大学物理习题集(下)答案95268

练习一1、C ，2、C ，3、C ，4、D,5、()j y a qy2/322042+πε， (j 为y 方向单位矢量)， 2/a ± ，6、()30220824R qdd R R qd εεπ≈-ππ，从O 点指向缺口中心点． 7、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： ()204d d x d L q E -+π=ε()204d x d L L x q -+π=ε总场强为 ⎰+π=Lx d L xL q E 020)(d 4－ε()d L d q +π=04ε 方向沿x 轴，即杆的延长线方向．8、解：把所有电荷都当作正电荷处理. 在θ处取微小电荷 d q = λd l = 2Q d θ / π它在O 处产生场强θεεd 24d d 20220RQR q E π=π=按θ 角变化，将d E 分解成二个分量：θθεθd sin 2sin d d 202R Q E E x π==，θθεθd cos 2cos d d 202R Q E E y π-=-=对各分量分别积分，积分时考虑到一半是负电荷⎥⎦⎤⎢⎣⎡-π=⎰⎰πππθθθθε2/2/0202d sin d sin 2R QE x ＝02022/2/0202d cos d cos 2R Q R Q E y εθθθθεππππ-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-π-=⎰⎰ 所以 j R Q j E i E E y x202επ-=+=练习二1、D ，2、C ，3、A ，4、C,5、不变、变，6、－3σ / (2ε0) ，－σ / (2ε0)， 3σ / (2ε0)7、解： (1) 由对称分析知，平板外两侧场强大小处处相等、方向垂直于平面且背离平面．设场强大小为E ． 作一柱形高斯面垂直于平面．其底面大小为S ，如图所示． 按高斯定理∑⎰=⋅0ε/d q S E S，即22d d 12εερεkSbx x kSx S SE bb===⎰⎰得到 E = kb 2 / (4ε0) (板外两侧) （2）过P 点垂直平板作一柱形高斯面，底面为S ．设该处场强为E '，如图所示． 按高斯定理有 ()022εεkSbxdx kSS E E x==+'⎰xS P SEESSEd x b E 'd qR O xyθd θθＰLdd q x (L+d －x )d ExO得到 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-='22220b x k E ε (0≤x ≤b ) (3) E '=0，必须是0222=-b x ， 可得2/b x = 6、解：挖去电荷体密度为ρ 的小球，以形成球腔时的求电场问题，可在不挖时求出电场1E，而另在挖去处放上电荷体密度为－ρ的同样大小的球体，求出电场2E，并令任意点的场强为此二者的叠加，即可得 210E E E +=在图(a)中，以O 点为球心，d 为半径作球面为高斯面S ，则可求出O '与P 处场强的大小.ρε302113414d d d E S E S π⋅=π⋅=⋅⎰ 有 E 1O’＝E 1P =d E 013ερ= 方向分别如图所示. 在图(b)中，以O '点为小球体的球心，可知在O '点E 2=0. 又以O ' 为心，2d 为半径作球面为高斯面S '可求得P 点场强E 2P()032223/)(4)(24d ερ-π=π⋅='⋅⎰'r d E S E S203212dr E P ερ-= （1） 求O '点的场强'O E. 由图(a)、(b)可得 E O ’ = E 1O’ =03ερd， 方向如图(c)所示.(2) 设空腔任一点P 相对O '的位矢为r '，相对O 点位矢为r则3ερr E PO =， 03ερr E O P '-=' , ∴ 0003'3)(3ερερερdOO r r E E E O P PO P=='-=+=' ∴腔内场强是均匀的．练习三1、D ，2、B ，3、C,4、C,5、q / (6πε0R )6、负，增加7、解：由高斯定理可得场强分布为：E =-σ / ε0 (－a ＜x ＜a ) E = 0 (－∞＜x ＜－a ，a ＜x ＜＋∞＝E 1P ρ PE 2P E P 图(d) O O ' P E 1O’ ρ 图(a) O ρO ' d E O’=E 1 图(c)O P E 2P -ρ O 'r E 2O’=0图(b)E 1P由此可求电势分布：在－∞＜x ≤－a 区间⎰⎰⎰---+==000/d d 0d aa xxx x x E U εσ0/εσa -=在－a ≤x ≤a 区间 00d d εσεσxx x E U x x =-==⎰⎰ 在a ≤x ＜∞区间 0000d d 0d εσεσax x x E U a a x x =-+==⎰⎰⎰8、解：设x 轴沿细线方向，原点在球心处，在x 处取线元d x ，其上电荷为x q d d λ='， 该线元在带电球面的电场中所受电场力为： d F = q λd x / (4πε0 x 2) 整个细线所受电场力为： ()l r r lq x x q F l r r +π=π=⎰+00024d 400ελελ 方向沿x 正方向．电荷元在球面电荷电场中具有电势能： d W = (q λd x ) / (4πε0 x ) 整个线电荷在电场中具有电势能： ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+π=π=⎰+0000ln 4d 400r l r q x x q W l r r ελελ练习四1、D ，2、D ，3、B ，4、C ，5、U C C C C C q U C C C C C 21212221211)(,)(+-=+-，6、r εεσσ0,， 7、解：金属球的电势r d r d 221⋅+⋅=⎰⎰∞R R R E E U 外内⎰⎰∞+=22220π44πdr R R Rr r Qdrr Q εεε)11(π4210R R Q r r -+=εεε8、解:令A 板左侧面电荷面密度为1σ，右侧面电荷面密度为2σ∵ AB AC U U =，即-a +a O x UO R x r 0 r 0+ld xx∴ AB AB AC AC E E d d = ∴2d d 21===ACABAB AC E E σσ 且 1σ+2σSq A=得 ,32S q A =σ Sq A 321=σ 而 7110232-⨯-=-=-=A C q S q σC C 10172-⨯-=-=S q B σ (2)301103.2d d ⨯===AC AC AC A E U εσV练习五1、πR 2c2、 5.00×10-5 T ， 3、20d 4a lI πμ ， 平行z 轴负向 ； 4、)11(4120R R I -μ，垂直纸面向外 ，2/122210)11(4R R I+μ ，12arctg R R +π21，5、)3231(40ππμ-+R I , 6、C, 7、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，取坐标如图所示，取宽为l d 的一无限长直电流l R II d d π=，在轴上P 点产生B d 与R 垂直，大小为RI R R R I R I B 20002d 2d 2d d πθμ=πθπμ=πμ= RI B B x 202d cos cos d d πθθμ=θ=RI B B y 202d sin )2cos(d d πθθμ-=θ+π=∴ 520202221037.6)]2sin(2[sin 22d cos -ππ-⨯=πμ=π--ππμ=πθθμ=⎰RI R I R I B x T 0)2d sin (2220=πθθμ-=⎰ππ-RI B y∴ i B51037.6-⨯= T8、解：(1) 对r ～r +d r 段，电荷 d q = λ d r ，旋转形成圆电流．则 r dq I d 22d π=π=λωω 它在O 点的磁感强度rrr IB d 42d d 000π==λωμμ⎰⎰+π==b a a r r B B d 4d 000λωμa ba +π=ln 40λωμ 方向垂直纸面向内． r r I r p m d 21d d 22λω=π=⎰⎰+==ba am m r r p p d 21d 2λω 6/])[(33a b a -+=λω 方向垂直纸面向内．练习六1、B2、)2(120I I -μ3、320μI ， 4、Rihπμ20，5、)2/(210R rI πμ ，0 6、解：取同轴闭合圆环r l π2= )(b r a <<则 ⎰π=⋅lr B l B 2d2222)(a b Ia r I ππππ--=∑∴ )(2)(22220a b r a r I B --=πμ 7、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 IB ≤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 RIRd 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 )(20R r rIB >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 Rd 220⎰π=μ2ln 20π=Iμ穿过整个矩形平面的磁通量 21ΦΦΦ+=π=40I μ2ln 20π+IμOarbd r ω1、A ，2、B ，3、)/(cos 2eB m θv π， )/(sin eB m θv ，4、alB 2，5、铁磁质，顺磁质，抗磁质，6、 0.226 T ，300 A/m7、解： (1) 0=⨯=B l I F bcB l I F ab⨯= 方向⊥纸面向外，大小为866.0120sin ==︒IlB F ab NB 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221033.443-⨯===B l I ISB M m N ⋅(3)磁力功 )(12ΦΦ-=I A∵ 01=Φ B l 2243=Φ ∴ 221033.443-⨯==B l IA J 8、解：在直线电流2I 上任意取一个小电流元dl I 2，此电流元到长直线 的距离为x ，无限长直线电流1I 在小电流元处产生的磁感应强度 xI B πμ210=21021060cos 22dxx I I dl x I I dF ⋅==πμπμ ab I I dxx I I F ba ln 60cos 22100210πμπμ=⋅=⎰1、D ，2、C ，3、A ，4、0.40 V ， 0.5 m 2/s ，5、 5×10-4 Wb ，6、解：2IB xμπ=ln 22d adIl Id a ldx x dμμππ++Φ=⋅=⎰0l n c o s 2N I l d d a Nt dt dμωεωπΦ+=-=- 7、解: ⎰==︒=⋅=22212160cos d klvt lv kt Blvt S B m Φ∴ klvt tm-=-=d d Φε 即沿abcd 方向顺时针方向．练习九1、28/104.0s m ⨯顺时针 2、 πBnR 2 ，O 3、dtdBR221π， 4、等于零，不等于零；不等于零，等于零 5、RBfr 22π6、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∵ ⎰+-<+-==ba ba MN ba ba Iv l vB 0ln 2d cos 0πμπε 所以MeN ε沿NeM 方向，大小为ba ba Iv -+ln 20πμ M 点电势高于N 点电势，即ba ba Iv U U N M -+=-ln 20πμ 7、解： ∵ bc ab ac εεε+=tBR B R t t ab d d 43]43[d d d d 21=--=-=Φε=-=t abd d 2ΦεtB R B R t d d 12π]12π[d d 22=--∴ tBR R acd d ]12π43[22+=ε ∵0d d >tB∴ 0>ac ε即ε从c a →练习十1、C ，2、C ，3、0，4、 垂直纸面向里 ， 垂直OP 连线向下 ，5、（4）（2）（1） 5、解：圆柱形电容器电容 12ln 2R R lC πε=12ln 2R R lUCU q πε== 1212ln ln 22R R r U R R r lU S q D εππε===∴ 12ln R R r ktDj ε=∂∂=6、如图10-17图所示，取r l S d d = 则 ⎰⎰-----=--=-+=ad aad aad da a d Il r r r Ilr l r Ir πI)ln (ln 2πd )d 11(π2d ))d (π22(0000μμμμΦ aad Il-=lnπ0μ ∴ aad lIL -==lnπ0μΦ练习十一1、A2、 B3、B ，4、D ，5、2π (n -1) e / λ ， 4×103 ；6、解: (1)由λk d D x =明知，λ22.01010.63⨯⨯=， ∴ 3106.0-⨯=λmm oA 6000=(2) 3106.02.010133=⨯⨯⨯==∆-λd D x mm7、解：(1) ∆x ＝20 D λ / a ＝0.11 m(2) 覆盖云玻璃后，零级明纹应满足 (n －1)e ＋r 1＝r 2设不盖玻璃片时，此点为第k 级明纹，则应有 r 2－r 1＝k λ所以 (n －1)e = k λk ＝(n －1) e / λ＝6.96≈7 零级明纹移到原第7级明纹处练习十二1、A ，2、 C ，3、C ，4、 1.40 ，5、0.6mm 。

1. B解释：4/3π属于第二象限，特点是位移为负，速度为负。

2. C解释：旋转矢量处在第四象限，转过的角度为3/π 。

3. D解释：由旋转矢量知，合矢量和分矢量可组成正三角形，故分矢量间夹角为3/2π 。

4. cm 0 s m /03.0π 解释：由ωA 求出速度值。

5. 4/π )4c o s (02.0ππ+=t x解释：零时刻相位即为初相，由t 时刻相位求出ω 。

6. )2cos(04.0ππ+=t x解释：这题就不罗嗦了^_^参考上题。

7. 由 )65sin(2.0π-=t x 求出 )65sin(5π--=t a由 ma F = 求出 N F 56s i n 250=⨯⨯=π1)65sin(=-πt 时 N F 10max = 此时 2.0±=x （不需解出t ）8. 本题直接求解较麻烦，用旋转矢量法求解比较方便。

由题意分析可得过A 点时矢量在第三象限，第一次过B 点在第四象限，第二次在第一象限。

配合矢量图可解得 πϕ430-= 4πω= 25=A cm所以振动方程为 )434c o s (25ππ-=t x cm 93.345==πυA cm/s 9. 由题意很容易知道 2003.060==k 502==mk ω 由振动方程知 )c o s (02ϕωω+-=t A a 若使物体在平衡位置上方分离，则只需 g A ≥2ω 即 2.02=≥ωgA 米1. B解释：代入时间后由原点相位确定曲线。

2. D解释：求出各个量的表达式。

3. D解释：写出波动方程即可。

4. 0.5解释：由比例可求出。

5. π解释：求出波长即可求出。

6. 503 m/s7. 紫外线 X 射线 γ射线 解释：参考课本P82。

8. )2165cos(1.0πππ--=x t y解释：由图求出s m u /330= m 4=λ Hz 2165=ν πω165=，初相位直接求解波方程得到，或把y 轴右移41周期，再由移动后的图确定出正确的初位相。

《大学物理》练习题 No.13 感生电动势班级__________ 学号__________ 姓名 __________ 成绩_________ 说明：字母为黑体者表示矢量一、 选择题1.如图13.1所示，均匀磁场被局限在无限长圆柱形空间内，且成轴对称分布，图为此磁场的截面，磁场按d B /d t 随时间变化，圆柱体外一点P 的感应电场E i 应[ B ] (A) 等于零. (B) 不为零，方向向上或向下.(C)不为零，方向向左或向右.(D)不为零，方向向内或向外. (E) 无法判定. 2.一无限长直螺线管内放置两段与其轴垂直的直线导体，如图13.2所示为此两段导体所处的螺线管截面，其中ab 段在直径上，cd 段在一条弦上，当螺线管通电的瞬间（电流方向如图）则ab 、cd 两段导体中感生电动势的有无及导体两端电位高低情况为：[ D ]？(A)ab 中有感生电动势，cd 中无感生电动势，a 端电位高.(B) ab 中有感生电动势，cd 中无感生电动势，b 端电位高.(C) ab 中无感生电动势，cd 中有感生电动势，d 端电位高. (D) ab 中无感生电动势，cd 中有感生电动势，c 端电位高. 3.圆电流外有一闭合回路，它们在同一平面内，ab 是回路上的两点，如图13.3所示，当圆电流I 变化时，闭合回路上的感应电动势及a 、b 两点的电位差分别为：[ A ](A)闭合回路上有感应电动势，但不能引入电势差的概念.(B) 闭合回路上有感应电动势，U a －U b >0.(C)闭合回路上有感应电动势，U a －U b <0.(D) 闭合回路上无感应电动势，无电位差. 4. 匝数为N 的矩形线圈长为a 宽为b ,置于均匀磁场B 中.线圈以角速度ω旋转,如图13.4所示,当t =0时线圈平面处于纸面,且AC 边向外,DE 边向里.设回路正向ACDEA .则任一时刻线圈内感应电动势为[ B ] (A) -abNB ωsin ωt (B) abNB ω cos ωt (C) abNB ωsin ωt(D) -abNB ωcos ωt二.填空题1.单位长度匝数n =5000/m ，截面S =2×10-3m 2的螺绕环（可看作细螺绕环）套在一匝数为N =5，电阻R =2.0Ω的线圈A 内（如图13.5），如使螺绕环内的电流I 按每秒减少20A 的速率变化，则线圈A 内产生的感应电动势为V 31026.1-⨯伏，感应电流为A 4103.5-⨯安，两秒内通过线圈A 某一截面的感应电量为C 31026.1-⨯库仑.× × ××× ×× ×× × ·PB 图13.1 图13.2图13.3 E 图13.4bωB60°0MNBAL1L2·······················IA图13.51S 为三角形OAB 的面积，据题设，,4420201l R l S +=tB l R l t B S ABd d 44d d 20201+==ε因为0d d >tB，由楞次定律可判定B 端电位高。

大学物理学下 吴柳 第十二章12.1 一封闭的立方体形的容器,部空间被一导热的、不漏气的、可移动的隔板分为两部分,开始其为真空,隔板位于容器的正中间(即隔板两侧的长度都为l 0),如图12-30所示.当两侧各充以p 1,T 1与 p 2,T 2的相同气体后,比是多少)?解: 活塞两侧气体的始末状态满足各自的理想气体状态方程左侧: T pV T V p 111= 得, T pT Vp V 111=右侧:T pV T V p 222= 得, T pT Vp V 222=122121T p T p V V = 即隔板两侧的长度之比 122121T p T p l l = 12.2 已知容器有某种理想气体,其温度和压强分别为T =273K,p =1.0×10-2atm ,密度32kg/m 1024.1-⨯=ρ.求该气体的摩尔质量.解:nkT p = (1)nm =ρ (2)A mN M = (3) 由以上三式联立得:12352232028.010022.610013.1100.12731038.11024.1----⋅=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==mol kg N p kT M A ρ 12.3 可用下述方法测定气体的摩尔质量:容积为V 的容器装满被试验的气体,测出其压力为p 1,温度为T ,并测出容器连同气体的质量为M 1,然后除去一部分气体,使其压力降为p 2,温度不变,容器连同气体的质量为M 2,试求该气体的摩尔质量.解：()V V -2 2p T )(21M M - V 1p T 1M V 2p T 2M 221V p V p = (1) ()()RT MM MVV p 2122-=- (2)（1）、（2）式联立得： ()()()Vp p RT M M V p Vp p RTM M M 212121221--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=12.4在实验室中能够获得的最佳真空相当于大约10-14atm (即约为10-10mmHg 的压强),试问在室温(300K )下在这样的“真空”中每立方厘米有多少个分子？ 解： 由nkT p = 得，35311235141045.21045.21038.130010013.110----⨯=⨯=⨯⨯⨯⨯==cm m kT p n 12.5已知一气球的容积V =8.7m 3,充以温度t 1=150C 的氢气,当温度升高到370C 时,维持其气压p 及体积不变,气球中部分氢气逸出,而使其重量减轻了0.052kg ,由这些数据求氢气在00C,压力p 下的密度. 解：V p 1t m V p 2t ()V V -2 p 2t m ∆3V p 3t m 由221t V t V = （1）mmV V V ∆=-22 （2）331t V t V = （3） 3V m=ρ （4） 由以上四式联立得： 3231122109.815.2737.815.288052.02215.310--⋅⨯=⨯⨯⨯=∆-=m kg Vt t m t t t ρ 12.6真空容器中有一氢分子束射向面积2cm 0.2=S 的平板,与平板做弹性碰撞.设分子束中分子的速度13s m 100.1-⋅⨯=v ,方向与平板成60º夹角,每秒有23100.1⨯=N 个氢分子射向平板.求氢分子束作用于平板的压强. [2.9×103Pa] 解： AN M m =Pa SNm S F p 323433230109.210022.6100.223100.110210260sin 2⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===--v12.7 下列系统各有多少个自由度:⑴在一平面上滑动的粒子；⑵可以在一平面上滑动并可围绕垂直于该平面的轴转动的硬币；⑶一弯成三角形的金属棒在空间自由运动. 解：（1） 2 （2） 3 （3） 612.8 容器贮有氧气,其压强Pa 101.013atm 15⨯==p ,温度t =270C,求: (1)单位体积的分子数;(2)分子的质量m ;(3)氧气的密度ρ;(4)分子的方均根速率;(5)分子的平均平动能；(6)在此温度下,4g 氧的能. 解：(1) 由 nkT p = 得,3252351045.215.3001038.110013.1--⨯=⨯⨯⨯==m kT p n (2) kg N M m A 262331031.510022.61032--⨯=⨯⨯== (3) 3262530.11031.51045.2--⋅=⨯⨯⨯==m kg nm ρ(4) 12321084.4103215.30031.833--⋅⨯=⨯⨯⨯==s m M RTv (5) J kT k 21231021.615.3001038.12323--⨯=⨯⨯⨯==ε (6) J RT M m 21079.715.30031.82532425⨯=⨯⨯⨯==ε12.9 １mol 氢气,在温度270C 时,求⑴具有若干平动动能；⑵具有若干转动动能；⑶温度每升高10C 时增加的总动能是多少？ 解: (1) J RT 311074.315.30031.82323⨯=⨯⨯==ε (2) J RT 321049.215.30031.822⨯=⨯==ε(3) J R 8.2025==∆ε12.10 试求1mol 氢气分别在0℃和500℃时的能.解： J RT 3111067.515.27331.82525⨯=⨯⨯==ε J RT 4221061.115.77331.82525⨯=⨯⨯==ε12.11 (1)求在相同的T 、p 条件下,各为单位质量的 H 2气与He 气的能之比.(2)求在相同的T 、p 条件下,单位体积的H 2气与He 气的能之比. 解：（1） RT E H 25102132⨯⨯=- RT E eH 2310413⨯⨯=-3102=eH H E E （2） 由nkT p =, 相同的T 、p 条件，可知： e H H n n =2 kT n E H H 2522= kT n E e e H H 23=352=eH H E E 12.12 设山顶与地面的温度均为273K,空气的摩尔质量为0.0289kg ·mol -1.测得山顶的压强是地面压强的3/4,求山顶相对地面的高度为多少? 解：依题意有，340=p p 由气压公式有：m p p g RT h 301030.234ln 81.90289.027331.8ln ⨯=⨯⨯==μ 12.13 求速率大小在p v 与1.01p v 之间的气体分子数占总分子数的百分率. 解：速率间隔在p p 1.01v ~v ,即p v v 01.0=∆1==p W v v 01.0=∆=∆pW v v在p p v v 01.1~间隔的分子数占总分子数的百分数为()%83.0422=∆=∆=∆-W e W W W f N N W π12.14 求00C 的氢气分子和氧气分子的平均速率、方均根速率和最概然速率. 解: 氢气分子相对应的各种速率为1331071.110215.27331.860.160.1--⋅⨯=⨯⨯⨯==s m M RT v 13321084.110215.27331.873.173.1--⋅⨯=⨯⨯⨯==s m M RT v 1331050.110215.27331.841.141.1--⋅⨯=⨯⨯⨯==s m M RT p v 由于三种速率均与分子的摩尔质量平方根成反比4122=o H M M 所以氧气分子的三种速率为氢气分子相应速率的四分之一 121026.4-⋅⨯=s m o v 1221061.4-⋅⨯=s m o v ()121076.3-⋅⨯=s m opv12.15 如图12-31所示.两条曲线分别表示氧气和氢气在同样温度下的速率分布曲线.试问哪条曲线对应氧(氢)气的分布曲线? 氧气和氢气的最概然速率各是多少? 方均根速率各是多少? 解: 由 MRT p 2=v 可知,温度相同时,p v 与M 成反比又由图可知,12p p v v > 因此 可得,21M M > 所以, (1)为氧气的速率分布曲线 (2)为氢气的速率分布曲线()()()()2222H M O M O H p p =v v ()12500-⋅=s m O p v()()()()122222000232500-⋅===s m O H M O M H p p v v由 MRT32=v MRT p 2=v 得, p v v 232= ()12261250023-⋅=⨯=s m O v）)(v f 图12-31 习题12.14图()1222450200023-⋅=⨯=s m H v12.16 设质量为m 的N 个分子的速率分布曲线如图12-32所示.（1）由N 和0v 求a 值.（2）在速率2/0v 到30v /2间隔的分子数；（3）分子的平均平动能. 解：（1）在区间内0~0v ()v v v 0aNf = 在区间内002~v v ()a Nf =v 在区间内02~0v ，分子总数为N()0202002023200000v v v v v v v v v v v v v v a a a ad d a N =+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+=⎰⎰ 032v Na =（2）()N a a a ad d a N 12787202322023200000000==+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+=∆⎰⎰v v v v v v v v v v v v v v v v 0 (3) ()v v v v v d f ⎰=02022202020022022363191461211121210v v v v v v v v v v v v v m m ad Nd a Nm m =⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+==⎰⎰ε 12.17 设N 个粒子系统的速度分布函数为⎩⎨⎧>>>=)0）,0(d d 00v v v v v （为常量K K N v⑴画出分布函数图；⑵用N 和v 0定出常数K ；⑶用v 0表示出平均速率和方均根速率. 解：（1）KO )(v Nf 0图12-32习题12.15图0v v （2） 00v v v K Kd N ==⎰ 0v NK =（3） 211000000v v v v v v vv v ===⎰⎰d d NNv00254.032383v v v v ===ππ 12.18 试从麦克斯韦速率分布律出发推写出如下分布律:(a )以最概然速率mkTp 2=v 作为分子速率单位的分子速率p x v v =的分布律；(b )分子动能221v m k =ε的分布律.并求出最概然动能kp ε,它是否就等于221p m v ？ 解：麦克斯韦速率分布律 ()2223224v v v kTm e kT m f -⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ππ（a ） m kT p 2=v px v v= ()2224x e x kTm x f -=π (b)221v m k =ε()k kTk ke kT mf επεε-⎪⎭⎫ ⎝⎛=23124()0112423=⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=-kT e kT m d f k kT k k kεπεεε得， 01=⎪⎭⎫⎝⎛-kT k ε 221p kp m kT v ==ε12.19 设容器盛两种不同单原子气体,原子质量分别为m 1和m 2的此混合气体处于平衡状态时能相等,均为U ,求这两种气体平均速率1v 和2v 的比值以及混合气体的压力.设容器体积为V .解： RT M m U 231'= RT M m U 232''= 得，2''1'M m M m =21'''M M mm = 118m kT π=v 228m kTπ=v 则 1221m m =v v RT pV ν= RTUM m M m M m 3421'2''1'==+=ν 得， VU V RT RT U p 3434==12.20 求在标准状态下一秒分子的平均自由程和平均碰撞次数.已知氢分子的有效直径为2.0×10-10 m.解：3252351069.215.2731038.110013.1--⨯=⨯⨯⨯==m kT p n ()m nd 72521021009.21069.2100.22121--⨯=⨯⨯⨯==ππλ1331070.110215.27331.888--⋅⨯=⨯⨯⨯==s m m RT ππv 19731013.81009.21070.1--⨯=⨯⨯==s z λv12.21 在足够大的容器中,某理想气体的分子可视为d=4.0×10-10 m 的小球,热运动的 平均速率为2100.5⨯=v m/s,分子数密度为n =3.0×1025 /m 3.试求：(1) 分子平均自由程和平均碰撞频率；(2) 气体中某分子在某时刻位于P 点,若经过与其他分子N 次碰撞后,它与P 点的距离近似可表为λN R =,那么此分子约经多少小时与P 点相距10米？(设分子未与容器壁碰撞) 解: (1)()m nd 8252102107.4100.3100.42121--⨯=⨯⨯⨯==ππλ110821006.1107.4100.5--⨯=⨯⨯==s z λv(2) λN R =h R R z N t 1182107.4100.5110018222=⨯⨯⨯⨯==⎪⎭⎫ ⎝⎛==-λυυλλ 12.22 设电子管温度为300K ,如果要管分子的平均自由程大于10cm 时,则应将它抽到多大压力？(分子有效直径约为3.0⨯10-8cm ) 解:nd 221πλ=若使cm 10>λ()3192102105.21.0100.32121--⨯=⨯⨯==m d n πλπ 需使 319105.2-⨯<m nPa nkT p 1.03001038.1105.22319=⨯⨯⨯⨯==- 即需使 Pa p 1.0<12.23 计算⑴在标准状态下,一个氮分子在1s 与其他分子的平均碰撞次数；⑵容积为4L 的容器,贮有标准状况下的氮气,求1s 氮分子间的总碰撞次数.(氮分子的有效直径为3.76⨯10-8cm ） 解: (1) λυ=z 3252351069.215.2731038.110013.1--⨯=⨯⨯⨯==m kT p n()m nd 8252102109.51069.21076.32121--⨯=⨯⨯⨯==ππλ1231054.4102815.27331.888--⋅⨯=⨯⨯⨯==s m M RT ππυ 1982107.7109.51054.4--⨯=⨯⨯=s z (2) mol V V mol 179.04.224===ν AN N ν=132923103.8107.710022.6179.0-⨯=⨯⨯⨯⨯===s z N z N z A ν12.24 实验测知00C 时氧的粘滞系数s)g/(cm 1092.14⋅⨯=-η,试用它来求标准状态下氧分子的平均自由程和分子有效直径. 解：λυρη31=M RT πυ8=nm =ρ 其中 kT p n =, AN M m = 得：RT pM=ρ所以m MRT p RTMpMRT8355105.91032815.27331.810013.111092.1381383---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===ππηπηλpd kT nd 22221ππλ==m p kT d 108523100.3105.910013.1215.2731038.12---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==πλπ12.25 今测得氮气在00C 时的导热系数为237103.W m K 11⨯⋅⋅---，计算氮分子的有效直径.已知氮的分子量为28. 解：⎪⎭⎫⎝⎛=M C VM λυρκ31 R C VM 25= RT pM nm ==ρ m RMT p R MRT M pM RT73531069.131.8815.273102810013.11107.235681565283---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===ππκπκλpd kT nd 22221ππλ==m p kT d 107523102.21069.110013.1215.2731038.12---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==πλπ12.26 在270C 时,2mol 氮气的体积为0.1L ,分别用德瓦耳斯方程及理想气体状态方程计算其压强,并比较结果.已知氮气a =0.828atm ⋅L 2⋅mol -2, b =3.05⨯10-2L ⋅mol . 解：RT pV ν=Pa VRTp 731099.4101.015.30031.82⨯=⨯⨯⨯==-ν ()RT b V V a p ννν=-⎪⎭⎫ ⎝⎛+22p 2p 0V 02V V()()PaV a b V RT p 72532221044.91.010013.1828.04101005.321.015.30031.82⨯=⨯⨯⨯-⨯⨯⨯-⨯⨯=--=--ννν 第13章13.1 (1)理想气体经过下述三种途径由初态I (2p 0,V 0)变到终态Ⅱ(p 0,2V 0).试计算沿以下每一路径外界对气体所作的功:(a )先从V 0到2V 0等压膨胀然后等体积降压；(b )等温膨胀；(c )先以V 0等体积降压到p 0后再等压膨胀.(2)对1mol 的氏气体重复以上三个过程的计算？ [答案：(1)(a)2p 0V 0,(b) 2p 0V 0ln2,(c)p 0V 0;(2) (a)2p 0V 0, （b)00002002ln ))(( V a b V b V b V V ap ----+,(c)p 0V 0] 解：(1)(a) ()00000222200V p V V p pdV A V V =-==⎰ (b) 200222ln 2ln 00V p RT dV VRTpdV A V V V V ====⎰⎰(c) ()00000220V p V V p pdV A V V =-==⎰(2) 德瓦尔斯方程： ()RT b V V a p mol mol=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+2 (a) 00220V p pdV A V V ==⎰(b)()000020000222222ln 22ln 000V ab V b V b V V a p V a V a RT dV V a b V RTpdV A bV b V V V V V ----⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎪⎭⎫⎝⎛--==--⎰⎰(c) 0020V p pdV A V V ==⎰13.2 由如图13-40所示.一系统由状态a 沿acb 到达状态b ,吸热量80Cal ,而系统做功126J.⑴经adb 过程系统做功42J ,问有多少热量传入系统？⑵当系统由状态b 沿曲线ba 返回状态a 时,外界对系统做功为84J ,试问系统是吸热还是放热？热量是多少？ 解：1Cal=4.2J(1) A E Q +∆= J Q 3362.480=⨯=J A Q E 210126336=-=-=∆ 所以经adb 过程传入系统的热量 J A E Q 252422101=+=+∆= (2) J A 84-=029484210<-=--=+∆=J A E Q 所以系统是放热，热量是294J13.3 如图13-41所示.单原子理想气体从状态a 经过程abcd 到状态d ,已知p a =p d =1atm ,p b =p c =2atm ,V a =1L ,V b =1.5L ,V c =3L ,V a =4L .⑴试计算气体在abcd 过程中能的变化、功和热量；⑵如果气体从状态d 保持压力不变到状态a (图中虚线),求以上三项的结果；⑶若过程沿曲线从a 到c 状态,已知该过程吸热257Cal ,求该过程中气体所做的功. 解：(1) b a →()a b m V T T C E -=∆.νa a a RT V p ν= RVp T a a a ν=b b b RT V p ν= RV p T bb b ν=()a a b b a a b b V p V p R V p R V p R E -=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆2323ννν()J 231004.31010132515.1223⨯=⨯⨯-⨯⨯=- ()J pdV A b aV V 231076.010*******.02121⨯=⨯⨯⨯+⨯==-⎰J A E Q 21080.3⨯=+∆= 同理： c b →()()J V p V p E b b c c 231056.4101013255.12322323⨯=⨯⨯⨯-⨯⨯=-=∆-图13-41 习题13.3图pp 12J pdV A cbV V 231004.3105.11013252⨯=⨯⨯⨯==-⎰J A E Q 21060.7⨯=+∆=d c →()()J V p V p E c c d d 231004.31010132532412323⨯-=⨯⨯⨯-⨯⨯=-=∆- ()J pdV A d cV V 231052.1101013252121⨯=⨯⨯+⨯==-⎰J A E Q 21052.1⨯-=+∆=J E 21056.4⨯=∆总 J A 21032.5⨯=总 J Q 21088.9⨯=总(2) ()()J V p V p E d d a a 231056.410101325412323⨯-=⨯⨯-⨯=-=∆- J pdV A adV V 231004.3103101325⨯-=⨯⨯-==-⎰J A E Q 21060.7⨯-=+∆=(3) c a →()J E 221060.71056.404.3⨯=⨯+=∆J E Q A 221019.31060.72.4257⨯=⨯-⨯=∆-=13.4 如图13-42所示.一定质量的氧气在状态A 时,V 1=3L ,p 1=8.2×105Pa ,在状态Ｂ时V 2=4.5L ,p 2=6×105Pa .分别计算气体在下列过程吸收的热量,完成的功和能的改变：⑴经ACB 过程,⑵经ADB 过程. 解：(1) ACB 过程C A → ()()35103102.862525-⨯⨯⨯-⨯=-=∆A A C C V p V p EJ 31065.1⨯-=J A 0=J Q 31065.1⨯-=B C → ()()J V p V p E C C B B 3531025.21061035.42525⨯=⨯⨯⨯-⨯=-=∆-()()J V V p A 335122109.01035.4106⨯=⨯-⨯⨯=-=- J Q 31015.3⨯=图13-42 习题13,4图J E 3106.0⨯=∆总 J A 3109.0⨯=总 J Q 3105.1⨯=总(2) ADB 过程D A →()()J V p V p E A A D D 35310075.3102.81035.42525⨯=⨯⨯⨯-⨯=-=∆-()()J V V p A 3351211023.11035.4102.8⨯=⨯-⨯⨯=-=- J Q 310305.4⨯=B D → ()()J V p V p E D D B B 33510475.2105.4102.862525⨯-=⨯⨯⨯-⨯=-=∆-J A 0=J Q 310475.2⨯-=J E 3106.0⨯=∆总 J A 31023.1⨯=总 J Q 31083.1⨯=总13.5压强为p =1.01×103Pa,体积为0.0082 m 3的氮气,从初始温度300K 加热到400K. (1)如加热时分别体积不变需要多少热量？(2) 如加热时分别压强不变需要多少热量？ [答案: Q V =683J; Q p =957J]解：(1) RT pV ν= RTpV=ν ()J R RT pV T C E m V 6901003000082.01001.125300400255.=⨯⨯⨯⨯=-=∆=∆νJE Q V 690=∆=(2)J T R RTpVT C Q m p p 9661003000082.01001.1271255.=⨯⨯⨯⨯=∆⎪⎭⎫⎝⎛+=∆=ν 13.6 将500J 的热量传给标准状态下2 mol 氢气.(1)若体积不变,问此热量变为什么?氢气的温度变为多少?(2)若温度不变,问此热量变为什么?氢气的压强及体积各变为多少?(3)若压强不变, 问此热量变为什么? 氢气的温度及体积各变为多少？[答案: (1) T=285K; (2)Pa 1007.942⨯=p ,V 2=0.05m 3,(3)T =281.6K; V 2=0.046 m 3] 解：(1) 全部转化为能 T C Q m V V ∆=.ν K R C Q T m V 12252500.=⨯==∆ν K T 15.2851215.2732=+=(2) 全部转化为对外界做功 12lnV V RT Q T ν= 12V e V RTQ T ν= 3310448.0104.222m V =⨯⨯=-3205.0m V =2211V p V p = Pa V V p p 4521121007.905.00448.010013.1⨯=⨯⨯==(3) 一部分用于对外做功，一部分用于能增加 T C Q m p p ∆=.νK R C Q T mp p6.8272500.=⨯==∆ν K T 75.2816.815.2732=+=2211T V T V = 32112046.075.28115.2730448.0m T T V V =⨯==13.7 一定量的理想气体在某一过程中压强按2Vcp =的规律变化,c 是常量.求气体从V 1增加到 V 2所做的功.该理想气体的温度是升高还是降低? [答案: 2121);11(T T V V c A >-= ]解：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-===⎰⎰212112121V V c dV V cpdV W V V V V 由理想气体状态方程 RT pdV ν= 得，RTV V c ν=2RT V cν= 可知1221V V T T = 因为 12V V > ， 所以 21T T > 即气体的温度降低13.8 1mol 氢,在压强为1.0×105Pa,温度为20o C 时体积为0V .今使它分别经如下两个过程达到同一状态：(1)先保持体积不变,加热使其温度升高到80o C,然后令它等温膨胀使体积变为原来的2倍；(2)先等温膨胀至原体积的2倍,然后保持体积不变加热至80o C .试分别计算以上两种过程中吸收的热量、气体做的功和能的增量,并作出p-V 图.[答案: Q 2=2933J,A =1687J,∆U =1246J]解：(1) 定容过程J A 0=()J R T C Q E m V V 50.1246208025.=-=∆==∆ 等温过程 J E 0=∆ ()J RT V V RT Q A T 16.20342ln 8015.27331.82ln ln12=⨯+⨯==== J Q 66.3280=总 J A 16.2034=总 J E 50.1246=∆总 (2) 等温过程J E 0=∆J RT Q A T 56.16882ln 15.29331.82ln =⨯⨯===定容过程J A 0=()J R T C Q E m V V 50.1246208025.=-=∆==∆ J Q 06.2935=总 J A 56.1688=总 J E 50.1246=∆总 13.9 某单原子理想气体经历一准静态过程,压强Tcp =,其中c 为常量.试求此过程中该气体的摩尔热容C m . [答案: C m =（7/2）R ] 解：由理想气体状态方程 RT pV ν= 其中 Tc p =得， 2T cRV ν=dT cRTdV ν2=根据热力学第一定律，A E Q +∆= T R R dT c RT T c T R pdV T C Q m V ∆⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+∆=+∆=⎰⎰223223.νννν 则可得，R T Q C m 27=∆=ν13.10 为了测定气体的γ=⎛⎝ ⎫⎭⎪C C p V 可用下列方法：一定量的气体初始温度、压强和体积分别为T 0,p 0和V 0,用通有电流的铂丝对它加热，第一次保持气体体积V 0不变,温度和压强各变为T 1和p 1；第二次保持压力,p 0不变,温度和体积各变为T 2和V 1,设两次加热的电流和时间都相同.试证明γ=--()()p p V V V p 100100解： 过程1为定容过程 V 不变，()01T T C T C Q V V -=∆=νν由理想气体状态方程得， 000RT V p ν= R V p T ν000=101RT V p ν= RV p T ν011=即 ()001V p p RC Q V-=(1) 过程2为定压过程 p 不变，()02T T C T C Q p p -=∆=νν由理想气体状态方程得， RV p T ν102=即 ()001p V V R C Q p -= (2)由(1)(2)式即证得， ()()001001p V V V p p C C Vp --==γ13.11气缸有单原子理想气体,若绝热压缩使其容积减半,问气体分子的平均速率变为原来速率的几倍?若为双原子理想气体,又为几倍?[答案:1.26;1.15] 解：由理想气体绝热方程 常量=-T V 1γ 得，212111T V T V --=γγ 12112-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=γV V T T 其中1221V V =1122-=γT T又由 M RTπυ8= 可知， 2112122-==γυυT T1p 2p 单原子理想气体 R 35=γ, 则 26.123112==υυ双原子理想气体 R 57=γ, 则 15.125112==υυ13.12一定量的理想气体经历如图13-43所示的循环,其中AB 、CD 是等压过程,BC 、DA 是绝热过程,A 、B 、C 、D 点的温度分别为T 1、T 2、T 3、T 4.试证明此循环效率为 231T T -=η. 解：等压过程AB 吸热 ()121T T C Q p -=ν等压过程CD 放热 ()432T T C Q p -=ν BC 、DA 是绝热过程 0=Q 124312111T T T T Q Q Q A---=-==η 利用绝热方程 常量=--γγT p 1 得，γγγγ----=312211T p T p 31122T p p T γγ--⎪⎪⎭⎫⎝⎛=γγγγ----=412111T p T p 41121T p p T γγ--⎪⎪⎭⎫⎝⎛=2311211T T p p -=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-γγη 13.13设有一理想气体为工作物质的热机循环,如图13-44所示,试证明其效率为1)/(1)/(12121---=p p V V γη.解：b a →为等体升温过程，吸热 ()a b m V T T C Q -=.1νa c →为等压压缩过程， 放热()a c m p T T C Q -=.2ν2 1图13-45习题13.14狄赛尔循环()()a b m V a c m p T T C T T C Q Q ---=-=..1211η 利用理想气体状态方程 RT pV ν=, 得()()222111V p V p RV p V p R T T a a b b a b -=-=-νν 循环效率为 ()()1111212122212212---=---=p p V V V p V p V p V p γγη 13.14 有一种柴油机的循环叫做狄赛尔循环,如图13-45所示.其中BC 为绝热压缩过程,DE 为绝热膨胀过程,CD 为等压膨胀过程,EB 为等容冷却过程,试证明此循环的效率为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-'⎪⎪⎭⎫⎝⎛-'-=-11)/(121212V V V V V V γγγη 解：CD 为等压膨胀过程， 吸热 ()C D p T T C Q -=ν1EB 为等容冷却过程， 放热 ()B E V T T C Q -=ν2 循环效率 CD BE T T T T Q Q ---=-=γη11112 利用理想气体状态方程 RT pV ν=, 得()B B E E B E V p V p R T T -=-ν1()C C D D C D V p V p RT T -=-ν1()()2'11111V V p p p V V p V p V p V p C B E C C D D B B E E ---=---=γγη 利用绝热方程 常量=γpV ， 得γγE E D D V p V p = E D p V V p γ⎪⎭⎫ ⎝⎛='1()()221211V p V p RV p V p R T T a a c c a c -=-=-ννγγB BC C V p V p = B C p VV p γ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=21 由C D p p =得 γ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2'V V p p B E()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-111111111112'1212'2'122'1V V V V V V V V V V p p p p V V p p p p V B C B EB C B E γγγγγη 13.15 1mol 理想气体在400K-300K 之间完成一卡诺循环,在400K 的等温线上,起始体积为0.001 m 3,最后体积为 0.005 m 3,试计算气体在此循环中所作的功,以及从高温热源吸收的热量和传给低温热源的热量.[答案:A =1.24×103J,Q 2=4.01×103J] 解：J V V RT Q 312111035.5ln⨯==ν 该循环效率为 %254003001112=-=-=T T η 可得 J Q A 311034.1⨯==η由 21Q Q A -=, 得 J A Q Q 3121001.4⨯=-=13.16 1mol 刚性双原子分子理想气体,作如图13-46所示的循环,其中1-2为直线,2-3为绝热线,3-1为等温线,且已知θ=450,T 1=300K,T 2=2T 1,V 3=8 V 1，试求：(1)各分过程中气体做功、吸热及能增量；(2)此循环的效率. 解：(1)21→由理想气体状态方程可得， 111RT V p =222RT V p = 又由图可知，11V p =, 22V p =121RT V= 11RT V =1222RT V = 122RT V =22V V =()J R T T C E V 5.62323002512=⨯=-=∆ ()J RT V V VdV pdV A V V V v 5.12462121121222121==-===⎰⎰J A E Q 7479=+∆= 吸热32→O Q = A E -=∆ 利用绝热方程 γγpV V p =22, 得 13322223232--===⎰⎰γγγV p V p VdVV p pdV A V V V V γγ3322V p V p = 2323p VV p γ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= J RT V V V p VV V p A 5.62321578212182128157122122223222=-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--γγγγ13→0=∆E A Q =J V V RT A 51848ln 30031.8ln131-=⨯⨯-=-= J Q 5184-= 放热(2) 循环效率 %7.30747951841112=-=-=Q Q η *13.17 0.1mol 单原子理想气体,由状态Ａ经直线AB 所表示的过程到状态B,如图13-47所示,已知V A =1L , V B =3L ,p A =3atm .(1)试证A 、B 两状态的温度相等;(2)求AB 过程中气体吸收的热量;(3)求在AB 过程中，温度最高的状态C 的体积和压力(提示：写出过程方程T =T (V ));(4)由(3)的结果分析从A 到B 的过程中温度变化的情况,从A 到C 吸热还是放热？证明Q CB =0.能否由此说从C 到B 的每个微小过程都有δQ =0？ 解：(1) 由理想气体状态方程, 得 A A A RT V p ν= B B B RT V p ν=又由已知条件可知 B B A A V p V p = 即证: B A T T =(2) ()0=-=∆A B V T T C E νp (atm)图13-47 习题13.17图J pdV A 25310052.410013.11022221⨯=⨯⨯⨯⎪⎭⎫⎝⎛+⨯⨯==-⎰J A Q 210052.4⨯==(3) 由理想气体状态方程 RT pV ν=, 得R pV T ν=又由图可知： 4+-=V p 即 ()V V R T 412+-=ν 由极值条件：0=dVdT， 得 042=+-V即当 L V 2=， atm p 2= 时T 取到极大值(4) 由 (3) 可知， B A →过程中 温度T 满足函数 ()V V RT 412+-=ν C A →过程中温度升高，到达C 点时取得极大值B C →过程中温度降低，到达点时温度又回到A 点时的值C A →过程 ()0>-=∆A C V T T C E ν0>A0>+∆=A E Q 吸热dA dE dQ +=()()dV V V RC dT C dE VV 63421+-=+-==ννν ()dV V pdV dA 4+-==()dV V dQ 104+-= 即证： ()010432=+-=⎰dV V Q L LCB但不能说从C 到B 的每个微小过程都有0=Q δ13.18一台家用冰箱放在气温为300K 的房间,做—盒-13℃的冰块需从冷冻室中吸出 2.09×105J 的热量.设冰箱为卡诺制冷机,求： (1)做一盒冰块所需之外功；(2)若此冰箱能以2.09×102J·s -1的速率取出热量,求所要求的电功率是多少瓦? (3)做一盒冰块所需之时间. 解：(1)卡诺循环 制冷系数2122T T T A Q e -==abcpVOabcdVOp 代入数据得 5.6260300260=-=eJ e Q A 4521022.35.61009.2⨯=⨯==(2) W e P P 2.325.61009.22'=⨯==(3) h s P Q t 28.0101009.21009.2325'2≈=⨯⨯== 13.19 以可逆卡诺循环方式工作的致冷机,在某种环境下它的致冷系数为w =30.在同样的环境下把它用作热机,问其效率为多少？[答案：%2.3=η]解：卡诺循环 制冷系数AQ w 2=得 wA Q =2 卡诺热机循环效率 1Q A=η 且 A Q Q +=21 ()%2.33011111=+=+=+=w A w A η13.20根据热力学第二定律证明: (1)两条绝热线不能相交;(2) 一条等温线和一条绝热线不能相交两次.解：(1)假设两条绝热线可以相交，如图所示ab 为等温线 bc 、ac 为绝热线此循环过程中 A Q =1 即热全部转化为功， 这与热力学第二定律的开尔文表述相矛盾 所以，即证得：两条绝热线不能相交(2) 假设一条等温线和一条绝热线可以两次相交，如图所示ab 为等温线 cd 为绝热线此循环过程中 A Q =1 即热全部转化为功 这与热力学第二定律的开尔文表述相矛盾， 即证13.21一杯质量180g 温度为100 0C 的水置于270C 的空气中,冷却到室温后水的熵变是多少？空气的熵变是多少？总熵变是多少？[答案：-164J/K ，233J/K ，69J/K]解：熵变的定义：⎰=∆T dQS 热量的计算公式: ⎰=mcdT Q112165300373ln 22.4180ln 21-⋅-=⨯⨯-====∆⎰⎰K J T T mc dT T mc T dQ S T T 水 ()122121853007322.4180-⋅=⨯⨯=-===∆⎰K J T T T mc T Q T dQ S 空气 120165185-⋅=-=∆+∆=∆K J S S S 空气水总13.22 1mol 理想气体经一等压过程,温度变为原来的2倍.该气体的定压摩尔热容为C p ,m ,求此过程中熵的增量. [答案: 2ln Δp C S =] 解：2ln 2121p T T p T T p C TdTC TdT C S ===∆⎰⎰13.23 一房间有N 个分子, 某一宏观态时其中半个房间的分子数为n .⑴写出这种分布的熵的表达式S =k ln Ω； ⑵n =0状态与n =N /2状态之间的熵变是多少？ ⑶如果N=6⨯1023,计算这个熵差.解：(1)根据玻耳兹曼熵的表达式 W k S ln =, 得()⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛==⎪⎭⎫ ⎝⎛--NN n N k eN k n W k S A NN n A 222222ln2ln ln 2(2)熵的变化：k N NN N k N k S S S A AN 2222ln 2ln202=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯--=-=∆ (3) 23106⨯=N 时， 熵差为1232314.421038.1106--⋅=⨯⨯⨯=∆K J S第14章14.1 作简谐运动的质点,速度最大值为3cm/s ,振幅A =2cm ,若速度为正最大值时开始计时.(1)求振动的周期；(2)求加速度的最大值；(3)写出振动的表达式. 解： (1) 由2/m A A T ωπ==v ，可得2/20.02/0.03 4.2m T A s ππ==⨯⨯=v(2) 22222/0.03/0.02 4.510/m m a A A m s ω-====⨯v(3) 由于0t =时，m =+v v ，可知/2ϕπ=-，而10.03/0.02 1.5ms Aω-===v ，所以有cos()0.02cos(1.5/2)x A t t ωϕπ=+=-14.2 一水平弹簧振子的振幅A =2cm,周期T =0.50s.当t =0时 (1)物体过x =1cm 处且向负方向运动；（2）物体过x =-1cm 处且向正方向运动.分别写出以上两种情况下的振动表达式. 解： (1) 22cos() 2.010cos(4)3x A t t T ππϕπ-=+=⨯+(2) 22.010cos(42/3)x t ππ-=⨯-14.3 设一物体沿x 轴作简谐振动,振幅为12cm ,周期为2.0s ；在t =0时位移为6.0cm ,且向x 轴正方向运动.试求:(1)初相位；(2)t =0.5s 时该物体的位置、速度和加速度；(3)在x =-6.0cm 且向x 轴负方向运动时,物体的速度和加速度以及它从这个位置到达平衡位置所需要的时间. 解： (1) 001cos 23x A πϕϕ==∴=±又∵00>v ，即0sin 0A ωϕ->00sin 03πϕϕ∴<=-(2) 12cos()()0.53x t cm t s ππ=-=时0.5t s x cm ==10.52220.512sin()6312cos()3t s t st cm s a t cm sπππππππ-=-==--=-⋅=--=-⋅v(3) 12cos x ϕ=习题14.3图2Ao当6x cm =-时1cos2ϕ=-∵30sin ϕ<∴=v12212sin 6365566cm s a x cm t t sπϕπωππϕϕωωπ-=-=-⋅=-=∆∆=⋅∆∆===v 14.4 两个谐振子作同频率、同振幅的简谐振动.第一个振子的振动表达式为)cos(1φω+=t A x ,当第一个振子从振动的正方向回到平衡位置时,第二个振子恰在正方向位移的端点.求:(1)第二个振子的振动表达式和二者的相位差；(2)若t =0时,21Ax -=并向x 负方向运动,画出二者的x-t 曲线及旋转矢量图.解： (1) 用旋转矢量法分析，当第一个振子从振动的正方向回到平衡位置时，第二个振子恰好在正方向端点。

⼤学物理习题答案（下学期有图）1. (C)2.a4I0πµ, ? 3.)412(R 2I 0ππµ+-, ?4. 可看成许多平⾏的⽆限长载流直导线组成,其中⼀宽为θRd dl =的直导线载有电流dl RIdI π=θθπµθπd sin R2I)2cos(dB dB 20x -=+=-=-=ππµθθπµ02020x RI d sin R 2I Bθθπµθπd cos R 2I )2sin(dB dB 20y =+= 0d cos R2I B 020y ==?πθθπµ )T (i1037.6i RI B 620O -?-=-=πµ5. 将此盘看成⽆数同⼼带电圆环组成,半径为r的圆环带电rdr2dq πσ?=圆环转动形成的电流为rdr dq 2dI ωσπω==则 dr r dI dB ωσµµ00212== 各B d 同向R 21dr 21dB B 00Rσωµωσµ===∴??1. (B)2. 变量，I οµ-3. 1∶1, 304. 在横截⾯上以轴点为圆⼼，作半径为r 的圆形环路则（1） a r < ?=?Ll d B 0, 0=∴B(2) b r a << I a b a r rB l d B L )()(22222--==??ππµπο , ra b Ia r B )(2(22)22--=∴πµο (3) b r <I rB l d B L==?οµπ2,rIB πµο2=∴ 5. 取电流元 dI=(I/b)dx则 )x r b (b 2Idx)x r b (2dIdB 00-+=-+=πµπµrbr lnb 2I )x r b (b 2IdxB b00+=-+=?πµπµ ⽅向向⾥练习三（磁）1.（B ）2. 03. 1∶14.取⾯积元xdx ahydx dS ==,它距长直载流导线为（b+x ） m d φ=S d B ?=xdx ahx b I+)(2πµο=dx xb ba hI )1(2+-πµο∴ m φ=?m d φ=ahIπµο2dx xb ba)1(0+-=ahI πµο2[b ab ln b a +-]5. 在横截⾯上以轴点为圆⼼作半径为r 的圆形环路,由环路定理可得：R r < 222r R I rB ππµπο= r R I B 22πµο=内R r ≥ I rB οµπ=2 rIB πµο2=外矩形纵截⾯外内S S S +=，其总磁通量为：+?=S 外S 内m S d B S d Bφ)m 1l (2ln 212I ldr r 2I ldr R2Ir R 2R 0R20=+=+=）（πµπµπµο练习四（磁）1. (D)2. (B)3. (B)4. AB 处的B )6a3b (2IB AB -=πµο，?，受⼒)6a3b (2aI I F 211-=πµο, ⽅向AB ⊥向左1I 在BC 上与1I 相距x 的电流元l d I 2处的xIB πµο21=，?，由B l d I F=22 及 2330cos dxdx dl ==得 6a 3b 3a 3b ln 3I I 23dx x 2I I F 21a 33b a63b 212-+=?=+-πµπµοο⽅向：在?平⾯⾥BC ⊥向外同理知23F F =，CA F ⊥3向外（在?平⾯⾥）。

I电磁学DC7・ 1 |如图所示,一电子经过Uo = 1 >10 7m / s o（1） 欲使这电子沿半圆自A 至C 运动，试求所需的磁场 大小和方向；（2） 求电子自A 运动到C 所需的时间。

9解：（1）电子所受洛仑兹力提供向心力 evoB = m —Rmv o 9.1 lx 10~ x IX 10 ?3_得出 B 二 = _i9= 1./10 TeR 1 .6X 10 - x 0 .05磁场方向应该垂直纸面向里。

(2) 所需的时间为 t =# =药-=兀0. 05 = 1 .6 X 10 rs22 vo l x 107血工地2.0怡2的一个正电子，射入磁感应强度B 二0.1T 的匀强磁场中，其速 度矢量与B 成89角，路径成螺旋线，其轴在B 的方向。

试求这螺旋线运动的周 期T 、螺距h 和半径r o解：正电子的速率为I /XX X X - v ==1 ------- 2~~10 ' 110 19 = 2 .6x 10 7 m/s* m *9.1 1X 10做螺旋运动的周期为2 Jim 2 K X 9.1 丈 1(T 31T = ---------- = -------------- --- --------- = 3 ,6X 10 SeB 1 .6X 10一 X 0.1螺距为 h = vcos 89 °T =2.6 * 10 7 X cos 89 0 ：＜3. 6 X 10 10 = 1 .6^ lO^m317ZX _X X X_丰径为 r = mv sin 89 = 9.11 ~F02 .6⑴ TO Sih 89 = 1 .5 ^103 Hlx — xeBL6 10'0.1磁力A 点时，具有速率V0 /0 10cmA h -----------------DC7・3加1图所示,一铜片厚为d二1.0mm,放在B=1.5T的磁场中，磁场方向与铜片表面垂直。

已知铜片里每立方厘米有8.4^ 1022个自由电子，每个电子的电荷C - = -1.6 19T,当铜片中有I=200A的电流流通时，（1）求铜片两侧的电势差Uaa' ；（2）铜片宽度b对Uaa，有无影响？为什么？/// B i ////Z/-------- 28 — = -2.23 X 10_ V,8/ 10X「1.6 ¥o f X 1 .0 X 10一负号表示『侧电势高。

大学物理习题集（下）大学物理习题集下册物理教研室 2021年2月目录部分物理常量┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄2 练习一库伦定律电场强度┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1 练习二电场强度(续) 电通量┄ ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄2 练习三高斯定理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄4 练习四静电场的环路定理电势┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄5 练习五静电场中的导体┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7 练习六静电场中的电介质┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄9 练习七电容静电场的能量┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄11 练习八静电场习题课┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄12 练习九恒定电流┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14 练习十磁感应强度毕奥―萨伐尔定律┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄16 练习十一毕奥―萨伐尔定律(续) 磁场的高斯定理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄18 练习十二安培环路定律┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄19练习十三安培力┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄21 练习十四磁场中的介质┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄23 练习十五静磁场习题课┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄25 练习十六电磁感应定律动生电动势┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄27 练习十七感生电动势自感┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄29 练习十八自感(续) 互感磁场的能量┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄31 练习十九麦克斯韦方程组┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄33 练习二十电磁感应习题课┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄34 练习二十一狭义相对论的基本原理及其时空观┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄36 练习二十二相对论力学基础┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄38 练习二十三热辐射┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄40 练习二十四光电效应康普顿效应┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄41 练习二十五德布罗意波不确定关系┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄42 练习二十六氢原子理论薛定谔方程┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄44 练习二十七近代物理习题课┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄451部分物理常量万有引力常量G=6.67×10?11N・m2・kg?2 重力加速度 g=9.8m/s2阿伏伽德罗常量NA=6.02×1023mol?1 基本电荷e=1.60×10?19C 电子静质量me=9.11×10?31kg 质子静质量mn=1.67×10?27kg 摩尔气体常量R=8.31J・mol?1・K?1 玻耳兹曼常量k=1.38×10?23J・K?1斯特藩?玻尔兹曼常量? = 5.67×10-8W・m?2・K?4标准大气压1atm=1.013×105Pa 真空中光速c=3.00×108m/s *部分数学常量 1n2=0.693 1n3=1.0992中子静质量真空介电常量真空磁导率普朗克常量维恩常量mp=1.67×10?27kg ?0= 8.85×10?12 F/m?0=4?×10?7H/m=1.26×10?6H/m h = 6.63×10?34 J・s b=2.897×10?3m・K说明：字母为黑体者表示矢量练习一库仑定律电场强度一、选择题1．一均匀带电球面，电荷面密度为?，球面内电场强度处处为零，球面上面元dS的一个电量为?dS的电荷元在球面内各点产生的电场强度(A) 处处为零. (B) 不一定都为零. (C) 处处不为零. (D) 无法判定.2．关于电场强度定义式E = F/q0，下列说法中哪个是正确的？ (A) 场强E的大小与试探电荷q0的大小成反比；(B) 对场中某点，试探电荷受力F与q0的比值不因q0而变； (C) 试探电荷受力F的方向就是场强E的方向； (D) 若场中某点不放试探电荷q0，则F = 0，从而E = 0.3．图1.1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xOy平面上(0, a)点处的场强为:(A )?i. 2??0a+?y ? (0, a) ?? O图1.1(B) 0.?i. 4??0a?(i?j). (D)4??0a(C)4．下列说法中哪一个是正确的？x(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. (B) 在以点电荷为中心的球面上，由该点电荷所产生的场强处处相同.(C) 场强方向可由E= F/q定出，其中q为试验电荷的电量，q可正、可负，F为试验电荷所受的电场力.(D) 以上说法都不正确.5．如图1.2所示，在坐标(a, 0)处放置一点电荷+q，在坐标(?a,0)处放置另一点电荷?q，P点是x轴上的一点，坐标为(x, 0).当x >>a时，该点场强的大小为：(A) (C)q4??0xqa2??0x. (B) (D)q4??0xqa2. .?q ?a O y ?q a P(x,0) x x 13??0x3图1.2二、填空题1．如图1.3所示，两根相互平行的“无限长”?1 ?2 y 均匀带正电直线1、2，相距为d，其电荷线密度分别为?1和?2，则场强等于零的点与直线1的距a 离a= .+q ?q x 2．如图1.4所示,带电量均为+q的两个点电da ?a O 荷,分别位于x轴上的+a和－a位置.则y轴上各1 2 图1.3 图1.4 点场强表达式为E= ,场强最大值的位置在y= .3.一电偶极子放在场强为E的匀强电场中,电矩的方向与电场强度方向成角?.已知作用在电偶极子上的力矩大小为M,则此电偶极子的电矩大小为 .三、计算题1．一半径为R的半球面，均匀地带有电荷,电荷面密度为?.求球心处的电场强度.2．用绝缘细线弯成的半圆环,半径为R，其上均匀地带有正点荷Q, 试求圆心O处的电场强度.练习二电场强度(续) 电通量一、选择题1. 以下说法错误的是(A) 电荷电量大,受的电场力可能小； (B) 电荷电量小,受的电场力可能大；(C) 电场为零的点,任何点电荷在此受的电场力为零； (D) 电荷在某点受的电场力与该点电场方向一致.2. 边长为a的正方形的四个顶点上放置如图2.1所示的点电荷,则中心O处场强(A) 大小为零.(B) 大小为q/(2??0a2), 方向沿x轴正向.(C) 大小为2q2??0a(D) 大小为2qy q O ?2q x 2q ??2??220a?, 方向沿y轴正向. ?, 方向沿y轴负向.?q a 图2.13. 试验电荷q0在电场中受力为f,得电场强度的大小为E=f/q0,则以下说法正确的是(A) E正比于f; (B) E反比于q0;(C) E正比于f反比于 q0;(D) 电场强度E是由产生电场的电荷所决定,与试验电荷q0的大小及其受力f无关.2感谢您的阅读，祝您生活愉快。

大学物理（下）练习册答案包括（波动、电磁、光的干涉、光的偏振、光的衍射、振动）波动选择：1B, 2A, 3D, 4D, 5D, 6D, 7C, 8A, 9C, 10D二，填空： 1，t x y ππ⨯=-20cos )21cos(100.122(SI) 2分)12(+=n x m ， 即 x = 1 m ，3 m ，5 m ，7 m ，9 m 2分n x 2= m ，即 x = 0 m ，2 m ，4 m ，6 m ，8 m ，10 m 1分2，φλ+π-/2L 1分 λk L ± ( k = 1，2，3，…) 2分 λ)12(21+±k L ( k = 0, 1，2，…) 2分3，答案见图 3分 4，17 m 到1.7×10-2m3分5，λ21 3分一， 计算 1，解：(1) 原点O 处质元的振动方程为)2121cos(1022π-π⨯=-t y ， (SI) 2分波的表达式为 )21)5/(21cos(1022π--π⨯=-x t y ， (SI) 2分x = 25 m 处质元的振动方程为)321cos(1022π-π⨯=-t y ， (SI)振动曲线见图 (a) 2分(2) t = 3 s 时的波形曲线方程)10/cos(1022x y π-π⨯=-， (SI) 2分波形曲线见图 2分2，解：(1) 与波动的标准表达式 )/(2cos λνx t A y -π= 对比可得：ν = 4 Hz ， λ = 1.50 m ， 各1分 波速 u = λν = 6.00 m/s 1分(2) 节点位置 )21(3/4π+π±=πn x )21(3+±=n x m , n = 0，1，2，3, … 3分(3) 波腹位置 π±=πn x 3/44/3n x ±= m , n = 0，1，2，3, … 2分3，解：(1) )1024cos(1.0x t y π-π=)201(4cos 1.0x t -π= (SI) 3分 (2)t 1 = T /4 = (1 /8) s ，x 1 = λ /4 = (10 /4) m 处质点的位移)80/4/(4cos 1.01λ-π=T ym 1.0)818/1(4cos 1.0=-π= 2分(3) 振速 )20/(4sin 4.0x t ty-ππ-=∂∂=v ． )4/1(212==T t s ，在 x 1 = λ /4 = (10 /4) m 处质点的振速 26.1)21sin(4.02-=π-ππ-=v m/s 3分电磁§3.1 静止电荷的电场一， 选择题：t (s)O -2×10-21y (m)234(a)2×1, C 2, C 3, D 4, C 5, C 6, B 7, A 8, A 9, C 10, D 11, D二， 填空：1，q / (6ε0) 2，d 211λλλ+3，()40216/R S Q ε∆π 由圆心O 点指向△S4，q / ε0 0 -q /ε05，02εσ 向右 023εσ 向右 02εσ 向左三， 计算：1，解： 20114dq E επ=, 20224dq E επ=∵ 212q q = ， ∴ 212E E = 由余弦定理：1212221360cos 2E E E E E E =-+=ο20143dq επ== 3.11×106 V/m 3分 由正弦定理得：αsin 60sin 1E E =ο, 2160sin sin 1==οE E αα = 30°∴E ϖ的方向与中垂线的夹角β＝60°，如图所示．2分2，解：设闭合面内包含净电荷为Q ．因场强只有x 分量不为零，故只是二个垂直于x 轴的平面上电场强度通量不为零．由高斯定理得：-E 1S 1+ E 2S 2=Q / ε0 ( S 1 = S 2 =S ) 3分则 Q = ε0S (E 2- E 1) = ε0Sb (x 2- x 1)= ε0ba 2(2a －a ) =ε0ba 3 = 8.85×10-12 C 2分2E ϖϖα 1E ϖ60° dβ60° q 2q 1 d3，解：选杆的左端为坐标原点，x 轴沿杆的方向 ．在x 处取一电荷元λd x ，它在点电荷所在处产生场强为：()204d d x d xE +π=ελ 3分整个杆上电荷在该点的场强为：()()l d d lx d x E l+π=+π=⎰00204d 4ελελ 2分点电荷q 0所受的电场力为：()l d d lq F +π=004ελ＝0.90 N 沿x 轴负向 3分4，解：在球内取半径为r 、厚为d r 的薄球壳，该壳内所包含的电荷为r r Ar V q d 4d d 2π⋅==ρ在半径为r 的球面内包含的总电荷为403d 4Ar r Ar dV q rVπ=π==⎰⎰ρ (r ≤R)以该球面为高斯面，按高斯定理有 0421/4εAr r E π=π⋅得到()0214/εAr E =， (r ≤R )方向沿径向，A >0时向外, A <0时向里． 3分在球体外作一半径为r 的同心高斯球面，按高斯定理有0422/4εAR r E π=π⋅得到 ()20424/r AR E ε=， (r >R )方向沿径向，A >0时向外，A <0时向里． 2分§3.2 电势一， 选择：q精品文档1，A 2，D 3，C 4，D 5，A 6，C 7，A 8，D 9，C二， 填空： 1，43ln 40ελπ 0； 2，10 cm ； 3，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-π00114r r qε；4，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-πb ar r q q 11400ε ；5， Ed三， 计算：1，解: 由高斯定理可知空腔内E ＝0，故带电球层的空腔是等势区，各点电势均为U . 2分在球层内取半径为r →r ＋d r 的薄球层．其电荷为d q = ρ 4πr 2d r该薄层电荷在球心处产生的电势为()00/d 4/d d ερεr r r q U =π= 2分 整个带电球层在球心处产生的电势为()21220002d d 21R R r r U U R R -===⎰⎰ερερ2分 因为空腔内为等势区所以空腔内任一点的电势U 为()2122002R R U U -==ερ 2分 若根据电势定义⎰⋅=l E U ϖϖd 计算同样给分.2，解：设点电荷q 所在处为坐标原点O ，x 轴沿两点电荷的连线．(1) 设0=E ρ的点的坐标为x '，则()04342020=-'π-'π=i d x qi x q E ϖϖϖεε 3分可得 02222=-'+'d x d x解出 ()d x 3121+-=' 2分 另有一解()d x 13212-=''不符合题意，舍去．(2) 设坐标x 处U ＝0，则 ()x d qx q U -π-π=00434εε ()0440=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--π=x d x x d q ε 3分 得 d - 4x = 0, x = d /4 2分3，解：设内球上所带电荷为Q ，则两球间的电场强度的大小为204r QE επ=(R 1＜r ＜R 2) 1分两球的电势差 ⎰⎰π==212120124d R R R R r dr Qr E U ε⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-π=21114R R Q ε 2分∴ 12122104R R U R R Q -π=ε＝2.14×10-9 C 2分§3.4 静电场中的导体 §3.5 静电场中的电介质一， 选择：1，C 2，C 3，B 4，B 5，A 6，B 7，C 8，B二， 填空：1， 无极分子 电偶极子2，)2/()(21S Q Q + 1分)2/()(21S Q Q -1分)2/()(21S Q Q - 1分 )2/()(21S Q Q + 1分3， 不变 1分 减小 2分4， σ (x ，y ，z )/ε0 2分 与导体表面垂直朝外(σ > 0) 或 与导体表面垂直朝里(σ < 0) 1分5， )4/(30r r q επϖ2分)4/(0C r q επ 2分三， 计算：1，解：两球相距很远，可视为孤立导体，互不影响．球上电荷均匀分布．设两球半径分别为r 1和r 2，导线连接后的电荷分别为q 1和q 2，而q 1 + q 1 = 2q ，则两球电势分别是10114r q U επ=， 20224r q U επ= 2分两球相连后电势相等， 21U U =，则有21212122112r r qr r q q r q r q +=++== 2分 由此得到 921111067.62-⨯=+=r r qr q C 1分92122103.132-⨯=+=r r qr q C 1分两球电势 310121100.64⨯=π==r q U U ε V 2分2，解：玻璃板抽出前后电容器能量的变化即外力作的功．抽出玻璃板前后的电容值分别为 d S C r /)(0εε=，d S C /)(0ε=' 2分撤电源后再抽玻璃板．板上电荷不变，但电压改变，即U C CU Q ''== ∴ U C CU U r ε='='/)( 2分抽玻璃板前后电容器的能量分别为202)/(2121U d S CU W r εε== ，202)/(2121U d S U C W r εε=''=' 2分外力作功 W W A -'=)1)(/(21220-=r r d SU εεε = 2.55×10-6 J 2分3.7,3.8磁场的源 一选择：1B 2D 3D 4B 5A 6A 7C 8D 9A 10C 11B 12D二填空1， I 0μ 1分0 2分 2I 0μ 2分2， )/(lB mg 3分3， a l I 4/d 20μ 2分垂直电流元背向半圆弧(即向左) 1分4， b ，a 2分d ，c 1分 f ，e 2分三，计算： 1，解：将导线分成1、2、3、4四部份，各部分在O 点产生的磁感强度设为B 1、B 2、B 3、B 4．根据叠加原理O 点的磁感强度为：4321B B B B B ϖϖϖϖϖ+++=∵1B ϖ、4B ϖ均为0，故32B B B ϖϖϖ+= 2分 )2(4102R I B μ=方向⊗ 2分242)sin (sin 401203RIa I B π=-π=μββμ )2/(0R I π=μ 方向 ⊗ 2分其中 2/R a =， 2/2)4/sin(sin 2=π=β2/2)4/sin(sin 1-=π-=β∴ RIRIB π+=2800μμ)141(20π+=R I μ 方向 ⊗ 2分 2，1 234 R RO Iaβ2解：长直导线AC 和BD 受力大小相等,方向相反且在同一直线上，故合力为零．现计算半圆部分受力，取电流元l I ϖd ， B l I F ϖϖϖ⨯=d d 即 θd d IRB F = 2分 由于对称性 0d =∑x F ∴ RIB IRB F F F y y 2d sin d 0====⎰⎰πθθ 3分方向沿y 轴正向3，解：洛伦兹力的大小 B q f v = 1分 对质子： 1211/R m B q v v = 1分 对电子： 2222/R m B q v v = 1分 ∵ 21q q = 1分 ∴ 2121//m m R R = 1分3.10电磁感应： 一选择：1C 2B 3C 4A 5D 6D 7A 8C 9D 10C 11B 二填空： 1，无感应电流 2分 无感应电流 2分2，1.11×10-5 V 3分 A 端 2分3，答案见图 曲线3分，标出文字结果2分4，225R B ω 3分 O 点 2分1F三计算 1，解：建立坐标(如图)则：21B B B ϖϖϖ+= xI B π=201μ， )(202a x I B -π=μ 2分x I a x I B π--π=2)(200μμ， B ϖ方向⊙ 1分d x xa x I x B d )11(2d 0--π==v v μ 2分 ⎰⎰--π==+x x a x I ba d )11(2d 202av μ b a b a I ++π=2)(2ln20v μ 2分 感应电动势方向为C →D ，D 端电势较高．1分2，解：两个载同向电流的长直导线在如图坐标x 处所产生的磁场为)11(2210r r x x B +-+π=μ 2分 选顺时针方向为线框回路正方向，则)d d (21111210⎰⎰⎰+++-+π==br r br r r r x xxx IaBdS μΦ 3分)ln(222110r br r b r Ia+⋅+π=μ 2分 ∴ tIr r b r b r atd d ]))((ln[2d d 21210++π-=-=μΦt r r b r b r a I ωωμcos ]))((ln[2212100++π-= 3分光的干涉光的干涉：一，选择：2a x +d x 2a +b I I C D vϖxO x1D, 2A, 3B, 4A, 5B, 6C, 7B, 8B, 9B, 10C, 11B, 12C, 13B, 14A, 15B, 16A二，填空1， 2π (n -1) e / λ 2分 4×103 2分2，3λ 2分 1.33 2分3，3λ / (2n θ) 3分4，236参考解：膜厚度为零处光程差2λδ±=膜厚度为e 处光程差 2sin 222122λδ±-=i n n e式中 n 2=1.5,n 1=1.0 令条纹数为k ,则有 λδk =∆2.236sin 22122=-=λin n e k5，2.60 e 3分三，计算 1，解： R 2＝r 2＋(R - e)2 r 2 = 2Re – e 2略去e 2，则 Rre 22= 2分 暗环： 2ne ＋21λ＝( 2k ＋1)21λ 2e ＝λn k(k ＝0，1，2，…) 3分nRk r λ= k ＝10 2分r ＝0.38 cm 1分2，解：(1) 明环半径 ()2/12λ⋅-=R k r 2分()Rk r 1222-=λ＝5×10-5 cm (或500 nm) 2分 (2) (2k －1)＝2 r 2 / (R λ)对于r ＝1.00 cm ， k ＝r 2 / (R λ)＋0.5＝50.5 3分 故在OA 范围内可观察到的明环数目为50个． 1分3，解：(1) 如图，设P 0为零级明纹中心 则 D O P d r r /012≈- 3分 (l 2 +r 2) - (l 1 +r 1) = 0 ∴ r 2 – r 1 = l 1 – l 2 = 3λ ∴()d D d r r D O P /3/120λ=-= 3分(2) 在屏上距O 点为x 处, 光程差λδ3)/(-≈D dx 2分 明纹条件λδk ±= (k ＝1，2，....) ()d D k x k /3λλ+±=在此处令k ＝0，即为(1)的结果．相邻明条纹间距d D x x x k k /1λ=-=+∆ 2分光的偏振光的偏振：一，选择：1A, 2B, 3B, 4B, 5C二，填空： 1，见图 每图1分2，线偏振光(或完全偏振光，或平面偏振光) 1分 光(矢量)振动 1分OP 0 r 1 r 2Dl 2s 1 s 2d l 1 0xi i i 0i 0 i 0偏振化(或透光轴) 1分3，tg i 0＝n 21 (或tg i 0＝n 1 / n 2 ) 1分 i 0 1分n 21 (或n 2 / n 1) 1分三，计算： 1，解：(1) 自然光通过第一偏振片后，其强度 I 1 = I 0 / 2 1分 通过第2偏振片后，I 2＝I 1cos 245︒＝I 0/ 4 2分 通过第3偏振片后，I 3＝I 2cos 245︒＝I 0/ 8 1分通过每一偏振片后的光皆为线偏振光，其光振动方向与刚通过的偏振片的偏振化方向平行． 2分(2) 若抽去第2片，因为第3片与第1片的偏振化方向相互垂直，所以此时I 3 =0. 1分 I 1仍不变． 1分解：(1) 连续穿过三个偏振片之后的光强为I ＝0.5I 0cos 2α cos 2(0.5π－α ) 2分＝I 0sin 2(2α) / 8 1分 (2) 画出曲线 2分光的衍射光的衍射： 一，选择1B, 2B, 3C, 4C, 5C, 6A, 7B, 8D, 9B, 10D 二，填空 1，6 2分第一级明 2分 2，4 2分 第一 2分 暗 1分3，一 2分2，I I 0 / 8O π/4π/23π/45π/4π3π/2α三 2分4，2π 2分 暗 2分5，d sin ϕ =k λ ( k =0，±1，±2,···)3分6，3 3分三，计算1，解：(1) 由单缝衍射明纹公式可知()111231221sin λλϕ=+=k a (取k ＝1 ) 1分 ()222231221sin λλϕ=+=k a 1分f x /tg 11=ϕ , f x /tg 22=ϕ 由于 11tg sin ϕϕ≈ , 22tg sin ϕϕ≈所以 a f x /2311λ= 1分a f x /2322λ= 1分则两个第一级明纹之间距为a f x x x /2312λ∆=-=∆=0.27 cm 2分 (2) 由光栅衍射主极大的公式 1111sin λλϕ==k d2221sin λλϕ==k d 2分 且有f x /tg sin =≈ϕϕ所以d f x x x /12λ∆=-=∆=1.8 cm 2分2，解：设空气膜最大厚度为e ，2e +λ21= k λ 2分 λλ212+=e k ＝16.5 2分 ∴ 明纹数为16． 1分3，解：由光栅公式 (a ＋b )sin ϕ =k λ k =1， φ =30°，sin ϕ1=1 / 2∴ λ=(a ＋b )sin ϕ1/ k =625 nm 3分若k =2, 则 sin ϕ2=2λ / (a + b ) = 1, ϕ2=90°实际观察不到第二级谱线 2分振动振动：一， 选择1C, 2D, 3B, 4B, 5D, 6C, 7 D, 8A, 9D, 10C二，填空 1,π 1分 - π /2 2分 π/3． 2分2,)214cos(04.0π-πt （振幅、角频率、初相各1分） 3分3，0.37 cm 1分 )21cos(1037.02π±π⨯=-t x (SI) 2分4，1.2 s 1分－20.9 cm/s 5，0 1分 3π cm/s 2分三，计算解：设小球的质量为m ，则弹簧的劲度系数 0/l mg k =．选平衡位置为原点，向下为正方向．小球在x 处时，根据牛顿第二定律得220d /d )(t x m x l k mg =+- 将 0/l mg k = 代入整理后得0//d d 022=+l gx t x∴ 此振动为简谐振动，其角频率为． 3分l 0mgx kl 0k (l 0+x )π===1.958.28/0l g ω 2分设振动表达式为 )cos(φω+=t A x由题意： t = 0时，x 0 = A=2102-⨯m ，v 0 = 0，解得 φ = 0 1分∴ )1.9cos(1022t x π⨯=- 2分2，解：(1) A = 0.5 cm ；ω = 8π s -1；T = 2π/ω = (1/4) s ；φ = π/3 2分(2) )318sin(1042π+π⨯π-==-t x&v (SI))318cos(103222π+π⨯π-==-t x a && (SI) 2分(3) 2222121A m kA E E E P K ω==+==7.90×10-5 J 3分(4) 平均动能 ⎰=T K t m T E 02d 21)/1(v⎰π+π⨯π-=-Tt t m T 0222d )318(sin )104(21)/1( = 3.95×10-5 J = E 21 同理 E E P 21== 3.95×10-5 J 3分 3，解一：(1) 取平衡位置为原点，向下为x 正方向．设物体在平衡位置时弹簧的伸长量为∆l ，则有l k mg ∆=, 加拉力F 后弹簧又伸长x 0，则0)(0=+-+∆x l k mg F解得F = kx 0 2分由题意，t = 0时v0 = 0；x = x 0则 02020)/(x x A =+=ωv 2分又由题给物体振动周期4832=T s, 可得角频率 Tπ=2ω, 2ωm k = ∴ 444.0)/4(22=π==A T m kA F N 1分(2) 平衡位置以下1 cm 处： )()/2(2222x A T -π=v 2分221007.121-⨯==v m E K J 2分2222)/4(2121x T m kx E p π== = 4.44×10-4 J 1分解二：(1) 从静止释放，显然拉长量等于振幅A （5 cm ），kA F = 2分2224νωπ==m m k ，ν = 1.5 Hz 2分 ∴ F = 0.444 N 1分(2) 总能量 221011.12121-⨯===FA kA E J 2分 当x = 1 cm 时，x = A /5，E p 占总能量的1/25，E K 占24/25． 2分∴ 21007.1)25/24(-⨯==E E K J ，41044.425/-⨯==E E p J 1分。

大学物理下练习题答案————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：大学物理下练习题一、选择题（每题1分，共41分）1．关于电场强度定义式E = F /q 0，下列说法中哪个是正确的？（B ）(A) 场强E 的大小与试验电荷q 0的大小成反比；(B) 对场中某点，试验电荷受力F 与q 0的比值不因q 0而变； (C) 试验电荷受力F 的方向就是场强E 的方向； (D) 若场中某点不放试验电荷q 0，则F = 0，从而E = 0.2．下列几个说法中哪一个是正确的？（C ）（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。

（B ）在以点电荷为中心的球面上，由该点电荷所产生的场强处处相同。

（C ）场强方向可由 E =F /q 定出，其中 q 为试验电荷的电量，q 可正、可负，F 为试验电荷所受的电场力。

( D )以上说法都不正确。

3．图1.1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+λ ( x < 0)和-λ ( x > 0)，则xOy 平面上(0, a )点处的场强为: （A ）(A )i a02πελ. (B) 0.(C)i a 04πελ. (D))(40j +i aπελ.4. 边长为a 的正方形的四个顶点上放置如图1.2所示的点电荷,则中心O 处场强（C ）(A) 大小为零.(B) 大小为q/(2πε0a 2), 方向沿x 轴正向.(C) 大小为()2022a q πε, 方向沿y 轴正向.(D) 大小为()2022a q πε, 方向沿y 轴负向.5. 如图1.3所示.有一电场强度E 平行于x 轴正向的均匀电场，则通过图中一半径为R 的半球面的电场强度通量为（D ）(A) πR 2E .(B) πR 2E /2 . (C) 2πR 2E . (D) 0 .6. 下列关于高斯定理理解的说法中，正确的是：（B ）（Ａ）当高斯面内电荷代数和为零时，高斯面上任意点的电场强度都等于零+λ -• (0, xyO 图1.1O q a --2x y 图1.2E O图1.3 xy（Ｂ）高斯面上电场强处处为零，则高斯面内的电荷代数和必为零。

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2220)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⎪⎩⎪⎨⎧===220)sin 2(π41sin 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: 020π4r r q E ϖϖε=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 =2024d q πε,又有人说，因为f =qE ,S q E 0ε=，所以f =Sq 02ε．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SqE 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Sq E 02ε=，另一板受它的作用力Sq S qq f 02022εε==，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 ϖϖ=，场点到偶极子中心O 点的距离为r ,矢量rϖ与l ϖ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, θE =304sin r p πεθ证: 如题8-5所示，将p ϖ分解为与r ϖ平行的分量θsin p 和垂直于r ϖ的分量θsin p ．∵ l r >>∴场点P在r方向场强分量3π2cosrpErεθ=垂直于r 方向，即θ方向场强分量30π4sinrpEεθ=题8-5图题8-6图8-6 长l=的直导线AB上均匀地分布着线密度λ=·m-1的正电荷．试求：(1)在导线的延长线上与导线B端相距1a=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= 处Q点的场强．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)(dπ41dxaxEP-=λε222)(dπ4dxaxEEllPP-==⎰⎰-ελ]2121[π4lala+--=ελ)4(π22lal-=ελ用15=l cm，9100.5-⨯=λ1mC-⋅, 5.12=a cm代入得21074.6⨯=P E 1C N -⋅ 方向水平向右(2)同理2220d d π41d +=x xE Q λε 方向如题8-6图所示由于对称性⎰=l QxE 0d ，即Q E ϖ只有y 分量，∵ 22222220dd d d π41d ++=x x x E Qyλε22π4d d ελ⎰==l QyQy E E ⎰-+2223222)d (d l l x x2220d4π2+=l lελ以9100.5-⨯=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ϕRd dl =题8-7图ϕλλd d d R l q ==，它在O 点产生场强大小为20π4d d RR E εϕλ=方向沿半径向外 则 ϕϕελϕd sin π4sin d d 0RE E x ==ϕϕελϕπd cos π4)cos(d d 0RE E y -=-=积分RR E x 000π2d sin π4ελϕϕελπ==⎰0d cos π400=-=⎰ϕϕελπRE y∴ RE 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4q在P 点产生物强P E ϖd 方向如图，大小为()4π4cos cos d 22021l r E P +-=εθθλ∵ 22cos 221l r l +=θ12cos cos θθ-=∴ 24π4d 22220l r l l r E P ++=ελP E ϖd 在垂直于平面上的分量βcos d d P E E =⊥∴ 424π4d 2222220l r rl r l r lE +++=⊥ελ题8-8图由于对称性，P 点场强沿OP 方向，大小为2)4(π44d 422220l r l r lrE E P ++=⨯=⊥ελ∵ lq 4=λ ∴ 2)4(π422220l r l r qrE P ++=ε 方向沿OP8-9 (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．(xRarctan=α) 解: (1)由高斯定理0d εqS E s⎰=⋅ϖϖ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06εqe =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06εq e =Φ 对于边长a 的正方形，如果它不包含q 所在的顶点，则024εqe =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)[(π22222xR x x R S +-+=∴ )(π42200x R Sq +=Φε02εq=[221xR x +-]*关于球冠面积的计算：见题8-9(c)图ααα⎰⋅=0d sin π2r r Sααα⎰⋅=02d sin π2r)cos 1(π22α-=r8-10 均匀带电球壳内半径6cm ，外半径10cm ，电荷体密度为2×510-C ·m -3求距球心5cm ，8cm ,12cm 各点的场强．解: 高斯定理0d ε∑⎰=⋅q S E sϖϖ,02π4ε∑=q r E当5=r cm 时，0=∑q ,0=E ϖ8=r cm 时，∑q 3π4p=3(r )3内r - ∴ ()2023π43π4rr r E ερ内-=41048.3⨯≈1C N -⋅， 方向沿半径向外． 12=r cm 时,3π4∑=ρq -3(外r ）内3r ∴ ()420331010.4π43π4⨯≈-=r r r E ερ内外 1CN -⋅ 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0d ε∑⎰=⋅qS E sϖϖ取同轴圆柱形高斯面，侧面积rl S π2=则 rl E S E Sπ2d =⋅⎰ϖϖ对(1) 1R r <0,0==∑E q(2) 21R r R << λl q =∑∴ rE 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2σ，试求空间各处场强．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 ϖϖ)(21210σσε-= 1σ面外， n E ϖϖ)(21210σσε+-= 2σ面外， n E ϖϖ)(21210σσε+= n ϖ：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 ϖ，ρ- 球在O 点产生电场d π4π3430320OO r E ερ=ϖ∴ O 点电场'd 33030r E ερ=ϖ；(2) ρ+在O '产生电场'd π4d 3430301OO E ερπ='ϖρ-球在O '产生电场002='E ϖ∴ O ' 点电场 003ερ='E ϖ'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 ϖ'，相对O 点位矢为r ϖ (如题8-13(b)图)则 03ερrE PO ϖϖ=，3ερr E O P '-='ϖϖ,∴ 0003'3)(3ερερερdOO r r E E E O P PO P ϖϖϖϖϖϖ=='-=+=' ∴腔内场强是均匀的．8-14 一电偶极子由q =×10-6C 的两个异号点电荷组成，两电荷距离d=，把这电偶极子放在×105N ·C -1的外电场中，求外电场作用于电偶极子上的最大力矩．解: ∵ 电偶极子p ϖ在外场E ϖ中受力矩E p M ϖϖϖ⨯=∴ qlE pE M ==max 代入数字4536max 100.2100.1102100.1---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=M m N ⋅8-15 两点电荷1q =×10-8C ，2q =×10-8C ，相距1r =42cm ，要把它们之间的距离变为2r =25cm ，需作多少功? 解: ⎰⎰==⋅=2221212021π4π4d d r r r r q q r r q q r F A εεϖϖ)11(21r r -61055.6-⨯-=J外力需作的功 61055.6-⨯-=-='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，求移动过程中电场力作的功． 解: 如题8-16图示0π41ε=O U 0)(=-RqR q 0π41ε=O U )3(R qR q -Rq 0π6ε-= ∴ Rqq 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 点处的场强和电势． 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 ϖd 如图，由于对称性，O 点场强沿y 轴负方向题8-17图θεθλππcos π4d d 2220⎰⎰-==R R E E yR 0π4ελ=［)2sin(π-2sin π-］R0π2ελ-=(2) AB 电荷在O 点产生电势，以0=∞U⎰⎰===AB200012ln π4π4d π4d R R x x x x U ελελελ同理CD 产生 2ln π402ελ=U 半圆环产生 0034π4πελελ==R R U∴ 0032142ln π2ελελ+=++=U U U U O 8-18 一电子绕一带均匀电荷的长直导线以2×104m ·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 =×10-31kg ，电子电量e =×10-19C)解: 设均匀带电直线电荷密度为λ，在电子轨道处场强rE 0π2ελ=电子受力大小 re eE F e 0π2ελ== ∴ rv m r e 20π2=ελ得 1320105.12π2-⨯==emv 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 =，求此电容器可承受的最高电压．解: 平行板电容器内部近似为均匀电场 ∴ 4105.1d ⨯==E U V8-20 根据场强E ϖ与电势U 的关系U E -∇=ϖ，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 rqU 0π4ε=题 8-20 图 ∴ 0200π4r r q r r U E ϖϖϖε=∂∂-= 0r ϖ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220π4xR q U +=ε∴ ()i x R qxi x U E ϖϖϖ2/3220π4+=∂∂-=ε(3)偶极子l q p ϖϖ=在l r >>处的一点电势200π4cos ])cos 21(1)cos 2(1[π4rql llr q U εθθθε=+--=∴ 30π2cos rp r U E r εθ=∂∂-= 30π4sin 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，电荷的面密度总是大小相等而符号相同．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 sσσϖϖ∴ +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0222204030201=---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，A 与C相距 mm ．B ，C 都接地，如题8-22图所示．如果使A 板带正电×10-7C ，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===ACABAB AC E E σσ 且 1σ+2σSq A=得 ,32S q A =σ Sq A 321=σ 而 7110232-⨯-=-=-=A C q S q σC C10172-⨯-=-=S q B σ(2) 301103.2d 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 ，试计算：(1)外球壳上的电荷分布及电势大小；(2)先把外球壳接地，然后断开接地线重新绝缘，此时外球壳的电荷分布及电势；*(3)再使内球壳接地，此时内球壳上的电荷以及外球壳上的电势的改变量．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⎰⎰∞∞==⋅=22020π4π4d d R R Rqr r q r E U εεϖϖ(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：0π4π42020=-=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'π4'202010=+-+-=R q q R q R q U A εεε得 q R R q 21=' 外球壳上电势()22021202020π4π4'π4'π4'R qR 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 U8-24图由电势叠加原理有：=O U 03π4π4'00=+RqR q εε得 -='q 3q 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之间的库仑力．解: 由题意知 2020π4rq 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"'2F rqr 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32q.∴ 小球1、2间的作用力00294π432322F r qq 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UU AB =可得以下6个方程题8-26图⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧++++==+=+-==+=+===+6543215432065430021001σσσσσσσσσσεσσσσεσσd US q S qdU U C S S q B A 解得 Sq261==σσSq d U2032-=-=εσσ Sq dU2054+=-=εσσ 所以CB 间电场 S qd U E 00422εεσ+==)2d (212d 02Sq 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2U 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 Sϖϖd(1)介质内)(21R r R <<场强303π4,π4rrQ E r r Q D r εεϖϖϖϖ==内; 介质外)(2R r <场强303π4,π4rr Q E r Qr D εϖϖϖ==外 (2)介质外)(2R r >电势rQE U 0rπ4r d ε=⋅=⎰∞ϖϖ外 介质内)(21R r R <<电势2020π4)11(π4R Q R r qr εεε+-=)11(π420R r Qr r -+=εεε(3)金属球的电势rd r d ϖϖϖϖ⋅+⋅=⎰⎰∞∞rrE E U 外内r d r d 221ϖϖϖϖ⋅+⋅=⎰⎰∞R R R E E U 外内⎰⎰∞+=22220π44πdr R R Rr r Qdrr Q εεε)11(π4210R R Qr 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 ϖ，真空部分场强为1E ϖ，自由电荷面密度分别为2σ与1σ 由∑⎰=⋅0d q S D ϖϖ得11σ=D ，22σ=D而 101E D ε=,202E D r εε=d21U E E == ∴r D D εσσ==1212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：(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 )(=⋅⎰ϖϖ当)(21R r R <<时，Q q =∑∴ rlQD π2=(1)电场能量密度 22222π82l r Q D w εε==薄壳中 rlrQ rl r l r Q w W εευπ4d d π2π8d d 22222===(2)电介质中总电场能量⎰⎰===211222ln π4π4d d R R VR R l Q rl r Q W W εε (3)电容：∵ CQ W 22=∴ )/ln(π22122R R lW 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2210π41r 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2210π41r 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 =μ，2C =μ，3C =μ ．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 = ∴ 355025231123232⨯===C U C C Q U 86)35251(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 的电压，是否会击穿?解: (1) 1C 与2C 串联后电容1203002003002002121=+⨯=+='C C C C C pF(2)串联后电压比231221==C C U U ，而100021=+U U∴ 6001=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⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==-=-=+2122112*********U U U C U C q qU C U C q q q q 解得 (1) =1q U C C C C C q U C C C C C 21212221211)(,)(+-=+-(2)电场能量损失W W W -=∆0)22()2121(2221212221C q C q U C U C +-+= 221212U C C C C +=8-34 半径为1R = 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 =和3R =，当内球带电荷Q =×10-8C 时，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 ϖ在21R r R <<时 301π4r rQ E εϖϖ=3R r >时 302π4rrQ E εϖϖ=∴在21R r R <<区域⎰=21d π4)π4(21222001R R r r rQ W εε ⎰-==21)11(π8π8d 2102202R R R R Q r r Q εε在3R r >区域⎰∞==32302220021π8d π4)π4(21R R Q r r r Q W εεε ∴ 总能量 )111(π83210221R R R Q W W W +-=+=ε41082.1-⨯=J(2)导体壳接地时，只有21R r R <<时30π4rrQ E εϖϖ=,02=W ∴ 4210211001.1)11(π8-⨯=-==R R Q W W ε J(3)电容器电容 )11/(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 ϖ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 ϖ的方向?解: 在同一磁感应线上，各点B ϖ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 ϖ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 ϖ的方向．题9-2图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Bϖ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 ρϖ=∑⎰==-=⋅0d 021I bc B da B l B abcdμϖϖ∴ 21B B ρϖ=(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 ϖ方向相反，即21B B ρϖ≠.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 ϖ·d l ϖ=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 ϖ·d l ϖ=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⎰∑==⋅LI l B 0d 0μϖϖ外，与⎰⎰=⋅=⋅Ll l B 0d 0d ϖϖϖ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 ϖ的轴向分量为零，而垂直于轴的圆周方向分量rIB 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的均匀磁场，方向沿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 ϖϖΦWb(2)通过befc 面积2S 的磁通量022=⋅=S B ϖϖΦ(3)通过aefd 面积3S 的磁通量24.0545.03.02cos 5.03.0233=⨯⨯⨯=θ⨯⨯⨯=⋅=S B ϖϖΦWb (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 ϖCD 产生RIB 1202μ=，方向垂直向里CD 段产生 )231(2)60sin 90(sin 24003-πμ=-πμ=︒︒R I R I B ，方向⊥向里∴)6231(203210ππμ+-=++=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，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．试求A ，B 两点处的磁感应强度，以及磁感应强度为零的点的位置． 题9-8图解：如题9-8图所示,A B ϖ方向垂直纸面向里42010102.105.02)05.01.0(2-⨯=⨯+-=πμπμI I B A T(2)设0=B ϖ在2L 外侧距离2L 为r 处则02)1.0(220=-+rI r Iπμπμ 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。

大学物理习题集（下册，含解答）单元一 简谐振动一、 选择题1. 对一个作简谐振动的物体，下面哪种说法是正确的？ [ C ](A) 物体处在运动正方向的端点时，速度和加速度都达到最大值； (B) 物体位于平衡位置且向负方向运动时，速度和加速度都为零； (C) 物体位于平衡位置且向正方向运动时，速度最大，加速度为零；(D) 物体处在负方向的端点时，速度最大，加速度为零。

2. 一沿X 轴作简谐振动的弹簧振子，振幅为A ，周期为T ，振动方程用余弦函数表示，如果该振子的初相为43π，则t=0时，质点的位置在： [ D ](A) 过1x A 2=处，向负方向运动； (B) 过1x A 2=处，向正方向运动；(C) 过1x A 2=-处，向负方向运动；(D) 过1x A 2=-处，向正方向运动。

3. 一质点作简谐振动，振幅为A ，在起始时刻质点的位移为/2A ，且向x 轴的正方向运动，代表此简谐振动的旋转矢量图为 [ B ]x o A x ω(A) A/2 ω (B) (C)(D)o ooxxxA x ω ωAxAxA/2 -A/2 -A/2 (3)题4. 图(a)、(b)、(c)为三个不同的谐振动系统，组成各系统的各弹簧的倔强系数及重物质量如图所示，(a)、(b)、(c)三个振动系统的ω (ω为固有圆频率)值之比为： [ B ](A) 2：1：1； (B) 1：2：4； (C) 4：2：1； (D) 1：1：25. 一弹簧振子，当把它水平放置时，它可以作简谐振动，若把它竖直放置或放在固定的光滑斜面上如图，试判断下面哪种情况是正确的： [ C ](A) 竖直放置可作简谐振动，放在光滑斜面上不能作简谐振动；(B) 竖直放置不能作简谐振动，放在光滑斜面上可作简谐振动； (C) 两种情况都可作简谐振动； (D) 两种情况都不能作简谐振动。

(4)题(5)题6. 一谐振子作振幅为A 的谐振动，它的动能与势能相等时，它的相位和坐标分别为： [ C ]2153(A),or ;A;(B),;A;3326623223(C),or ;A;(D),;A442332ππ±±π±±±π±ππ±±π±±±π±7. 一质点沿x 轴作简谐振动，振动方程为 10.04cos(2)3x t ππ=+（SI ），从t = 0时刻起，到质点位置在x = -0.02 m 处，且向x 轴正方向运动的最短时间间隔为 [ D ](A)s 81； (B) s 61； (C) s 41； (D) s 218. 图中所画的是两个简谐振动的振动曲线，这两个简谐振动叠加后合成的余弦振动的初相为[ C ]xtOx 1x 2(8)题(A) π23； (B) π； (C) π21 ； (D) 0二、 填空题9. 一简谐振动用余弦函数表示，振动曲线如图所示，则此简谐振动的三个特征量为： A=10cm , /6rad /s =ωπ，/3=φπ10. 用40N 的力拉一轻弹簧，可使其伸长20 cm 。