大学物理第四章静电场课后习题
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1、在间距为d 的平行板电容器中,平行地插入一块厚为d/2的金属大平板,则电容变为原来的 倍,如果插入的是一块厚为d/2,相对介电常数为4r ε=的大介质平板,则电容变为原来的 倍。
平行地插入一块厚为d/2的金属大平板,相当于两平行板间的距离缩小了d/2,则000'2/2SC C d ε==,故电容变为原来的2倍;如果插入的是一块厚为d/3相对介电常数为4r ε=的大介质平板,相当于两个电容器串联,0108/2r SC C d εε==0202/2SC C d ε==1212' 1.6C C C C C C ==+2、如图,110C f μ= 25C f μ= 315C f μ= 100u V =,则此电容器组和的等效电容为 ,电容器1C 的储存的电能为 。
2、解:7.5f μ 0.0125J1C 与2C 并联12'10515C C C f μ=+=+='C 与3C 串联33'1515''7.5'1515C C C f C C μ⨯===++'C 与3C 串联 电容大小相等,所以'C 上分到一般的电压50V ,1C 的储存的电能为262111(1010)500.012522e W C V J -==⨯⨯=3、[ ] 真空中A 、B 两平行板相距为d ,面积均为S ,分别均匀带电q +和q -,不计边缘效应,则两板间的作用力为:(1) 220/4f q d πε=; (2) 20/f q S ε=; (3) 20/2f q S ε=解答:200/2/2f qE q q S q Sεε==⨯=4、[ ]真空中带电的导体球面与均匀带电的介质球体,它们的半径和所带的电量都相同,设带电球面的静电能为1W ,带电球体的静电能为2W ,则: (1) 12W W >; (2) 12W W =; (3) 12W W <解答:设电量为Q ,半径为R. 则均匀带电球面的静电能202222001820'422QR RVE R W dV r dr r πεεερπε∞⎛⎫=== ⎪⎝⎭⎰⎰则均匀带电球体的静电能22200022233220002408202004422323RQ Q Q RRRR VE r R W dV r dr r dr r πεπεπεεεερρππεε∞⎛⎫⎛⎫==+=+= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎰⎰⎰所以12W W <。
作业4 静电场四导线穿过外球壳上的绝缘小孔与地连接,外球壳上带有正电荷,则内球壳上[ ]。
.A 不带电荷.B 带正电 .C 带负电荷.D 外表面带负电荷,内表面带等量正电荷答案:【C 】解:如图,由高斯定理可知,内球壳内表面不带电。
否则内球壳内的静电场不为零。
如果内球壳外表面不带电(已经知道内球壳内表面不带电),则两壳之间没有电场,外球壳内表面也不带电;由于外球壳带正电,外球壳外表面带正电;外球壳外存在静电场。
电场强度由内球壳向外的线积分到无限远,不会为零。
即内球壳电势不为零。
这与内球壳接地(电势为零)矛盾。
因此,内球壳外表面一定带电。
设内球壳外表面带电量为q (这也就是内球壳带电量),外球壳带电为Q ,则由高斯定理可知,外球壳内表面带电为q -,外球壳外表面带电为Q q +。
这样,空间电场强度分布r r qr E ˆ4)(201πε=ρρ,(两球壳之间:32R r R <<)r r Qq r E ˆ4)(202πε+=ρρ,(外球壳外:r R <4)其他区域(20R r <<,43R r R <<),电场强度为零。
内球壳电势为041)11(4ˆ4ˆ4)()(403202020214324322=++-=⋅++⋅=⋅+⋅=⋅=⎰⎰⎰⎰⎰∞∞∞R Q q R R q r d r rQq r d r r q r d r E r d r E l d E U R R R R R R R πεπεπεπερρρρρρρρρρ则04432=++-R QR q R q R q ,4324111R R R R Q q +--=由于432R R R <<,0>Q ,所以0<q即内球壳外表面带负电,因此内球壳负电。
2.真空中有一组带电导体,其中某一导体表面某处电荷面密度为σ,该处表面附近的场强大小为E ,则0E σ=。
那么,E 是[ ]。
.A 该处无穷小面元上电荷产生的场 .B 导体上全部电荷在该处产生的场 .C 所有的导体表面的电荷在该处产生的场 .D 以上说法都不对答案:【C 】解:处于静电平衡的导体,导体表面附近的电场强度为0E σ=,指的是:空间全部电荷分布,在该处产生的电场,而且垂直于该处导体表面。
练习一 静电场(一)1.如图1-1所示,细绳悬挂一质量为m 的点电荷-q ,无外电场时,-q 静止于A 点,加一水平外电场时,-q 静止于B 点,则外电场的方向为水平向左,外电场在B 点的场强大小为qmg tan2.如图1-2所示,在相距为a 的两点电荷-q 和+4q产生的电场中,场强大小为零的坐标x= 2a 。
3.如图1-3所示,A 、B 为真空中两块平行无限大带电平面,已知两平面间的电场强度大小为0E ,两平面外侧电场强度大小都是0E /3,则A 、B 两平面上的电荷面密度分别为 和 。
4.(3)一点电荷q 在电场中某点受到的电场力,f很大,则该点场强E 的大小:(1)一定很大; (2)一定很小;(3)其大小决定于比值q f /。
5.(2)有一带正电金属球。
在附近某点的场强为E ,若在该点处放一带正电的点电荷q 测得所受电场力为f ,则:(1)E=f/q (2)E>f/q (3)E<f/q6.两个电量都是+q 的点电荷,相距2a 连线中点为o ,求连线中垂线上和。
相距为r 的P 点的场强为E ,r 为多少时P 点的场强最大?解:经过分析,E x =0a r dr E d drdE r a qr a q E r r y 220|,0|)(21sin 412222/3220220±=<=+=+=得:由πεθπε7.长L =15cm 直线AB 上,均匀分布电荷线密度λ=5.0⨯10-9c/m 的正电荷,求导线的延长线上与导线B 端相距d=5.0cm 的P 点的场强。
)/(67544120.005.02020C N x dx E x dxdE ===⎰πελλπε 练习二 静电场(二)1.场强为E 的均匀电场与半径为R 的半球面的轴线平行,则通过半球面的电通量Φe=E R 02επ2.边长为L 的正方形盒的表面分别平行于坐标面XY 、YZ 、ZX ,设均匀电场j i E ρρρ65+=,则通过各面电场强度通量的绝对值 ,6,5,022L L X Z Z Y Y X =Φ=Φ=Φ3.如用高斯定理计算:(1)无限长均匀带电直线外一点P的场强(图2-3(a));(2)两均匀带电同心球面之间任一点P的场强(图2-3(b)),就必须选择高斯面。
作业4 静电场四它们离地球很远,内球壳用细导线穿过外球壳上得绝缘小孔与地连接,外球壳上带有正电荷,则内球壳上[ ]。
不带电荷 带正电 带负电荷外表面带负电荷,内表面带等量正电荷答案:【C 】解:如图,由高斯定理可知,内球壳内表面不带电。
否则内球壳内得静电场不为零。
如果内球壳外表面不带电(已经知道内球壳内表面不带电),则两壳之间没有电场,外球壳内表面也不带电;由于外球壳带正电,外球壳外表面带正电;外球壳外存在静电场。
电场强度由内球壳向外得线积分到无限远,不会为零。
即内球壳电势不为零。
这与内球壳接地(电势为零)矛盾。
因此,内球壳外表面一定带电。
设内球壳外表面带电量为(这也就就是内球壳带电量),外球壳带电为,则由高斯定理可知,外球壳内表面带电为,外球壳外表面带电为。
这样,空间电场强度分布,(两球壳之间:) ,(外球壳外:)其她区域(,),电场强度为零。
内球壳电势为041)11(4ˆ4ˆ4)()(403202020214324322=++-=⋅++⋅=⋅+⋅=⋅=⎰⎰⎰⎰⎰∞∞∞R Qq R R q r d r rQq r d rr q r d r E r d r E l d E U R R R R R R R πεπεπεπε则,由于,,所以即内球壳外表面带负电,因此内球壳负电。
2.真空中有一组带电导体,其中某一导体表面某处电荷面密度为,该处表面附近得场强大小为,则。
那么,就是[ ]。
该处无穷小面元上电荷产生得场 导体上全部电荷在该处产生得场 所有得导体表面得电荷在该处产生得场 以上说法都不对 答案:【C 】解:处于静电平衡得导体,导体表面附近得电场强度为,指得就是:空间全部电荷分布,在该处产生得电场,而且垂直于该处导体表面。
注意:由高斯定理可以算得,无穷小面元上电荷在表面附近产生得电场为;无限大带电平面产生得电场强度也为,但不就是空间全部电荷分布在该处产生得电场。
3.一不带电得导体球壳半径为,在球心处放一点电荷。