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第9章 质心运动定理 动量定理
习题
9-1 设质量为m 的质点M 在Oxy 平面内运动，其运动方程为cos x a kt =，sin y b kt =，式中a 、b 及k 都是常数，求作用于质点M 上的力。
答案：力F
的大小：F mk = 力F 的方向：tan y
x F y F x
β== 9-2 设质点M 以初速度0υ从O 点与水平Ox 成α角射出，不计空气阻力，求质
点M 在重力作用下的运动规律。
答案：质点的运动方程：020cos 1sin 2
x t y t gt υαυα=⎧⎪⎨=-⎪⎩ 9-3如图所示，均质杆OA ，长2l ,重为P ，绕O 轴在铅垂面内转动。
杆与水平线成ϕ角时，其角速度和角加速度分别为ω和α，求该瞬时轴O 的约束反力。
答案：
9-4 匀质杆AB 长为l ，质量为m ，匀质圆盘半径5
l r =，质量为2m ，在水平面作纯滚动，当30ϕ=时，杆上B 端沿铅垂方向向下滑的速度为B υ。
试求此瞬时
系统的总动量。
答案：122
x y B B p p m υυ=+=-p i j i j 9-5 物A 质量为5kg ，物B 质量为10kg ，A 、B 与水平面间的摩擦因数为0.25.现A 向右运动而撞击B 。
开始时，B 处于静止状态，撞击后，A 、B 一同向右运动，历时4s 停止。
求撞击前A 的速度，并求撞击时A 、B 相互作用的冲量。
答案：030/m s υ=，,100x e I N s =⋅
2(cos sin )Ox Pl F g ωφαφ=-+2(sin cos )Oy Pl F P g ωφαφ=+
-。
第九章 真空中的静电场9–1 如图9-1所示，电量为+q 的三个点电荷，分别放在边长为a 的等边三角形ABC 的三个顶点上，为使每个点电荷受力为零，可在三角形中心处放另一点电荷Q ，则Q 的电量为 。
解：由对称性可知，只要某个顶点上的电荷受力为零即可。
C 处电荷所受合力为零，需使中心处的点电荷Q 对它的引力F 与A ，B 两个顶点处电荷的对它的斥力F 1，F 2三力平衡，如图9-2所示，即)21(F F F +-=因此12cos30F F ︒=即2202cos304πq aε=︒解得q Q 33=9-2 真空中两条平行的无限长的均匀带电直线，电荷线密度分别为+λ 和-λ，点P 1和P 2与两带电线共面，其位置如图9-3所示，取向右为坐标x 正向，则1P E = ，2P E = 。
解：（1）P 1点场强为无限长均匀带电直线λ，-λ在该点产生的场强的矢量和，即λλ-+=E E E 1P其大小为i i i E dd d P 000ππ2π21ελελελ=+=方向沿x 轴正方向。
（2）同理可得i i i E dd d P 000π3π2)3(π22ελελελ-=-=方向沿x 轴负方向。
图9–2图9-3C B图9–19-3 一个点电荷+q 位于一边长为L 的立方体的中心，如图9-4所示，则通过立方体一面的电通量为 。
如果该电荷移到立方体的一个顶角上，那么通过立方体每一面的电通量是 。
解：（1）点电荷+q 位于立方体的中心，则通过立方体的每一面的电通量相等，所以通过每一面的通量为总通量的1/6，根据高斯定理1d in Sq ε⋅=∑⎰⎰E S ，其中S 为立方体的各面所形成的闭合高斯面，所以，通过任一面的电通量为0d 6Sqε⋅=⎰⎰E S 。
（2）当电荷+q 移至立方体的一个顶角上，与+q 相连的三个侧面ABCD 、ABFE 、BCHF 上各点的E 均平行于各自的平面，故通过这三个平面的电通量为零，为了求另三个面上的电通量，可以以+q 为中心，补作另外7个大小相同的立方体，形成边长为2L 且与原边平行的大立方体，如图9–5所示，这个大立方体的每一个面的电通电都相等，且均等于6εq ，对原立方体而言，每个面的面积为大立方体一个面的面积的1/4，则每个面的电通量也为大立方体一个面的电通量的1/4，即此时通过立方体每一面的电通量为0111d 4624Sqε⋅⋅=⎰⎰E S 。
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 下列说法正确的是( )(A )闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面内一定没有电荷(B )(C )(D )分析与解但不也9－3 (A )(B )(C )(D )*9－4 偶极子将(A )(B )(C )(D )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范围不会超过±10－21e ，而中子电量与零差值的最大范围也不会超过±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范围为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个中子可求原子所带的最大可能净电荷.由库仑定律可以估算两个带电氧原子间的库仑力，并与万有引力作比较.解 一个氧原子所带的最大可能净电荷为二个氧原子间的库仑力与万有引力之比为显然即使电子、质子、中子等微观粒子带电量存在差异，其差异在±10－21e 范围内时，对于像天体一类电中性物体的运动，起主要作用的还是万有引力.9－6 1964年，盖尔曼等人提出基本粒子是由更基本的夸克构成，中子就是由一个带e 32的上夸克和两个带e31-的下夸克构成.若将夸克作为经典粒子处理(夸克线度约为10－20m)，中子内的两个下夸克之间相距2.60×10－15m .求它们之间的相互作用力.解 由于夸克可视为经典点电荷，由库仑定律F 与径向单位矢量e r 方向相同表明它们之间为斥力.9－7 点电荷如图分布，试求P 点的电场强度.分析依照电场叠加原理，P 点的电场强度等于各点电荷单独存在时在P 点激发电场强度的矢量和.由于电荷量为q 2.0q 的解9－8 (2)分析 L ，它在点P (1)若点P (2)若点P P 的电证 (1)E L/-L/P =⎰(2)当棒长L 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.9－9 一半径为R 的半球壳，均匀地带有电荷，电荷面密度为σ，求球心处电场强度的大小.题9-9图分析 这仍是一个连续带电体问题，求解的关键在于如何取电荷元.现将半球壳分割为一组平行的细圆环，如图所示，从教材第9－3节的例2可以看出，所有平行圆环在轴线上P 处的电场强度方向都相同，将所有带电圆环的电场强度积分，即可求得球心O 处的电场强度.解 将半球壳分割为一组平行细圆环，任一个圆环所带电荷元θθδδd sin π2d d 2⋅⋅==R S q ，在点O 激发的电场强度为由于平行细圆环在点O 激发的电场强度方向相同，利用几何关系θR x cos =，θR r sin =统一积分变量，有积分得02/π004d cos sin 2εδθθθεδ⎰==E9－10 水分子H 2O 中氧原子和氢原子的等效电荷中心如图所示，假设氧原子和氢原子等效电荷中心间距为r 0.试计算在分子的对称轴线上，距分子较远处的电场强度.题9-10图分析 水分子的电荷模型等效于两个电偶极子，它们的电偶极矩大小均为00er P =，而夹角为2θ.叠加后水分子的电偶极矩大小为θcos 20er p =，方向沿对称轴线，如图所示.由于点O 到场点A 的距离x ＞＞r 0，利用教材第5－3节中电偶极子在延长线上的电场强度可求得电场的分布.也可由点电荷的电场强度叠加，求电场分布. 解1 水分子的电偶极矩解2 由于r 2=代入得(+r x2029－11 分析 (1(2)量，即：解 (1) (2)设F 显然有F ＋9－12 .分析 .因而方法2：由电场强度通量的定义，对半球面S 求积分，即⎰⋅=SS d s E Φ解1 由于闭合曲面内无电荷分布，根据高斯定理，有 依照约定取闭合曲面的外法线方向为面元d S 的方向，解2 取球坐标系，电场强度矢量和面元在球坐标系中可表示为9－13 地球周围的大气犹如一部大电机，由于雷雨云和大气气流的作用，在晴天区域，大气电离层总是带有大量的正电荷，云层下地球表面必然带有负电荷.晴天大气电场平均电场强度约为1m V 120-⋅，方向指向地面.试求地球表面单位面积所带的电荷(以每平方厘米的电子数表示).分析 考虑到地球表面的电场强度指向地球球心，在大气层中取与地球同心的球面为高斯面，利用高斯定理可求得高斯面内的净电荷.解 在大气层临近地球表面处取与地球表面同心的球面为高斯面，其半径E R R ≈(E R 为地球平均半径).由高斯定理地球表面电荷面密度 单位面积额外电子数9－14 设在半径为R 的球体内电荷均匀分布，电荷体密度为ρ,求带电球内外的电场强度分布.分析电荷均匀分布在球体内呈球对称，带电球激发的电场也呈球对称性.根据静电场是有源场，电场强度应该沿径向球对称分布.因此可以利用高斯定理求得均匀带电球内外的电场分布.以带电球的球心为中心作同心球面为高斯面，依照高斯定理有上式中i Q 是高斯面内的电荷量，分别求出处于带电球内外的高斯面内的电荷量，即可求得带电球内外的电场强度分布.解依照上述分析，由高斯定理可得R r <R r >9－15 .求离轴线为r 分析只有侧面布.解 r ＜R 1， R 1＜r ＜R 2r ＞R 2，9－16 分析W ′＝－W .(1)其中E 是点电荷Q 1、Q 3产生的合电场强度.(2)根据电场力作功与电势能差的关系，有 其中V 0是Q 1、Q 3在点O 产生的电势(取无穷远处为零电势). 解1 由题意Q 1所受的合力为零 解得Q Q Q 414132-=-=由点电荷电场的叠加，Q 1、Q 3激发的电场在y 轴上任意一点的电场强度为将Q 2从点O 沿y 轴移到无穷远处，(沿其他路径所作的功相同，请想一想为什么？)外力所作的功为 解2 与解1相同，在任一点电荷所受合力均为零时Q Q 412-=，并由电势的叠加得Q 1、Q 3在点O 的电势将Q 2从点O 推到无穷远处的过程中，外力作功比较上述两种方法，显然用功与电势能变化的关系来求解较为简洁.这是因为在许多实际问题中直接求电场分布困难较大，而求电势分布要简单得多.9－17 已知均匀带电长直线附近的电场强度近似为其中λ为电荷线密度.(1)求在r ＝r 1和r ＝r 2两点间的电势差；(2)在点电荷的电场中，我们曾取r →∞处的电势为零，求均匀带电长直线附近的电势时，能否这样取？试说明. 解 (1)由于电场力作功与路径无关，若沿径向积分，则有 (2)不能.严格地讲，电场强度r e rελE 0π2=只适用于无限长的均匀带电直线，而此时电荷分布在无限空间，r →9－18 分析 的电势.解 q 2＝2q 19－19 分析分布.解 9－20 (2)分析 通常可采用两种方法.方法(1)由于电荷均匀分布在球面上，电场分布也具有球对称性，因此，可根据电势与电场强度的积分关系求电势.取同心球面为高斯面，借助高斯定理可求得各区域的电场强度分布，再由⎰∞⋅=pp V l E d 可求得电势分布.(2)利用电势叠加原理求电势.一个均匀带电的球面，在球面外产生的电势为 在球面内电场强度为零，电势处处相等，等于球面的电势其中R 是球面的半径.根据上述分析，利用电势叠加原理，将两个球面在各区域产生的电势叠加，可求得电势的分布.解1 (1)由高斯定理可求得电场分布 由电势⎰∞⋅=rV l E d 可求得各区域的电势分布.当r ≤R 1时，有当R 1≤r ≤R 2时，有 当r ≥R 2时，有(2)两个球面间的电势差解2 (1)由各球面电势的叠加计算电势分布.若该点位于两个球面内，即r ≤R 1，则 若该点位于两个球面之间，即R 1≤r ≤R 2，则 若该点位于两个球面之外，即r ≥R 2，则 (2)两个球面间的电势差9－21 一半径为R 的无限长带电细棒，其内部的电荷均匀分布，电荷的体密度为ρ.现取棒表面为零电势，求空间电势分布并画出分布曲线.题9-21图分析解 当r ≤R 时得()r E =当r ≥R 时得()r E =当r ≤R 时当r ≥R 时9－22 布；(2)分析解 由电势叠加，轴线上任一点P 的电势的()x x Rεσxr r r εσV R-+=+=⎰22222d 2(1)(2)轴线上任一点的电场强度为i i E ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=-=22012d d x R xεσx V (2) 电场强度方向沿x 轴方向.(3)将场点至盘心的距离x ＝30.0 cm 分别代入式(1)和式(2)，得 当x ＞＞R 时，圆盘也可以视为点电荷，其电荷为C 1065.5π82-⨯==σR q .依照点电荷电场中电势和电场强度的计算公式，有由此可见，当x ＞＞R 时，可以忽略圆盘的几何形状，而将带电的圆盘当作点电荷来处理.在本题中作这样的近似处理，E 和V 的误差分别不超过0.3％和0.8％，这已足以满足一般的测量精度.9－23 两个很长的共轴圆柱面(R 1＝3.0×10－2m ，R 2＝0.10 m )，带有等量异号的电荷，两者的电势差为450Ｖ.求：(1)圆柱面单位长度上带有多少电荷？(2)r ＝0.05 m 处的电场强度.解 (1)由习题9－15的结果，可得两圆柱面之间的电场强度为 根据电势差的定义有 解得1812120m C 101.2ln/π2--⋅⨯==R R U ελ (2)解得两圆柱面之间r ＝0.05m 处的电场强度9－24即 .但是要 m )分析 解由k0E 得=T9－25年消耗的能量为3000kW ·h ，则可为多少个家庭提供一年的能量消耗？解 (1)若闪电中释放出来的全部能量为冰所吸收，故可融化冰的质量 即可融化约90吨冰.(2)一个家庭一年消耗的能量为一次闪电在极短的时间内释放出来的能量约可维持3个家庭一年消耗的电能. 9－26 已知水分子的电偶极矩p =6.17×10－30C ·m .这个水分子在电场强度E ＝1.0×105V ·m -1的电场中所受力矩的最大值是多少?分析与解在均匀外电场中，电偶极子所受的力矩为当电偶极子与外电场正交时，电偶极子所受的力矩取最大值.因而有9-27电子束焊接机中的电子枪如图所示，K 为阴极，A 为阳极，阴极发射的电子在阴极和阳极电场加速下聚集成一细束，以极高的速率穿过阳极上的小孔，射到被焊接的金属上使两块金属熔化在一起.已知V 105.24AK ⨯=U ，并设电子从阴极发射时的初速度为零，求：（1）电子到达被焊接金属时具有的动能；（2）电子射到金属上时的速度.分析电子被阴极和阳极间的电场加速获得动能，获得的动能等于电子在电场中减少的势能.由电子动能与速率的关系可以求得电子射到金属上时的速度.解（1）依照上述分析，电子到达被焊接金属时具有的动能(2)由于电子运动的动能远小于电子静止的能量，可以将电子当做经典粒子处理.电子射到金属上时的速度题9-27。
第9章 真空中的静电场 习题解答9－1 精密的实验已表明，一个电子与一个质子的电量在实验误差为e 2110－±的范围内是相等的，而中子的电量在e 2110－±的范围内为零。
考虑这些误差综合的最坏情况，问一个氧原子（含8个电子、8个质子、8个中子）所带的最大可能净电荷是多少？若将原子看成质点，试比较两个氧原子间的电力和万有引力的大小，其净力是引力还是斥力？解：（1）一个氧原子所带的最大可能净电荷为 e q 21max 1024－⨯±= （2）两个氧原子间的电力和万有引力的大小之比为6222711221921122222max 0108.2)1067.116(1067.6)106.11024(1085.84141------⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⋅⨯⨯=≤r r rm G r q f f G e ππε氧 其净力是引力。
9－2 如习题9－2图所示，在直角三角形ABC 的A 点处，有点电荷q 1 = 1.8×10-9C ，B 点处有点电荷q 2 = －4.8×10-9C ，AC = 3cm ，BC = 4cm ，试求C 点的场强。
解：根据点电荷场强大小的公式22014q qE kr r==πε， 点电荷q 1在C 点产生的场强大小为112014q E AC =πε 994-1221.810910 1.810(N C )(310)--⨯=⨯⨯=⨯⋅⨯ 方向向下。
点电荷q 2在C 点产生的场强大小为2220||14q E BC =πε994-1224.810910 2.710(N C )(410)--⨯=⨯⨯=⨯⋅⨯， 方向向右。
C 处的总场强大小为E =44-110 3.24510(N C )==⨯⋅，总场强与分场强E 2的夹角为12arctan33.69E E ==︒θ．9－3 半径为R 的一段圆弧，圆心角为60°，一半均匀带正电，另一半均匀带负电，其电荷线密度分别为+λ和-λ，求圆心处的场强。
9-1两个半径分别为R 和r 的同轴圆形线圈相距x ，且R >>r ，x >>R ．若大线圈通有电流I 而小线圈沿x 轴方向以速率v 运动，试求小线圈回路中产生的感应电动势的大小． 解：在轴线上的磁场()()22003322222IR IR B x R x R xμμ=≈>>+32202xr IR BS πμφ==v xr IR dt dx x r IR dt d 422042202332πμπμφε=--=-=9-2如图所示，有一弯成θ 角的金属架COD 放在磁场中，磁感强度B ϖ的方向垂直于金属架COD 所在平面．一导体杆MN 垂直于OD 边，并在金属架上以恒定速度v ϖ向右滑动，v ϖ与MN 垂直．设t =0时，x = 0．求当磁场分布均匀，且B ϖ不随时间改变，框架内的感应电动势i ε．解：12m B S B xy Φ=⋅=⋅,θtg x y ⋅=,vt x =22212/()/i d dt d Bv t tg dt Bv t tg εϕθθ=-=-=⋅，电动势方向：由M 指向N9-3 真空中，一无限长直导线，通有电流I ，一个与之共面的直角三角形线圈ABC 放置在此长直导线右侧。
已知AC 边长为b ，且与长直导线平行，BC 边长为a ，如图所示。
若线圈以垂直于导线方向的速度v 向右平移，当B 点与直导线的距离为d 时，求线圈ABC 内的感应电动势的大小和方向。
解：当线圈ABC 向右平移时，AB 和AC 边中会产生动生电动势。
当C 点与长直导线的距离为d 时，AC 边所在位置磁感应强度大小为：02()IB a d μπ=+AC 中产生的动生电动势大小为：xr IRx vC DOxMθBϖv ϖ02()AC AC IbvBl v a d μεπ==+，方向沿CA 方向如图所示，在AB 边上取微分元dl ，微分元dl 中的动生电动势为，()AB d v B dl ε=⨯⋅v v v其方向沿BA 方向。
大学物理（少学时）第9章电磁感应与电磁场课后习题答案9-1两个半径分别为R 和r 的同轴圆形线圈相距x ，且R >>r ，x >>R ．若大线圈通有电流I 而小线圈沿x 轴方向以速率v 运动，试求小线圈回路中产生的感应电动势的大小．解：在轴线上的磁场()()22003322222IR IR B x R x R xμμ=≈>>+32202xr IR BS πμφ==v xr IR dt dx x r IR dt d 422042202332πμπμφε=--=-=9-2如图所示，有一弯成θ 角的金属架COD 放在磁场中，磁感强度B ?的方向垂直于金属架COD 所在平面．一导体杆MN 垂直于OD 边，并在金属架上以恒定速度v ?向右滑动，v ?与MN 垂直．设t =0时，x = 0．求当磁场分布均匀，且B ?不随时间改变，框架内的感应电动势i ε．解：12m B S B xy Φ=?=?,θtg x y ?=,vt x =22212/()/i d dt d Bv t tg dt Bv t tg ε?θθ=-=-=?，电动势方向：由M 指向N9-3 真空中，一无限长直导线，通有电流I ，一个与之共面的直角三角形线圈ABC 放置在此长直导线右侧。
已知AC 边长为b ，且与长直导线平行，BC 边长为a ，如图所示。
若线圈以垂直于导线方向的速度v 向右平移，当B 点与直导线的距离为d 时，求线圈ABC 内的感应电动势的大小和方向。
解：当线圈ABC 向右平移时，AB 和AC 边中会产生动生电动势。
当C 点与长直导线的距离为d 时，AC 边所在位置磁感应强度大小为：02()IB a d μπ=+AC 中产生的动生电动势大小为：xr IRx vC DOxMθBv ?02()AC AC IbvBl v a d μεπ==+，方向沿CA 方向如图所示，在AB 边上取微分元dl ，微分元dl 中的动生电动势为，()AB d v B dl ε=??v v v其方向沿BA 方向。
第9章 电稳感应和电磁场 习题及答案1. 通过某回路的磁场与线圈平面垂直指向纸面内，磁通量按以下关系变化：23(65)10t t Wb -Φ=++⨯。
求2t s =时，回路中感应电动势的大小和方向。
解：310)62(-⨯+-=Φ-=t dtd ε 当s t 2=时，V 01.0-=ε由楞次定律知，感应电动势方向为逆时针方向2. 长度为l 的金属杆ab 以速率υ在导电轨道abcd 上平行移动。
已知导轨处于均匀磁场B ϖ中，B ϖ的方向与回路的法线成60°角，如图所示，B ϖ的大小为B =kt (k 为正常数)。
设0=t 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：任意时刻通过通过回路面积的磁通量为202160cos t kl t Bl S d B m υυ==⋅=Φρρ导线回路中感应电动势为 t kl tmυε-=Φ-=d d 方向沿abcda 方向。
3. 如图所示，一边长为a ，总电阻为R 的正方形导体框固定于一空间非均匀磁场中，磁场方向垂直于纸面向外，其大小沿x 方向变化，且)1(x k B +=，0>k 。
求： （1）穿过正方形线框的磁通量；（2）当k 随时间t 按t k t k 0)(=(0k 为正值常量)变化时，线框中感生电流的大小和方向。
解：（1）通过正方形线框的磁通量为⎰⎰=⋅=Φa S Badx S d B 0ρρ⎰+=a dx x ak 0)1()211(2a k a +=（2）当t k k 0=时，通过正方形线框的磁通量为)211(02a t k a +=Φ 正方形线框中感应电动势的大小为dt d Φ=ε)211(02a k a += 正方形线框线框中电流大小为)211(02a R k a R I +==ε，方向：顺时针方向4.如图所示，一矩形线圈与载有电流t I I ωcos 0=长直导线共面。
设线圈的长为b ，宽为a ；0=t 时，线圈的AD 边与长直导线重合；线圈以匀速度υρ垂直离开导线。
第9章思考题９-１理想气体物态方程就是根据哪些实验定律导出得,其适用条件就是什么？9－2内能与热量得概念有何不同?下面两种说法就是否正确?(1)物体得温度愈高，则热量愈多；（2)物体得温度愈高，则内能愈大?9-3 在p—V图上用一条曲线表示得过程就是否一定就是准静态过程？理想气体经过自由膨胀由状态（p1，V1，T1)改变到状态(p２,Ｖ2，T1),这一过程能否用一条等温线表示.9-４有可能对物体传热而不使物体得温度升高吗？有可能不作任何热交换,而系统得温度发生变化吗？９-5在一个房间里，有一台电冰箱在运转着，如果打开冰箱得门,它能不能冷却这个房间？空调为什么会使房间变凉？９-6根据热力学第二定律判别下列两种说法就是否正确?（１）功可以全部转化为热，但热不能全部转化为功;(2）热量能够从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体。
9—7 一条等温线与一条绝热线就是否能有两个交点？为什么？９—8 为什么热力学第二定律可以有许多不同得表述？９—9 瓶子里装一些水,然后密闭起来。
忽然表面得一些水温度升高而蒸发成汽，余下得水温变低，这件事可能吗？它违反热力学第一定律吗?它违反热力学第二定律吗？9—１0有一个可逆得卡诺机，以它做热机使用时，若工作得两热源温差愈大，则对做功越有利；当作制冷机使用时,如果工作得两热源温差愈大时，对于制冷机就是否也愈有利？（从效率上谈谈)９－11可逆过程就是否一定就是准静态过程？准静态过程就是否一定就是可逆过程？有人说“凡就是有热接触得物体，它们之间进行热交换得过程都就是不可逆过程。
”这种说法对吗？９-12如果功变热得不可逆性消失了，则理想气体自由膨胀得不可逆性也随之消失,就是这样吗？9—13热力学第二定律得统计意义就是什么？如何从微观角度理解自然界自发过程得单方向性？９—14西风吹过南北纵贯得山脉：空气由山脉西边得谷底越过,流动到山顶到达东边，在向下流动。
空气在上升时膨胀,下降时压缩。
第9章思考题令狐采学91 理想气体物态方程是根据哪些实验定律导出的，其适用条件是什么？92内能和热量的概念有何不合？下面两种说法是否正确？(1) 物体的温度愈高，则热量愈多；(2) 物体的温度愈高，则内能愈年夜？93 在pV图上用一条曲线暗示的过程是否一定是准静态过程？理想气体经过自由膨胀由状态(p1,V1,T1)修改到状态(p2,V2,T1)，这一过程能否用一条等温线暗示。
94有可能对物体传热而不使物体的温度升高吗？有可能不作任何热交换，而系统的温度产生变更吗？95在一个房间里，有一台电冰箱在运转着，如果掀开冰箱的门，它能不克不及冷却这个房间？空调为什么会使房间变凉？96根据热力学第二定律判别下列两种说法是否正确？(1) 功可以全部转化为热，但热不克不及全部转化为功；(2) 热量能够从高温物体传到高温物体，但不克不及从高温物体传到高温物体。
97 一条等温线和一条绝热线是否能有两个交点？为什么？98 为什么热力学第二定律可以有许多不合的表述？99 瓶子里装一些水，然后密闭起来。
忽然概略的一些水温度升高而蒸发成汽，余下的水温变低，这件事可能吗？它违反热力学第一定律吗？它违反热力学第二定律吗？910有一个可逆的卡诺机，以它做热机使用时，若工作的两热源温差愈年夜，则对做功越有利；看成制冷机使用时，如果工作的两热源温差愈年夜时，对制冷机是否也愈有利？（从效率上谈谈）911可逆过程是否一定是准静态过程？准静态过程是否一定是可逆过程？有人说“但凡是有热接触的物体，它们之间进行热交换的过程都是不成逆过程。
”这种说法对吗？912如果功变热的不成逆性消失了，则理想气体自由膨胀的不成逆性也随之消失，是这样吗？913热力学第二定律的统计意义是什么？如何从微观角度理解自然界自发过程的双标的目的性？914西风吹过南北纵贯的山脉：空气由山脉西边的谷底越过，流动到山顶达到东边，在向下流动。
空气在上升时膨胀，下降时压缩。
若认为这样的上升、下降过程是准静态的，试问这样的过程是可逆的吗？915 一杯热水置于空气中，他总要冷却到与周围环境相同的温度。
这一过程中，水的熵减少了，这与熵增加原理矛盾吗？916一定量气体经历绝热自由膨胀。
既然是绝热的，即0d =Q ,那么熵变也应该为零。
对吗？为什么？习 题91 一定量的某种理想气体按C pV =2（C 为恒量）的规律膨胀，阐发膨胀后气体的温度的变更情况。
解：已知(1) 2C pV =理想气体状态方程(2) RT M pV μ=， 将(2)式代如(1)式，得 C V RT M =⋅μ,整理，R M C T V μ=⋅ 对一定质量的理想气体，M 为定值，令 'R M CC μ=,则'C T V =⋅，所以膨胀后气体温度成比例降低。
920.020kg 的氦气温度由17℃升到27℃，若在升温的过程中：（1）体积坚持不变；（2）压强坚持不变；（3）不与外界交换热量，试辨别求出气体内能的修改，吸收的热量，外界对气体所作的功。
(设氦气可看作理想气体)解：理想气体内能是温度的单值函数，一过程中气体温度的修改相同，所以内能的修改也相同，为： 热量和功因过程而异，辨别求之如下：（1）等容过程：V=常量 A ＝0由热力学第一定律，（2）等压过程：由热力学第一定律，负号暗示气体对外作功，（3）绝热过程Q ＝0由热力学第一定律93辨别通过下列过程把标准状态下的0.014kg 氮气压缩为原体积的一半：（1）等温过程；（2）绝热过程；（3）等压过程。
试辨别求出在这些过程中内能的修改，传递的热量和外界对气体所作的功。
设氮气可看作理想气体，且R C V 25m , 。
解（1）等温过程：理想气体内能是温度的单值函数，过程中温度不变，故 由热力学第一定律负号暗示系统向外界放热（2）绝热过程 由或得 由热力学第一定律另外，也可以由及先求得A（3）等压过程，有或而所以＝＝＝由热力学第一定律， 也可以由求之另外，由计算结果可见，等压压缩过程，外界作功，系统放热，内能减少，数量关系为，系统放的热即是其内能的减少和外界作的功。
94在标准状态下0.016kg 的氧气，辨别经过下列过程从外界吸收了80cal 的热量。
（1）若为等温过程，求终态体积。
（2）若为等体过程，求终态压强。
（3）若为等压过程，求气体内能的变更。
设氧气可看作理想气体，且R C V 25m , 。
解：（1）等温过程 则故（2）等体过程（3）等压过程95 1mol 单原子理想气体的温度从300K 增加到350K ，（1）容积坚持不变；（2）压强坚持不变。
问在这两个过程中各吸收了几多热量？增加了几多内能？对外做了几多功？解：(1)等体过程由热力学第一定律得E Q ∆=吸热J T R M T C ME Q V 25.623)300350(31.82323=-⨯⨯=∆=∆=∆=μμ 对外作功0=W(2)等压过程J T R i M T C MQ p 75.1038)300350(31.82522=-⨯⨯=∆+=∆==μμ 吸热 T R i M T C ME V ∆=∆=∆2μμ 内能增加J T R M T C ME V 25.623)300350(31.82323=-⨯⨯=∆=∆=∆μμ 对外作功 J E Q W 41525.62375.1038=-=∆-= 961mol 的氢气，在压强为51.010Pa ⨯，温度为20℃时，其体积为0V 。
如先坚持体积不变，加热使其温度升高到80℃，然后使其作等温膨胀，体积变成原体积的2倍。
试计算该过程中吸收的热量，气体对外做的功和气体内能的增量。
解：558.31601246.522V E C T R T J ∆=∆==∆=⨯⨯= 97标准状态下21.610kg -⨯的氧气，辨别经过下列过程并从外界吸收334.4J 的热，（1）经等体过程，求末状态的压强；（2）经等温过程，求末状态的体积；（3）经等压过程，求气体内能的修改。
解：已知kg M O 2106.12-⨯=J Q 4.334=R C V 25= (1) 等体过程0=W T C E Q V ∆=∆=ν吸由过程方程)(10132.110013.115.27334.305550000Pa T T P P T P T P ⨯=⨯⨯==⇒= （2）等温过程：,0T T =,0=∆E ,ln0V V RT Q ν= LV 2.114.225.00=⨯=,,2946.015.27331.85.03.334ln 0=⨯⨯==RT Q V V ν (3)等压过程：T C Q p p ∆=ν，R C p 27=，)(86.2384.33475C E ,V J Q C C T C Q T p p V P p =⨯==∆=∆=∆νν 981mol 双原子分子理想气体作如习题98图的可逆循环过程，其中1—2为直线，2—3为绝热线，3—1为等温线。
已知122T T =，138V V =，试求：(1)各过程的功，内能增量和传递的热量（用1T 和已知常数暗示）(2)此循环的效率η。
（注：循环效率Q W=η，W 为每一循环过程气体对外所做净功，1Q 为每一循环过程气体吸收的热量） 解：13128,2 ,25 ,1V V T T R C V ====ν(1)各过程中的功、内能增量和热量21→：1125RT T C E V =∆=∆ν,11222V p V p C T pV =⇒= 4.12=+=i i γ，又因为32→是绝热过程，)m 3-3习题99图p 2p 13习题98图 O12121111222,2p p V V V T V T ==⇒=--γγ32→绝热过程125.225,0RT T R T C E W Q V =∆=∆=∆-==ν 13→等温过程：13113332ln 3ln ,0RT V V RT Q W E -====∆ν(2)此过程的循环效率：%7.302ln 132ln 3111112=-=-=-==RT RT Q Q Q W η 99 1mol 单原子分子理想气体的循环过程如习题99图所示，其中c 点的温度为c T =600K ．试求： (1)ab ﹑bc ﹑ca 各个过程系统吸收的热量；(2)经一循环系统所做的净功；(3)循环的效率。
（ln2=0.693）解：mol 1=νR C V 23=K T T a c 600==(1)等压过程b a →:K 30060021=⨯==⇒=a a b b b a b a T V V T T T V V c b →等体过程：02=W )(5.373930031.8231J T C E Q V V =⨯⨯⨯=∆=∆=ν a c →等温过程：)(3.34552ln ln ,033J RT V V RT Q E a c a a ====∆(2)经一循环系统所做的净功；)3.9625.62323.34555.3739-J Q Q W （放吸=-+==(3)循环的效率:%4.133.34555.37393.962=+==Q W η910 如习题910图所示， C 是固定的绝热壁，D 是可动活塞，C ﹑D 将容器分红A ﹑B 两部分。
开始时A ﹑B 两室中各装入同种类的理想气体，它们的温度T ﹑体积V ﹑压强p 均相同，并与年夜气压强相平衡。
先对A ﹑B 两部分气体缓慢加热，当对A 和B 给予相等的热量Q 以后，A 室中气体的温度升高度数与B 室中气体的温度升高度数之比为7:5。
(1)求该气体的定容摩尔热容CV 和定压摩尔热容Cp 。
(2)B 室中气体吸收的热量有百分之几用于对外作功？解：由题意可知：p p p B A ==，V V V B A ==,T T T B A ==,57,=∆∆=B A B A T T Q Q (1) A 室为等体过程，B 室为等压过程,B P B AV A T C Q T C Q ∆=∆=νν57=⇒V P C C)31.8( 5.3 ,5.2 ,5711--⋅⋅===∴+==K mol J R R C R C R C C C C P V V P V P (2)B V B AA V A T C E E T C Q ∆=∆∆=∆=νν75=∆∆⇒A B E E 72175=⇒-=-==∆∆B B B B B B B A B Q W Q W Q W Q E E 911如习题911图所示，体积为L 30的圆柱形容器内有一能上下自由活动的活塞（活塞的质量和厚度可忽略），容器内盛有1摩尔﹑温度为127℃的单原子分子理想气体。
若容器外年夜气压强为1标准年夜气压，气温为27℃，求当容器内气体与周围达到平衡时需向外放热几多？（摩尔气体常量R =8.31J·mol1·K1） 解:已知,23 ,1R C V ==νK,300 K,40021==T T mol 1=ν 由理想气体状态方程 RT pV ν=可得，)Pa (10018.1103040031.853111⨯=⨯⨯==-V RT p ，)m (1061.2410013.130031.8335222-⨯=⨯⨯==p RT V 由于初态压强和温度均高于外界，并且容器是密闭的，活塞能上下自由活动，故气体首先降温至与外界压强相等达到中间态，此过程为等体过程；此后再经历等压过程达到末态，温度也与外界相等。
