下载文档原格式
第9章 静电场中的导体9.1 求导体外表面紧邻处场强的另一方法。
设导体面上某处面电荷密度为σ，在此处取一小面积ΔS，将ΔS 面两侧的电场看成是ΔS 面上的电荷的电场（用无限大平面算）和导体上其他地方以及导体外的电荷的电场（这电场在ΔS 附近可以认为是均匀的）的叠加，并利用导体内合电场应为零求出导体表面紧邻处的场强为σ/ε0（即教材式（8.2））。
解：如图8-1所示，导体表面小面积ΔS 上所带电荷在它的两侧分别产生场强为σ/2ε的电场E'1和E'2，ΔS以外的电荷在ΔS 附近产生的电场为E"，可视为均匀的。
由电场叠加原理，在ΔS 的导体内一侧应有于是在ΔS的导体外一侧，则合电场应为这说明E ex 的大小为2σ/（2ε0）＝σ/ε0，而其方向垂直于导体表面。
图8-19.2 一导体球半径为R1，其外同心地罩以内、外半径分别为R2和R3的厚导体壳，此系统带电后内球电势为φ1，外球所带总电量为Q 。
求此系统各处的电势和电场分布。
解：设内球带电为q 1，则球壳内表面带电将为－q1，而球壳外表面带电为q 1＋Q ，这样就有由此式可解得于是，可进一步求得9.3 在一半径为R1＝6.0 cm 的金属球A 外面套有一个同心的金属球壳B 。
已知球壳B 的内、外半径分别为R2＝8.0 cm ，R3＝10.0 cm 。
设A 球带有总电量QA ＝3×10－8 C ，球壳B 带有总电量QB ＝2×10－8C 。
（1）求球壳B 内、外表面上各带有的电量以及球A 和球壳B 的电势；（2）将球壳B 接地然后断开，再把金属球A 接地。
求金属球A 和球壳B内、外表面上各带有的电量以及球A 和球壳B 的电势。
解：（1）由高斯定律和电荷守恒可得球壳内表面带的电量为球壳外表面所带电量为于是（2）B 接地后断开，则它带的总电量变为然后球A 接地，则φ'a＝0。
设此时球A 带电量为q'A ，则由此解得9.4 一个接地的导体球，半径为R ，原来不带电。
第3章 动量与角动量一、选择题1．A 、B 两质点m A ＞m B ，受到相等的冲量作用，则（ ）。
A ．A 比B 的动量增量少B ．A 与B 的动能增量关系无法确定C ．A 比B 的动量增量大D ．A 与B 的动量增量相等【答案】D【解析】由冲量定理，可得2．质点在恒力作用下由静止开始作直线运动，如图3-1。
已知在时间Δt 1内，速率由0增加到υ；在Δt 2内，由υ增加到2υ。
设该力在Δt 1内，冲量大小为I 1，所做的功为A 1；在Δt 2内，冲量大小为I2，所做的功为 A2，则（）。
图3-1A．B ．C ．D ．【答案】D二、填空题1．一船浮于静水中，船长5m ，质量为M 。
一个质量也为M 的人从船尾走到船头，不计水和空气阻力，则在此过程中船将______。
【答案】后退2.5m 2．质量为m 的小球，以水平速度υ与竖直放置的钢板发生碰撞后，以同样大小的速度反向弹回，选如图3-2所示的坐标系，则碰撞过程中，钢板受到的冲量为=______。
图3-2【答案】3．如图3-3所示，劲度系数为k 的弹簧，一端固定在墙上，另一端连接一质量为m ＇的容器，容器可在光滑的水平面上运动，当弹簧未变形时，容器位于O 点处，今使容器自O 点左边x 0处从静止开始运动，每经过O 点一次，就从上方滴管中滴入一质量为m 的油滴，则在容器第一次到达O 点油滴滴入前的瞬间．容器的速率υ＝______；当容器中刚滴入了n 滴油后的瞬间，容器的速率υ＝______．图3-3【答案】4．有一质量为m 的小球，系在一细绳的下端，作如图3-4所示的圆周运动．圆的半径为R ，运动的速率为υ，当小球在轨道上运动一周时，小球所受重力冲量的大小为______．图3-4【答案】2πRmg/υ．三、简答题1．用细线把一重球悬挂起来，球下系一同样的细线，用力拉球下细线并逐渐加大力量，哪段细线先断?为什么?如用较大力量突然拉球下细线，哪段细线先断?为什么?答：无论何种拉法，细线之所以断，是因其所受拉力大于它所能承受的极限张力．（1）上段细线先断．因为缓慢的加大力量拉球下细线时，拉力通过重球均匀地作用于球上方的细线，而上方的细线除受拉力外，还受球对它的作用力（大小等于球的重力）．因此在逐渐加大拉力的过程中，球上方细线中的张力因先达到极限而被拉断．（2）下段细线先断．因为用较大力量突然拉下面细线，意味着作用力较大而作用时间较短，该拉力就是冲力．冲力通过细线首先作用于重球，但由于重球质量很大，动量改变极小，在冲力尚未通过重球的位移传给球上之细线前，球下细线所受冲力已大于其所能承受的极限，因此下段细线先断．2．物体的质心和重心有何区别?答：（1）物体的质心和重心是两个不同的概念．（2）重心是地球对物体各部分引力的合力（即重力）的作用点．不受重力，也就无所谓重心，在失重环境中，重心自然失去意义，而质心无论何时都是有意义的．对于地球上体积不太大的物体，重心和质心的位置可认为是重合的．3．跳伞运动员临着陆时用力向下拉降落伞，这是为什么?答：人用力向下拉降落伞时，降落伞对人可以产生一个向上的作用力，以致减小人着陆的速度，减轻地面对人的冲力．4．试分析下面的叙述是否正确?（1）作用于质点的力不为零，质点所受的力矩也总不为零．（2）一定质量的质点，在运动中某时刻的加速度一经确定，则质点所受的合力就可以确定了．同时，作用于质点的力矩也可以确定了．（3）作用于质点系的外力矢量和为零，外力矩之和也为零．（4）质点系的动量为零，则质点系的角动量也为零；质点系的角动量为零，则质点系的动量也为零．（5）质点作圆周运动必受到力矩的作用；质点作直线运动必定不受力矩作用．答：（1）不正确．因为力矩是位矢和力的矢积，当作用于质点的力和位矢相互平行时，质点所受的力矩为零．（2）不正确．因为，一定质量的质点在运动中某时刻的加速度一经确定，则质点所受的合力就可以确定了；但是，作用于质点的力矩与力和质点相对于参考点的位矢有关，对于不同的参考点，其力矩不同，所以，在位矢未知的情况下，作用于质点的力矩不能确定．（3）不正确．因为，作用于质点的外力矩与力和质点相对于参考点的位矢有关，虽然作用于质点系的外力矢量和为零，但其外力矩之和不一定为零．（4）不正确．因为，角动量不但与质点的动量有关，还与质点相对于参考点的位置有关，虽然质点系的动量为零，但质点系的角动量不一定零；反之，质点系的角动量为零，质点系的动量也不一定零．（5）不正确．因为，质点作匀速圆周运动时可以不受力矩作用；质点作直线运动所受的力矩与所选的参考点有关，如果参考点不在该直线上，则质点所受的力矩不为零．5．能否利用装在小船上的风扇搧动空气使小船前进?答：能．假定风扇固定在小船上．当船上的风扇持续地向船尾搧动空气时，风扇同时也受到了空气的反作用力．该反作用力是向着船头、通过风扇作用于船身的．根据动量定理可知，该力持续作用于船身的效果，使船向前运动的动量获得增量．（1）若该作用力大于船向前运动时所受的阻力，小船就可向前运动；（2）若将风扇转向船头搧动空气，则将使小船后退．6．在匀速圆周运动中，质点的动量是否守恒?角动量呢?答：（1）动量不守恒．因为，在匀速圆周运动中，质点的速度大小不变但方向始终在变，因此它的动量不守恒。
第10章 静电场中的电介质10.1 在HCl 分子中，氯核和质子（氢核）的距离为0.128 nm ，假设氢原子的电子完全转移到氯原子上并与其他电子构成一球对称的负电荷分布而其中心就在氯核上。
此模型的电矩多大？实测的HCl 分子的电矩为3.4×10－30C·m ，HCl 分子中的负电分布的“重心”应在何处？（氯核的电量为17e ）解：按假设模型计算，HCl 分子的电矩为此结果比实测数值大。
设如图10-1所示，在HCl分子中负电分布的“重心”在氯核与质子中间离氯核l 距离处。
这时HCL 分子的电矩应为图10-110.2 两个同心的薄金属球壳，内、外球壳半径分别为R1＝0.02 m 和R2＝0.06m 。
球壳间充满两层均匀电介质，它们的相对介电常量分别为εr1＝6和εr2＝3。
两层电介质的分界面半径R ＝0.04 m 。
设内球壳带电量Q ＝﹣6×10－8 C ，求：（1）D 和E 的分布，并画D-r ，E-r 曲线；（2）两球壳之间的电势差；（3）贴近内金属壳的电介质表面上的面束缚电荷密度。
解：（1）由D 的高斯定律可得再由，可得D-r 和E-r曲线如图10-2所示。
图10-2（2）两球壳之间的电势差为（3）10.3 两共轴的导体圆筒的内、外筒半径分别为R1和R2，R2＜2R1。
其间有两层均匀电介质，分界面半径为r0。
内层介质相对介电常量为εr1，外层介质相对介电常量为εr2，εr2＝εr1/2。
两层介质的击穿场强都是Emax 。
当电压升高时，哪层介质先击穿？两筒间能加的最大电势差多大？解：设内筒带电的线电荷密度为λ，则可导出在内外筒的电压为U 时，内层介质中的最大场强（在r ＝R L处）为而外层介质中的最大场强（在r ＝r 0处）为两结果相比由于r 0＜R 2，且R 2＜2R 1，所以总有E 2/E 1＞0，因此当电压升高时，外层介质中先达到E max 而被击穿。
而最大的电势差可由E 2＝Emax 求得为10.4 一平板电容器板间充满相对介电常量为εr 的电介质而带有电量Q 。
第4章 功和能4.1 电梯由一个起重间与一个配重组成。
它们分别系在一根绕过定滑轮的钢缆的两端（图4-1）。
起重间（包括负载）的质量M ＝1200 kg ，配重的质量m ＝1000 kg 。
此电梯由和定滑轮同轴的电动机所驱动。
假定起重间由低层从静止开始加速上升，加速度（1）这时滑轮两侧钢缆中的拉力各是多少？（2）加速时间t ＝ 1.0 s ，在此时间内电动机所做功是多少（忽略滑轮与钢缆的质量）？（3）在加速t ＝1.0 s 以后，起重间匀速上升。
求它再上升的过程中，电动机又做了多少功？图4-1解：（1）如图4-1所示，沿竖直方向，分别对M 和m 用牛顿第二定律，可得由此可得（2）在加速t＝1.0 s的过程中，起重间上升的距离为这也就是电动机拖动钢缆的距离，电动机做的功为（3）起重间匀速上升时，滑轮两侧钢缆中的张力分别为拖动钢缆的距离为时电动机又做的功是4.2 一匹马拉着雪橇沿着冰雪覆盖的圆弧形路面极缓慢地匀速移动。
设圆弧路面的半径为R，马对雪橇的拉力总是平行于路面，雪橇的质量为m，与路面的滑动摩擦系数为当把雪橇由底端拉上圆弧时，马对雪橇做功多少？重力和摩擦力各做功多少？解：如图4-2所示，以F表示马拉雪橇的力，则对雪橇，由牛顿第二定律切向：法向：再由可解得由此得马拉雪橇做功重力对雪橇做的功为摩擦力对雪橇做的功为图4-24.3 2001年9月11日美国纽约世贸中心双子塔遭恐怖分子劫持的飞机袭击而被撞毁（图4-3）。
据美国官方发表的数据，撞击南楼的飞机是波音767客机，质量为132 t，速度为942 km／h。
求该客机的动能，这一能量相当于多少TNT炸药的爆炸能量？图4-3解：将题给数据代入动能公式中即可得该客机的动能为由于1kg TNT爆炸放出能量为（见教材表4.1），所以上述动能相当于的TNT爆炸所放出的能量。
4.4 矿砂由料槽均匀落在水平运动的传送带上，落砂流量q＝50 kg／s。
传送带匀速移动，速率为v＝1.5 m／s。
第15章 电磁感应15.1 在通有电流I ＝5 A 的长直导线近旁有一导线段ab ，长l ＝20 Cm ，离长直导线距离d ＝10 cm （图15-1）。
当它沿平行于长直导线的方向以速度v ＝10 m ／s 平移时，导线段中的感生电动势多大？a，b哪端的电势高？图15-1解：（如图15-1所示）由于所以a 端电势高。
15.2 平均半径为12 cm 的4×103匝线圈，在强度为0.5G 的地磁场中每秒钟旋转30周，线圈中可产生最大感生电动势为多大？如何旋转和转到何时，才有这样大的电动势？解：线圈绕垂直于磁场的直径旋转，当线圈平面法线与磁场垂直时感生电动势出现此最大值。
15.3 如图15-2所示，长直导线中通有电流l＝5.0 A，另一矩形线圈共1×103匝，宽a＝10 cm，长L＝20 cm，以v＝2 m／s的速度向右平动，求当d＝10 cm时线圈中的感生电动势。
图15-2解：如图15-2所示，线圈向右平移时，上下两边不产生动生电动势。
因此，整个线圈内的感生电动势为15.4 习题15.3中若线圈不动，而长导线中通有交变电流，线圈内的感生电动势将为多大？解：通过线圈的磁链为15.5 在半径为R的圆柱形体积内，充满磁感应强度为B的均匀磁场。
有一长为L的金属棒放在磁场中，如图15-3所示。
设磁场在增强，并且已知，求棒中的感生电动势，并指出哪端电势高。
图15-3解：方法一如图15-3所示，考虑△Oba。
以S表示其面积，则通过S的磁通量。
当磁通变化时，感应电场的电场线为圆心在O的同心圆。
由法拉第电磁感应定律可得由此得由于，所以，因而b端电势高方法二直接对感应电场积分。
在棒上dl处的感应电场的大小为，方向如图15-3所示由于，所以b 端电势高。
15.6 在50周年国庆盛典上我FBC-1“飞豹”新型超音速歼击轰炸机在天安门上空沿水平方向自东向西呼啸而过。
该机翼展12.705m 。
设北京地磁场的竖直分量为0.42×10－4T ，该机又以最大M 数1.70（M 数即“马赫数”，表示飞机航速相当于声速的倍数）飞行，求该机两翼尖间的电势差。
