 s 内外力F 做功40 J ，求这一过程中两金属棒产生的总焦耳热．
解析 (1)经过时间t ，ab 的速率v ＝at
此时，回路中的感应电流为I ＝E R ＝BL v R
对金属棒ab ，由牛顿第二定律得
F －BIL －m 1g ＝m 1a
由以上各式整理得：
F ＝m 1a ＋m 1g ＋B 2L 2R at
在图线上取两点：
t 1＝0，F 1＝11 N ；t 2＝2 s ，F 2＝14.6 N
代入上式得a ＝1 m/s 2 B ＝1.2 T
(2)在2 s 末金属棒ab 的速率v t ＝at ＝2 m/s
所发生的位移s ＝12
at 2＝2 m 由动能定理得W F －m 1gs －W 安＝12
m 1v t 2 又Q ＝W 安，联立以上方程，解得Q ＝W F －m 1gs －12
m 1v t 2＝18 J.
课后评估
1．（多选）如图甲所示，面积S ＝1 m 2的导体圆环内通有垂直于圆平面向里的磁场，磁场的磁
感应强度B 随时间t 变化的关系如图乙所示(B 取向里
为正)，以下说法正确的是( AC )
A ．环中产生逆时针方向的感应电流
B ．环中产生顺时针方向的感应电流
C ．环中产生的感应电动势大小为1 V
D ．环中产生的感应电动势大小为2 V
2．（多选）如图所示，线圈内有理想边界的磁场，开
关闭合，当磁感应强度减小时，有一带电微粒静止于水平放置的平行板电容器中间，若线圈的匝数为n ，平行板电容器的板间距离为d ，粒子的质量为m ，带电荷量为q ，线圈面积为S ，则下列判断中正确的是( BC )
A ．带电微粒带负电
B ．线圈内磁感应强度的变化率为mgd nqS
C ．当下极板向上移动时，带电微粒将向上运动
D ．当开关断开时，带电微粒将做自由落体运动
3．如图甲所示，圆形线圈P 静止在水平桌面上，其正上方固定一螺线管Q ，P 和Q 共轴，Q 中通有变化电流i ，电流随时间变化的规律如图乙所示，P 所受的重力为G ，桌面对P 的支持
力F N ，则( AB )
A ．t 1时刻F N ＞G ，P 有收缩的趋势
B ．t 2时刻F N ＝G ，此时穿过P 的磁通量最大
C ．t 3时刻F N ＝G ，此时P 中无感应电流
D ．t 4时刻F N ＜G ，此时穿过P 的磁通量最小
4.(全国甲卷)法拉第圆盘发电机的示意图如图所示。铜圆
盘安装在竖直的铜轴上，两铜片P 、Q 分别与圆盘的边缘和铜轴接触。
圆盘处于方向竖直向上的匀强磁场B 中。圆盘旋转时，关于流过电阻R
的电流，下列说法正确的是( AB )
A ．若圆盘转动的角速度恒定，则电流大小恒定
B ．若从上向下看，圆盘顺时针转动，则电流沿a 到b 的方向流动
C ．若圆盘转动方向不变，角速度大小发生变化，则电流方向可能发生变化
D ．若圆盘转动的角速度变为原来的2倍，则电流在R 上的热功率也变为原来的2倍
5．如图所示，MN 、PQ 是两根足够长的光滑平行金属导轨，导轨间距为d ，导轨所在平面与水平面成θ角，M 、P 间接阻值为R 的电阻．匀强磁场的方向与导轨所在平面垂直，磁感应强度大小为B .质量为m 、阻值为r 的金属棒放在两导轨上，在平行于导轨的拉力作用下，以速度v 匀速向上运动．已知金属棒与导轨始终垂直并且保持良好接触，重力加速度为g .求：
(1)金属棒产生的感应电动势E ；
(2)通过电阻R 的电流I ；
(3)拉力F 的大小．
答案 (1)Bd v (2)Bd v R ＋r (3)mg sin θ＋B 2d 2v R ＋r
解析 (1)根据法拉第电磁感应定律得E ＝Bd v .
(2)根据闭合电路欧姆定律得I ＝E R ＋r ＝Bd v R ＋r
(3)导体棒的受力情况如图所示，根据牛顿第二定律有F －F 安－mg sin θ＝0，
又因为F 安＝BId ＝B 2d 2v R ＋r ，所以F ＝mg sin θ＋B 2d 2v R ＋r
.
一、单选题 1、 如果通过闭合面S 的电通量e Φ为零，则可以肯定 A 、面S 没有电荷 B 、面S 没有净电荷 C 、面S 上每一点的场强都等于零 D 、面S 上每一点的场强都不等于零 2、 下列说法中正确的是 A 、沿电场线方向电势逐渐降低 B 、沿电场线方向电势逐渐升高 C 、沿电场线方向场强逐渐减小 D 、沿电场线方向场强逐渐增大 3、 载流直导线和闭合线圈在同一平面，如图所示，当导线以速度v 向 左匀速运动时，在线圈中 A 、有顺时针方向的感应电流 B 、有逆时针方向的感应电 C 、没有感应电流 D 、条件不足，无法判断 4、 两个平行的无限大均匀带电平面，其面电荷密度分别为σ+和σ-， 则P 点处的场强为 A 、02εσ B 、0εσ C 、0 2εσ D 、0 5、 一束α粒子、质子、电子的混合粒子流以同样的速度垂直进 入磁场，其运动轨迹如图所示，则其中质子的轨迹是 A 、曲线1 B 、曲线2 C 、曲线3 D 、无法判断 6、 一个电偶极子以如图所示的方式放置在匀强电场 E 中，则在 电场力作用下，该电偶极子将 A 、保持静止 B 、顺时针转动 C 、逆时针转动 D 、条件不足，无法判断 7、 点电荷q 位于边长为a 的正方体的中心，则通过该正方体一个面的电通量为 A 、0 B 、0εq C 、04εq D 、0 6εq 8、 长直导线通有电流A 3=I ，另有一个矩形线圈与其共面，如图所 示，则在下列哪种情况下，线圈中会出现逆时针方向的感应电流？ A 、线圈向左运动 B 、线圈向右运动 C 、线圈向上运动 D 、线圈向下运动 9、 关于真空中静电场的高斯定理0 εi S q S d E ∑=?? ，下述说确的是： A. 该定理只对有某种对称性的静电场才成立； B. i q ∑是空间所有电荷的代数和； C. 积分式中的E 一定是电荷i q ∑激发的； σ- P 3 I
电磁学第六次作业解 答
电磁学第六次作业解答 第八章 真空中的稳恒磁场 8-2 如图所示，一无限长直导线通有电流I =10 A ，在一处折成夹角＝60°的折线，求角平分线上与导线的垂直距离均为r =0.1 cm 的P 点处的磁感强度．(0 =4×10-7 H ·m -1) 解：P 处的B 可以看作是两载流直导线所产生的，1B 与2 B 的方向相同． 21B B B += r I π=40μ+?--?)]90sin(60[sin r I π40μ)]60sin(90[sin ?--? r I π=420μ=?+?)60sin 90(sin 3.73×10-3 T 方向垂直纸面向上． 8-4 将通有电流I 的导线在同一平面内弯成如图所示的形状，求D 点的磁感强度B 的大小． 解：其中3/4圆环在D 处的场 )8/(301a I B μ= AB 段在D 处的磁感强度 )221 ()]4/([02?π=b I B μ BC 段在D 处的磁感强度 )221 ()]4/([03?π=b I B μ 1B 、2B 、3B 方向相同，可知D 处总的B 为 )223( 40b a I B + π π= μ 8-12 如图所示，有一密绕平面螺旋线圈，其上通有电流I ，总匝数为N ，它被限制在半径为R 1和R 2的两个圆周之间．求此螺旋线中心O 处的磁感强度． 解：以O 为圆心，在线圈所在处作一半径为r 的圆．则在r 到r + d r 的圈数为 r R R N d 1 2- 由圆电流公式得 ) (2d d 120R R r r NI B -=μ ?= -= 2 1 ) (2d 12 0R R R R r r NI B μ1 2 120ln ) (2R R R R NI -μ D b A B C a I b O R 1 R 2 I r r P θ
电磁学第八次作业解答 8-24 质子和电子以相同的速度垂直飞入磁感强度为B 的匀强磁场中，试求 质子轨道半径R 1与电子轨道半径R 2的比值． 解：洛伦兹力的大小 B q f v = 对质子： 1211/R m B q v v = 对电子： 2222/R m B q v v = ∵ 21q q = ∴ 2121//m m R R = 8-30 在xOy 平面内有一圆心在O 点的圆线圈，通以顺时针绕向的电流I 1另有一无限长直导线与y 轴重合，通以电流I 2，方向向上，如图所示．求此时圆线圈所受的磁力． 解：设圆半径为R ，选一微分元d l ，它所受磁力大小为 B l I F ?=d d 1 由于对称性，y 轴方向的合力为零。 ∴ θcos d d F F x = θθμθ c o s c o s 2 d 2 01R I R I π= θμd 22 10π= I I ∴ ?π==π 20 210d 2θμI I F F x 210I I μ= 8-32 一平面线圈由半径为0.2 m 的1/4圆弧和相互垂直的二直线组成，通以电流2 A ，把它放在磁感强度为0.5 T 的均匀磁 场中，求： (1) 线圈平面与磁场垂直时(如图)，圆弧AC 段所受的磁力． (2) 线圈平面与磁场成60°角时，线圈所受的磁力矩． 解：(1) 圆弧AC 所受的磁力：在均匀磁场中AC 电圆弧所受的磁力与通有相同电流的AC 直线所受的磁力相等，故有 F AC =283.02==RB I F AC N 方向：与AC 直线垂直，与OC 夹角45°，如图． (2) 磁力矩：线圈的磁矩为 n n IS p m 2102-?π== I 1 I 1 B ? F
一． 1.对于矢量A u v，若A u v＝ e u u v x A＋y e u u v y A＋z e u u v z A， x 则： e u u v?x e u u v＝；z e u u v?z e u u v＝； y e u u v?x e u u v＝；x e u u v?x e u u v＝ z 2.对于某一矢量A u v，它的散度定义式为； 用哈密顿算子表示为 3.对于矢量A u v，写出： 高斯定理 斯托克斯定理 4.真空中静电场的两个基本方程的微分形式为 和 5.分析恒定磁场时，在无界真空中，两个基本场变量之间的关系为，通常称它为 二.判断：（共20分，每空2分）正确的在括号中打“√”，错误的打“×”。 1.描绘物理状态空间分布的标量函数和矢量函数，在时间为一定值的情况下，它们是唯一的。（） 2.标量场的梯度运算和矢量场的旋度运算都是矢量。（） 3.梯度的方向是等值面的切线方向。（） 4.恒定电流场是一个无散度场。（） 5.一般说来，电场和磁场是共存于同一空间的，但在静止和恒定的情况下，电场和磁场可以独立进行分析。（） 6.静电场和恒定磁场都是矢量场，在本质上也是相同的。（）
7.研究物质空间内的电场时，仅用电场强度一个场变量不能完全反映物质内发生的静电现象。（ ） 8.泊松方程和拉普拉斯方程都适用于有源区域。（ ） 9.静电场的边值问题，在每一类的边界条件下，泊松方程或拉普拉斯方程的解都是唯一的。（ ） 10.物质被磁化问题和磁化物质产生的宏观磁效应问题是不相关的两方面问题。（ ） 三.简答：（共30分，每小题5分） 1.用数学式说明梯无旋。 2.写出标量场的方向导数表达式并说明其涵义。 3.说明真空中电场强度和库仑定律。 4.实际边值问题的边界条件分为哪几类？ 5.写出磁通连续性方程的积分形式和微分形式。 6.写出在恒定磁场中，不同介质交界面上的边界条件。 四.计算：（共10分）半径分别为a,b(a>b),球心距为c(c 电磁学习题 1 (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? 2 如题图所示，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． 图 3 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平行．求： (1)圆柱轴线上的磁感应强度的大小； (2)空心部分轴线上的磁感应强度的大小． 4 如图所示，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． 图 5 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 . 6 电子在B =70×10-4 T 的匀强磁场中作圆周运动，圆周半径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 ． 图 7 在霍耳效应实验中，一宽1.0cm ，长4.0cm ，厚1.0×10-3cm 的导体，沿长度 方向载有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1.0×10-5V 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． 8 如图所示，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 ． 图 9 如图所示，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 电磁学习题 1 (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 2 如题图所示，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． 图 3 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平行．求： (1)圆柱轴线上的磁感应强度的大小； (2)空心部分轴线上的磁感应强度的大小． 4 如图所示，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． 图 5 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 . 6 电子在B =70×10-4 T 的匀强磁场中作圆周运动，圆周半径r =．已知B 垂直于纸面向外，某时刻电子在A 点，速度v 向上，如图． (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 ． 图 7 在霍耳效应实验中，一宽，长，厚×10-3 cm 的导体，沿长度方向载有的电流，当磁 感应强度大小为B =的磁场垂直地通过该导体时，产生×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． 8 如图所示，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 ． 图 9 如图所示，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． 第五章 静 电 场 5 －9 若电荷Q 均匀地分布在长为L 的细棒上.求证：(1) 在棒的延长线，且离棒中心为r 处的电场强度为 2 204π1L r Q εE -= (2) 在棒的垂直平分线上，离棒为r 处的电场强度为 2204π21L r r Q εE += 若棒为无限长(即L →∞)，试将结果与无限长均匀带电直线的电场强度相比较. 分析 这是计算连续分布电荷的电场强度.此时棒的长度不能忽略，因而不能将棒当作点电荷处理.但带电细棒上的电荷可看作均匀分布在一维的长直线上.如图所示，在长直线上任意取一线元d x ，其电荷为d q ＝Q d x /L ，它在点P 的电场强度为 r r q εe E 2 0d π41d '= 整个带电体在点P 的电场强度 ?=E E d 接着针对具体问题来处理这个矢量积分. (1) 若点P 在棒的延长线上，带电棒上各电荷元在点P 的电场强度方向相同， ?=L E i E d (2) 若点P 在棒的垂直平分线上，如图(A )所示，则电场强度E 沿x 轴方向的分量因对称性叠加为零，因此，点P 的电场强度就是 ??==L y E αE j j E d sin d 证 (1) 延长线上一点P 的电场强度?'=L r πεE 202， 利用几何关系 r ′＝r －x 统一积分变量，则 ()220 022 204π12/12/1π4d π41L r Q εL r L r L εQ x r L x Q εE L/-L/P -=??????+--=-=? 电场强度的方向沿x 轴. (2) 根据以上分析，中垂线上一点P 的电场强度E 的方向沿y 轴，大小为 E r εq αE L d π4d sin 2 ? '= 利用几何关系 sin α＝r /r ′，2 2 x r r +=' 统一积分变量，则 () 2 2 03 /2222 2041π2d π41L r r εQ r x L x rQ εE L/-L/+= +=? 当棒长L →∞时，若棒单位长度所带电荷λ为常量，则P 点电场强度 r ελL r L Q r εE l 02 20π2 /41/π21lim = +=∞ → 此结果与无限长带电直线周围的电场强度分布相同［图(B )］.这说明只要满足r 2/L 2 ＜＜1，带电长直细棒可视为无限长带电直线. 5 －14 设匀强电场的电场强度E 与半径为R 的半球面的对称轴平行，试计算通过此半球面的电场强度通量. 分析 方法1：由电场强度通量的定义，对半球面S 求积分，即? ?=S S d s E Φ 方法2：作半径为R 的平面S ′与半球面S 一起可构成闭合曲面，由于闭合面内无电荷，由高斯定理 电磁学复习练习题作业(答案) 第一次作业一选择题[ C ]1下列几个说法中哪一个是正确的？(A) 电场中某点场强的方向，就是将点电荷放在该点所受电场力的方向. ???(C) 场强可E?F/q定出，其中q为试验电荷，q可正、可负，F为(B) 在以点电荷为中心的球面上，该点电荷所产生的场强处处相同．试验电荷所受的电场力．(D) 以上说法都不正确．[ C ]2 在边长为a的正方体中心处放置一电荷为Q的点电荷，则正方体顶角处的电场强度的大小为：(A) QQ．(B) ．12??0a26??0a2Q 3??0a2．(D) (C) Q．??0a2 [ B ]3图中所示为一沿x轴放置的“无限长”分段均匀带电直线，电荷线密度分别为＋??(x＜0) 和－? (x＞0)，则Oxy坐标平面上点(0，a)处的场强E为y??(0, a)??????i?j?．(A) 0．(B) i．(C) i．(D) 2??0a4??0a4??0a?(sin?2?sin?1) 【提示】根据Ex?4??0a?Ey?(cos?1?cos?2) 4??0a?对＋?均匀带电直线?1?0,?2? 2?对—?均匀带电直线?1?,?2?0 2+?-?Ox 在点的场强是4个场强的矢量和[ A ]4电荷面密度分别为＋?和－?的两块“无限大”均匀带电的平行平板，如图放置，则其周围空间各点电场强度随位置坐标x变化的关 系曲线为：(设场强方向向右为正、向左为负)yE -?+?E ?/?0 ?/2?0(B)(A) -a O +a x -aO+ax-aO a x E(C) E?/2?0-aO+a-?/2?0x(D)?/2?0?/?0+ax -aO??/2?0 1 【提示】依据E??及场强叠加2?0二．填空题--5. 电 P r λ2 λ1 R 1 R 2 1．坐标原点放一正电荷Q ，它在P 点(x =+1,y =0)产生的电场强 度为E ρ 。现在，另外有一个负电荷-2Q ，试问应将它放在什么 位置才能使P 点的电场强度等于零？ (A) x 轴上x >1。 (B) x 轴上0 电磁学第七次作业解答 8-21 一无限长圆柱形铜导体(磁导率μ0)，半径为R ，通有均匀分布的电流I ．今取一矩形平面S (长为1 m ，宽为2 R )，位置如右图中画斜线部分所示，求通过该矩形平面的磁通量． 解：在圆柱体内部与导体中心轴线相距为r 处的磁感强度的大小，由安培环路定 律可得： )(220R r r R I B ≤π=μ 因而，穿过导体内画斜线部分平面的磁通Φ1为 ???==S B S B d d 1 Φr r R I R d 2020?π=μπ=40I μ 在圆形导体外，与导体中心轴线相距r 处的磁感强度大小为 )(20 R r r I B >π=μ 因而，穿过导体外画斜线部分平面的磁通Φ2为 ??=S B d 2Φr r I R R d 220?π=μ2ln 20π=I μ 穿过整个矩形平面的磁通量 21ΦΦΦ+=π=40I μ2ln 20π+I μ 8-22 有一长直导体圆管，内外半径分别为R 1和R 2，如 图，它所载的电流I 1均匀分布在其横截面上．导体旁边有一绝缘“无限长”直导线，载有电流I 2，且在中部绕了一个半径为R 的圆圈．设导体管的轴线与长直导线平行，相距为d ， 而且它们与导体圆圈共面，求圆心O 点处的磁感强度B ． 解：圆电流产生的磁场 )2/(201R I B μ= ⊙ 长直导线电流的磁场 )2/(202R I B π=μ ⊙ 导体管电流产生的磁场 )](2/[103R d I B +π=μ ? 圆心Ｏ点处的磁感强度 321B B B B -+= ) ()1)((21 20d R R RI d R I +-π++? π=μ ⊙ 1 m 电磁学作业及解答精选 文档 TTMS system office room 【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8- 电磁学习题 1 (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? 2 如题图所示，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． 图 3 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平行．求： (1)圆柱轴线上的磁感应强度的大小； (2)空心部分轴线上的磁感应强度的大小． 4 如图所示，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． 图 5 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 . 6 电子在B =70×10-4T 的匀强磁场中作圆周运动，圆周半径r =．已知B 垂直于 纸面向外，某时刻电子在A 点，速度v 向上，如图． (1) (2) 试画出这电子运动的轨道； (3) (4) 求这电子速度v 的大小； (3)求这电子的动能k E ． 图 7 在霍耳效应实验中，一宽，长，厚×10-3cm 的导体，沿长度方向载有的电 流，当磁感应强度大小为B =的磁场垂直地通过该导体时，产生×10-5V 的横向电压．试求： (1) (2) 载流子的漂移速度； (3) (4) 每立方米的载流子数目． 电磁学第二章习题答 案 习题五（第二章 静电场中的导体和电介质） 1、在带电量为Q 的金属球壳内部，放入一个带电量为q 的带电体，则金属球 壳内表面所带的电量为 - q ，外表面所带电量为 q +Q 。 2、带电量Q 的导体A 置于外半径为R 的导体 球壳B 内，则球壳外离球心r 处的电场强度大小 204/r Q E πε=，球壳的电势R Q V 04/πε=。 3、导体静电平衡的必要条件是导体内部场强为零。 4、两个带电不等的金属球，直径相等，但一个是空心，一个是实心的。现使它们互相接触，则这两个金属球上的电荷( B )。 (A)不变化 (B)平均分配 (C)空心球电量多 (D)实心球电量多 5、半径分别R 和r 的两个球导体(R ＞r)相距很远，今用细导线把它们连接起来，使两导体带电，电势为U 0，则两球表面的电荷面密度之比σR /σr 为 ( B ) (A) R/r (B) r/R (C) R 2/r 2 (D) 1 6、有一电荷q 及金属导体A ，且A 处在静电平衡状态，则( C ) (A)导体内E=0，q 不在导体内产生场强； (B)导体内E ≠0，q 在导体内产生场强； (C)导体内E=0，q 在导体内产生场强； (D)导体内E ≠0，q 不在导体内产生场强。 7、如图所示，一内半径为a ，外半径为b 的金属球壳，带有电量Q ， 在球壳空腔内距离球心为r 处有一点电荷q ，设无限远 处为电势零点。试求： (1)球壳外表面上的电荷； (2)球心O 点处由球壳内表面上电荷产生的电势； (3)球心O 点处的总电势。 解: (1) 设球壳内、外表面电荷分别为q 1 , q 2,以O 为球心作一半径为R (a 电磁学第一次作业解答 第六章 真空中的静电场 6-1 在边长为a 的正方形四个顶点上各有相等的同号点电荷－q ．试求：在正方形的中心处应放置多大电荷的异号点电荷q 0，才能使每一电荷都受力为零？ 解：如图所示，由于对称分布，放在中心处的q 0无论电荷多少都能取得平衡.因四个定点上的电荷受力情况相同，因此只需考虑任一顶点上的电荷受力情况．例如考虑D 点处的电荷，顶点A 、B 、C 及中心处的电荷所激发的电场对D 处点电 荷的作用力的大小分别为： ( ) 2 002 0122 /24a qq a qq qE f εεπ=π= = ( ) 2 02 2 2 2824a q a q qE f B εεπ= π= = 2 02 34a q qE f A επ== 2 02 44a q qE f C επ= = 各力方向如图所示，α＝45°．D 处电荷的受力平衡条件为： ∑=0x f , ∑=0y f 用 0c o s c o s 123=-+=∑ ααf f f f x 将f 1，f 2，f 3式代入上式化简得： ()4/2210q q +=＝0.957 q 用∑=0y f 得同样结果． 6-4 如图所示，真空中一长为L 的均匀带电细直杆，总电荷为q ，试求在直杆延长线上距杆的一端距离为d 的P 点的电场强度． 解：设杆的左端为坐标原点O ，x 轴沿直杆方向．带电直杆的电荷线密度为λ=q / L ，在x 处取一电荷元d q = λd x = q d x / L ，它在P 点的场强： L q O () 2 04d d x d L q E -+π= ε() 2 04d x d L L x q -+π= ε 总场强为 ?+π= L x d L x L q E 0 2 ) (d 4－ε() d L d q +π= 04ε 方向沿x 轴，即杆的延长线方向． 6-8 两根相同的均匀带电细棒，长为l ，电荷 线密度为λ，沿同一条直线放置．两细棒间最近距离也为l ，如图所示．假设棒上的电荷是不能自由移动的，试求两棒间的静电 相互作用力． 解：选左棒的左端为坐标原点O ，x 轴沿棒方向向右，在左棒上x 处取线元 d x ，其电荷为d q ＝λd x ，它在右棒的x '处产生的场强为： () 2 04d d x x x E -'π= ελ 整个左棒在x '处产生的场强为： () ? -'π= l x x x E 0 2 04d ελ?? ? ??'--'π= x l x 11 40ελ 右棒x '处的电荷元 d x '在电场中受力为： x x l x x E F '?? ? ??'--'π= '=d 11 4d d 02 ελ λ 整个右棒在电场中受力为： ???'?? ? ??'--'π=l l x x l x F 3202 d 11 4ελ 34ln 402 ελπ=，方向沿x 轴正向． 左棒受力 F F -=' 6-14 一半径为R 的半球面，均匀地带有电荷，电荷面密度为σ，求球心O 处的电场强度． 解： 选取坐标轴Ox 沿半球面的对称轴，如图所示．把半球面分成许多微小宽度的环带，每一环带之面积 θθθθd R R R S s i n 2d s i n 2d 2 π=π= 小环带上带电荷 θθσσd s i n 2d d 2R S q π== 该电荷元在O 点产生的场强 O R d E x d θ θ 第八章作业分析（2007/05/23） 8.2 三个电量为q-的点电荷各放在边长为r的等边三角形的三个顶点上，点电荷Q(Q>0) Q之值应为多大？ q - 解：由题 2 2 2 14 1 r q f f? = = πε ， 2 ) 3 2 ( 4h qQ f πε =，而f f3 =，r h 2 3 =，联立解之：q Q 3 3 = 8.5 一个电偶极子的电矩为l P q =，证明此电偶极子轴线上距其中心为r(r>>l)处的 一点的场强为3 4/ 2r P Eπε =。 解：由题 2 4 1 + + ? = r q E πε ， 2 4 1 - - ? = r q E πε ，而2 2 2 2 2 r l r r+ ? ? ? ? ? = =- + 由对称性可知 + E、-E的 沿中垂线方向方量相互抵消，只剩平行于l的方向，则： 3 2 1 4 2 cos 2 + + + + ? = ? ? 4 2 = = r ql r l r q E E πε πε θ 而r>>l，即t+≈r ∴ 3 4r p E πε = 8.7 有一长度为L，电荷线密度为λ的均匀带电直线段, 求直线的延长线上距近端为R 的P点处的场强。 x dx x0 解：取线地dx 有：dx dq λ= ∴ 20 41x dx dE λπε? = ∴ ) (44102 L R R L x dx E L R R +? = ? =? +πελλπε 方向沿带电直线 8.9 如图8-43，一个细的带电塑料圆环，半径为R ，所带电荷线密度λ和θ有θλλsin 0=的 关系，求在圆心处的电场强度的方向和大小。 解：取线元dl ，有：θd R dl ?= ∴ )(sin 41410002 R d R R Rd E d -??= ? = θθλπεθ λπε ∴ 0cos sin 420 00 =- =? θθθπελπd R E x R d R E y 00220 004sin 4ελ θθπελπ-=-=? 8.11 如图8-45所示，有宽度为L ，电荷面密度为σ的无限长均匀带电平面，求在与 带电平面共面的P 点处的场强。 dx 解： 取宽度为dx 的无限长，其在P 点的场强为： x a L dx r dE -+??=?= 1 21200πεσπελ 电磁学第七次作业解答-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 2 电磁学第七次作业解答 8-21 一无限长圆柱形铜导体(磁导率μ0)，半径为R ，通有均匀分布的电流I ．今取一矩形平面S (长为1 m ，宽为2 R )，位置如右图中画斜线部分所示，求通过该矩形平面的磁通量． 解：在圆柱体内部与导体中心轴线相距为r 处的磁感强度的大小，由安培环路定 律可得： )(220R r r R I B ≤π=μ 因而，穿过导体内画斜线部分平面的磁通Φ1为 ???==S B S B d d 1 Φr r R I R d 2020?π=μπ=40I μ 在圆形导体外，与导体中心轴线相距r 处的磁感强度大小为 )(20 R r r I B >π=μ 因而，穿过导体外画斜线部分平面的磁通Φ2为 ??=S B d 2Φr r I R R d 220?π=μ2ln 20π=I μ 穿过整个矩形平面的磁通量 21ΦΦΦ+=π=40I μ2ln 20π +I μ 8-22 有一长直导体圆管，内外半径分别为R 1和R 2，如图，它所载的电流I 1均匀分布在其横截面上．导体旁边有一绝缘“无限长”直导线，载有电流I 2，且在中部绕了一个半径 为R 的圆圈．设导体管的轴线与长直导线平行，相距为d ，而且它们与导体圆 圈共面，求圆心O 点处的磁感强度B ． 解：圆电流产生的磁场 )2/(201R I B μ= ⊙ 长直导线电流的磁场 )2/(202R I B π=μ ⊙ 导体管电流产生的磁场 )] (2/[103R d I B +π=μ? I S 2R 1 m d R O I 1 I 2 I 2 一． 1.对于矢量A，若A＝ e x A＋y e y A＋z e z A， x 则： e?x e＝；z e?z e＝； y e?x e＝；x e?x e＝ z 2.对于某一矢量A，它的散度定义式为； 用哈密顿算子表示为 3.对于矢量A，写出： 高斯定理 斯托克斯定理 4.真空中静电场的两个基本方程的微分形式为 和 5.分析恒定磁场时，在无界真空中，两个基本场变量之间的关系 为，通常称它为 二.判断：（共20分，每空2分）正确的在括号中打“√”，错误的打“×”。 1.描绘物理状态空间分布的标量函数和矢量函数，在时间为一定值的情况下，它们是唯一的。（） 2.标量场的梯度运算和矢量场的旋度运算都是矢量。（） 3.梯度的方向是等值面的切线方向。（） 4.恒定电流场是一个无散度场。（） 5.一般说来，电场和磁场是共存于同一空间的，但在静止和恒定的情况下，电场和磁场可以独立进行分析。（） 6.静电场和恒定磁场都是矢量场，在本质上也是相同的。（） 7.研究物质空间内的电场时，仅用电场强度一个场变量不能完全反映物质内发生的静电现象。（ ） 8.泊松方程和拉普拉斯方程都适用于有源区域。（ ） 9.静电场的边值问题，在每一类的边界条件下，泊松方程或拉普拉斯方程的解都是唯一的。（ ） 10.物质被磁化问题和磁化物质产生的宏观磁效应问题是不相关的两方面问题。（ ） 三.简答：（共30分，每小题5分） 1.用数学式说明梯无旋。 2.写出标量场的方向导数表达式并说明其涵义。 3.说明真空中电场强度和库仑定律。 4.实际边值问题的边界条件分为哪几类？ 5.写出磁通连续性方程的积分形式和微分形式。 6.写出在恒定磁场中，不同介质交界面上的边界条件。 四.计算：（共10分）半径分别为a,b(a>b),球心距为c(c 电磁学第六次作业解答-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 电磁学第六次作业解答 第八章 真空中的稳恒磁场 8-2 如图所示，一无限长直导线通有电流I =10 A ，在一处折成夹角＝60°的折线，求角平分线上与导线的垂直距离均为r =0.1 cm 的P 点处的磁感强度．(0 =4×10-7 H ·m -1) 解：P 处的B 可以看作是两载流直导线所产生的，1B 与2 B 的方向相同． 21B B B += r I π=40μ+?--?)]90sin(60[sin r I π40μ)]60sin(90[sin ?--? r I π=420μ=?+?)60sin 90(sin 3.73×10-3 T 方向垂直纸面向上． 8-4 将通有电流I 的导线在同一平面内弯成如图所示的形状，求D 点的磁感强度B 的大小． 解：其中3/4圆环在D 处的场 )8/(301a I B μ= AB 段在D 处的磁感强度 )221 ()]4/([02?π=b I B μ BC 段在D 处的磁感强度 )221 ()]4/([03?π=b I B μ 1B 、2B 、3B 方向相同，可知D 处总的B 为 )223( 40b a I B + π π= μ 8-12 如图所示，有一密绕平面螺旋线圈，其上通有电流I ，总匝数为N ，它被限制在半径为R 1和R 2的两个圆周之间．求此螺旋线中心O 处的磁感强度． 解：以O 为圆心，在线圈所在处作一半径为r 的圆．则在r 到r + d r 的圈数为 r R R N d 1 2- 由圆电流公式得 ) (2d d 120R R r r NI B -=μ ?= -= 2 1 ) (2d 12 0R R R R r r NI B μ1 2 120ln ) (2R R R R NI -μ D b A B C a I b O R 1 R 2 I r r P θ 第五章静电场 5－9若电荷Q均匀地分布在长为L的细棒上.求证：(1)在棒的延长线，且离棒中心为r处的电场强度为 E 1 πε04r Q 2 2 L (2)在棒的垂直平分线上，离棒为r处的电场强度为 E 1 Q 2 2 πε 0r4r 2 L 若棒为无限长(即L→∞)，试将结果与无限长均匀带电直线的电场强度相比较. 分析这是计算连续分布电荷的电场强度.此时棒的长度不能忽略，因而不能将棒当作点电 荷处理.但带电细棒上的电荷可看作均匀分布在一维的长直线上.如图所示，在长直线上任意取一线元dx，其电荷为dq＝Qdx/L，它在点P的电场强度为 d E 1 4 πε dq 2 r e r 整个带电体在点P的电场强度 E d E 接着针对具体问题来处理这个矢量积分. (1)若点P在棒的延长线上，带电棒上各电荷元在点P的电场强度方向相同， E dE i L (2)若点P在棒的垂直平分线上，如图(A)所示，则电场强度E沿x轴方向的分量因对称性叠加为零，因此，点P的电场强度就是 E dE y j sinαdE j L 证(1)延长线上一点P 的电场强度 E dq L 2πεr 0 2 ，利用几何关系r ′＝r －x 统一积分变量， 则 1QdxQ111QL/2 E P 电场强度的方向 222 -L/2 40LrxLrL /2rL /2π4rL πεπεε 4 00 沿x 轴. (2)根据以上分析，中垂线上一点P 的电场强度E 的方向沿y 轴，大小为 E L s indq α dE 2 4r πε 0 利用几何关系sin α＝r/r ′， 2x 2 rr 统一积分变量，则 E L/ -L/ 2 2 1 rQdx Q 2/3 2 422r πxr π εεr 0L4 1 2 2 L 当棒长L →∞时，若棒单位长度所带电荷λ为常量，则P 点电场强度 E lim l 1 2 πr ε 0 1 Q / 4r L 2 / 2 L λ 2πεr 此结果与无限长带电直线周围的电场强度分布相同［图(B )］.这说明只要满足r 2 /L 2 ＜＜1， 带电长直细棒可视为无限长带电直线. 5－14设匀强电场的电场强度E 与半径为R 的半球面的对称轴平行，试计算通过此半球面 的电场强度通量. 2.6 在圆柱坐标系中电荷分布为ρ={①r/a ，r ≤a ②0，r ＞a ，r 为场点到z 轴的距离，a 为常数。求电场强度。 解：电场强度只有沿r 方向分量，选取长度为l 的圆柱 s d 2r q E S rlE πε?== ?? （1） r a ≤时3 223r lr q dV rldr a a πρπ===???? 代入（1）得： 2 3r r E a ε= r a >时2 223a r la q dV rldr a πρπ===???? 代入（1）得： 2 3r a E r ε= 2.7在直角坐标系中电荷分布为ρ（x ，y ，z ）={①ρ0 ∣x ∣≤a ②0 ∣x ∣＞a 求电场强度。 解：电场与y ，z 均无关，电场强度只有沿x 方向分量， ()0 x E E x ρ ε???= =? （1） r a ≤时0ρρ= 代入（1）得： 00 x x E C ρε= + 0x →时x E 为有限值所以0C = 00 x x E ρε= r a >时0ρ= 代入（1）得： 'r E C = 在x a =处r E 连续，所以'00 a C ρε= 00 r a E ρε= 2.16已知电场强度为E=3x+4y-5z ，试求点（0,0,0）与点（1,2,1）之间的电 压 解：6b b b b x y z a a a a U E dl E dx E dy E dz =?=++=???? 2.26两同心导体球壳半径分别为a 、b ，两导体之间有两层介质，介电常数分别为ε1、ε2，介质界面半径为c ，内外导体球壳电位分别为V 和0，求两导体球壳之间的电场和球壳上的电荷面密度，以及介质分界面上的束缚电荷面密度。 解：两球壳之间电介质不带电电位分布满足拉普拉斯方程20??= 选取球坐标则有：22210r r r r ?????? ?== ????? '1 11C C r ?=- + ' 222 C C r ?=-+ 代入边界条件 ' 2220r b C C b ?=∣=-+= '1 11r a C C V a ?=∣=-+= 12n r c n r c D D ==∣=∣ 12r c r c ??==∣=∣ 由上式可得： 1122211111 ()()1111()()V C a c c b V C a c c b εεεε=- -+-=- -+- 12122221,() 1111()(),() 1111()()V E a r c r a c c b V E c r b r a c c b εεεε= <<-+-= <<-+- 在介质与导体分界面上的电荷密度s n D ρ=电磁学作业及解答
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