动力学一习题解答

电动力学习题解答若干运算公式的证明ϕψψϕϕψψϕϕψψϕϕψ∇+∇=∇+∇=∇+∇=∇c c c c )()()(f f f f f f f ⋅∇+⋅∇=⋅∇+⋅∇=⋅∇+⋅∇=⋅∇ϕϕϕϕϕϕϕ)()()()()(c c c c f f f f f f f ⨯∇+⨯∇=⨯∇+⨯∇=⨯∇+⨯∇=⨯∇ϕϕϕϕϕϕϕ)()()()()(c c c c )()()(g f g f g f ⨯⋅∇+⨯⋅∇=⨯⋅∇c c )()(g f f g ⨯∇⋅-⨯∇⋅=c c)()(g f g f ⨯∇⋅-⋅⨯∇=)()()(g f g f g f ⨯⨯∇+⨯⨯∇=⨯⨯∇c cg f f g g f f g )()()()(∇⋅-⋅∇+⋅∇-∇⋅=c c c cg f f g g f f g )()()()(∇⋅-⋅∇+⋅∇-∇⋅=)()()(c c g f g f g f ⋅∇+⋅∇=⋅∇)()(c c g f f g ⋅∇+⋅∇=（利用公式b a c b a c c b a )()()(⋅+⨯⨯=⋅得）f g f g g f g f )()()()(∇⋅+⨯∇⨯+∇⋅+⨯∇⨯=c c c cf g f g g f g f )()()()(∇⋅+⨯∇⨯+∇⋅+⨯∇⨯=第一章 电磁现象的普遍规律1. 根据算符∇的微分性与向量性，推导下列公式：B A B A A B A B B A )()()()()(∇⋅+⨯∇⨯+∇⋅+⨯∇⨯=⋅∇ A A A A )()(221∇⋅-∇=⨯∇⨯A解：（1）)()()(c c A B B A B A ⋅∇+⋅∇=⋅∇B A B A A B A B )()()()(∇⋅+⨯∇⨯+∇⋅+⨯∇⨯=c c c cB A B A A B A B )()()()(∇⋅+⨯∇⨯+∇⋅+⨯∇⨯=（2）在（1）中令B A =得：A A A A A A )(2)(2)(∇⋅+⨯∇⨯=⋅∇，所以 A A A A A A )()()(21∇⋅-⋅∇=⨯∇⨯即 A A A A )()(221∇⋅-∇=⨯∇⨯A2. 设u 是空间坐标z y x ,,的函数，证明：u uf u f ∇=∇d d )( ， uu u d d )(A A ⋅∇=⋅∇， uu u d d )(A A ⨯∇=⨯∇ 证明： （1）z y x z u f y u f x u f u f e e e ∂∂+∂∂+∂∂=∇)()()()(z y x zu u f yu u f x u u f e e e ∂∂+∂∂+∂∂=d d d d d du uf zu y u xuu f z y x ∇=∂∂+∂∂+∂∂=d d )(d d e e e（2）zu A yu A xu A u z y x ∂∂+∂∂+∂∂=⋅∇)()()()(A zu u A y u u A x u u A z y x ∂∂+∂∂+∂∂=d d d d d d uu zu yu x u uA uA uA z y x z z y y x x d d )()d d d d d d (A e e e e e e ⋅∇=∂∂+∂∂+∂∂⋅++=（3）uA uA uA z u y u x u uu z y x zyxd /d d /d d /d ///d d ∂∂∂∂∂∂=⨯∇e e e A zx y y z x x y z y u u A x u u A x u u A z u u A z u u A y u u A e e e )d d d d ()d d d d ()d d d d (∂∂-∂∂+∂∂-∂∂+∂∂-∂∂=z x y y z x x y z yu A xu A xu A zu A zu A yu A e e e ])()([])()([])()([∂∂-∂∂+∂∂-∂∂+∂∂-∂∂=)(u A ⨯∇=3. 设222)'()'()'(z z y y x x r -+-+-=为源点'x 到场点x 的距离，r 的方向规定为从源点指向场点。

郭硕鸿电动力学习题解答完全版（1_6章）1. 根据算符?的微分性与矢量性推导下列公式(Ar ? Br) = Br × (?× Ar) + (Br ??)Ar + Ar ×(?× Br) + (Ar ??)Br Ar × (?× Ar) = 1 ?Ar 2(Ar ??)Ar2 解1 ?(Av ? Bv) = Bv × (?× Av) + (Bv ??)Av+ Av × (?× Bv) + (Av ??)Bv首先算符?是一个微分算符其具有对其后所有表达式起微分的作用对于本题 ?将作用于 Av 和Bv又?是一个矢量算符具有矢量的所有性质因此利用公式cv × (av ×bv) = av ?(cv ?bv) ? (cv ?av)bv 可得上式其中右边前两项是 ?作用于 v v A 后两项是?作用于 Bv v2 根据第一个公式令 A B 可得证2. 设 u 是空间坐标 x y z 的函数证明f (u) = dfu duAr(u) = ?u ? dArdur ?× Ar(u) = ?u × .dA du证明 1f (u) = ?f (u) er x + ?f (u) er y + ?f (u) er z = df du ? e x + r ?u er y + df ?ur ?e z = df ?u ?u ?x ?y ?zdu ?y du ?z du 2Ar y (u) ?y dAr y (u) du ?Ar x (u) + ?x + ?Ar z z(u) = dAr x (u) ? ?u + ? ?u + dAr z (u) ? ?u rz = ?u ? du ?? Ar(u) = dAz du ?x ?y dz 3r r r e z ? e e ?Ar y )er x + (?Ar ? ?zAr ?Ar x )er z = ?y r rx y ?× Ar(u) = = (? x ? ? )e y + ( y ? ?xA A r z z ?x ?y A y (u) A z (u) ?z ?y ?z ?x r r r A x(u)= (dAr z ? dAr y ?u r dAr x ?u ? dA r r u ? dA u r dAr)e y + (dA u ? du ?z )e x + ( ?u r ? ? r x y z du ?x du ?y )e z = ?u × dudu ?y du ?z du ?x3. 设r = (x ? x ' ) 2+ (y ? y ' ) 2+ (z ? z' ) 2为源点 x'到场点 x 的距离 r 的方向规定为从源点指向场点r ? ' + er ? '+ er ? 1 证明下列结果并体会对源变数求微商 (?'= e ?z ' )与对场变数求zx ?x y ?y 微商(? = er x ? r ? r+ e z ?z)的关系x + e y ?y r r r r r r 1 r ' 1 r r r r rr = ??'r = ,? = ?? = ? ,?×r 3 = 0,?? r = ??' 3 = 0.(r ≠ 0)r r 3 3 r (最后一式在人 r 0点不成立见第二章第五节) 2 求rr,?×rr,(ar ??)rr,?(ar ?rr),??[Er 0 sin(kr ?rr)]及?×[Er 0 sin(krrr)],其中ar,kr 及Er 0均为常矢量证明 ??rr=(x ? x ?x ') + ?(y ? yy ') + ?(z ? z ') =3 ?zr r r e e e x y z ?×rr == 0 ?x x ? x ?y y ? y ?z z ? z' ' 'v(av ??)rr = [(a x ev x + a y ev y + a z ev z ) ? ( e x + ??y ev y + ??z ev z )][(x ? x')ev x + (y ? y')er y + (z ? z')ev z ]x = (a x ? + a y ? + a z )[(x ? x')ev x + (y ? y')er y +(z ? z')ev z ] ? ?x ?y ?z= a x ev x + a y ev y + a z ev z =av(av ?rv) = av × (?×rv) + (av ??)rv + rr × (?×av) + (rv ??)?av= (av ??)rv + rv ×(?×av)+ (rv ?ar)?av= av + rv × (?×av) + (rv ??)?av[Er 0 sin(kr ?rr)] = [?(sin(kr ?rr)]? Er 0 + sin(kr ?rr)(?? Er 0)= [??x sin(kr ?rr)er x + ??y sin(kr ?rr)er y + ??z sin(kr ?rr)er z ]E 0= cos(kr ?rr)(k x er x + k y er y + k z er z )Er 0 = cos(krrr)(krEr) ?×[Er 0 sin(kr ?rr)] = [?sin(kr ?rr)]×Er 0+sin(kr ?rr)?× Er 0 4. 应用高斯定理证明dV ?× fr = ∫S dSr × fr∫应用斯托克斯 Stokes 定理证明∫S dSr ×?φ =∫Ldlr φ证明 1)由高斯定理dV ?? gr = ∫SdSr ? gr∫ V ?g 即(? g ?x ?g ∫ V x + y + z z )dV = ∫ g x dS x + g y dS y + g z dS zy S而?× frdV = [( f z ? ??z f y )ir + ( f x ? ??x f z )rj + ( f y ? ??y f x )kr]dV ? ? ? ∫ V∫ ?y ?z ?x= ∫ [??x ( f y kr ? f z rj) + ??y ( f z ir ? f x kr)+ ??z ( f x rj ? f y ir)]dVr r [( f z dS y ? f y dS z )ir + ( f x dS z ? f z dS x )rj + ( fy dS x ? f x dS y )kr] ( fy kr ? f z rj)dS x + ( f z ir ? f x kr)dS y + ( f x rj ? f y ir)dS z∫ S dS × f= ∫ 又S = ∫ 若令H x = f y kr ? f z rj,H y = f z ir ? f x kr,HZ= f x rj ? f y ir则上式就是HrdV = ∫S dSr ? Hr ,高斯定理则证毕∫V 2)由斯托克斯公式有fr ?dlr = ∫S ?× fr ?dSr ∫fr ?dlr =l ( f x dl x + f y dl y + fzdl z) ∫ ∫l ∫S× fr ?dSr = ∫Sf zf y)dS x+ ( f xf z)dS y+ ( f yf x)dS zz ?z ?x ?x ?y ? ? ? (?y而∫dlr φ=∫l∫SdSr ×?φ= ∫S(dS z)ir + ( dS x)rj + ( ?y dS y )kr ?φ dS ? ?φ ?φ dS ? ?φ ?φ dSφ ?x yzx ?z ?y x ?z r ?φ rj)dS +(?φ r i ? ??φx kr)dS y +(??φx rj ? ?φ?y ir)dSzφ = ∫ ( k ?x ?y ?zz 若令f x = φi , f y = φ j , f z = φk 则证毕5. 已知一个电荷系统的偶极矩定义为Pr(t) = ρ(x ,t)x dV, r ' r ' '∫ V 利用电荷守恒定律?? Jr +ρr ?t = 0证明 P 的变化率为dPr =dt rr 'J(x ,t)dV '∫ V ?Pr = ?ρ r ' r 't x dV r ∫ V ' =? ∫ V ? ' j 'x dV r '' 证明 ?t rt ) x = ?Pr ' ?'rj 'x 'dV ' = ?∫[?' ?(x ' j ) ? (?'x ')?rj ']dV ' = r '( ∫ V ∫ V ( j x' ??' ?(x ' j )dV ' = ∫ j x dV ' ? ∫S xrj ?dSr 若S → ∞,则( )? xj dSr r ∫ = 0,(rj S= 0)r ?t ) y =r ?ρ ,(?ρ?t ) z = j dV ( ∫ j dV y' ∫' 同理即z dPr = r r '∫ j x ,t)dV '( dt V mr × Rr 的旋度等于标量? = mr ? Rr 的梯 6. 若m 是常矢量证明除 R 0 点以外矢量 Ar =rR3R3度的负值即× Ar =其中 R 为坐标原点到场点的距离方向由原点指向场点证明mv × Rv)1 r 1 r 1 v r1 r ?× Av = ?× (= ??×[mv × (? R1 )] = (??mv)? + (mv ??)?[??(? )]m ?[(? )??]mv R 31 = (mv ??)? ,(r ≠ 0)r= ?(mvRv 1 r 1 r 1 r 1 r ) = ??[mv ?(? )] = ?mv ×[?× (? )]? (? )× (?×mv) ? (mv ??)? R 3[(? )??]mv = ?(mv ??)? 1 r 1 r ∴?× Av =7 有一内外半径分别为 r 1和 r 2的空心介质球介质的电容率为ε使介质内均匀带静止自由电荷ρ f 求1 空间各点的电场2 极化体电荷和极化面电荷分布∫ 解 1∫S DrdSr =ρ f dV , (r 2>r>r 1)即D ? 4πr 2 = 43π (r 3 ? r 13)ρ f(r 3 ? r 13)ρ f 3εr 3∴Er= rr,(r 2 > r > r 1) r r Q = 4π (r 23 ? r 13)ρ f ,(r > r 2) 3ε 0f 由 E ?dS =∫ 0 ∴Er = (r 23 ? r 13) 3ε 0r 3 rρ f rr,(r > r 2) r < r 1时 E 0r 2) P ε 0χe Er = ε 0 r E = (ε ?ε 0)Er ε ?εε 0∴ρP = Pr = ?(ε ?ε 0)?? Er = ?(ε ?ε 0)??[ (r 3 ? r 13) 3εr 3 ρ f rr] =ε ?ε 0 ρ f ??(rr ? r r 3 r)1 3ε r 3 = ? ε ?ε 0 ρ f (3? 0) = ?(εε 0 )ρ f 3ε εσ P = P 1n ? P 2n考虑外球壳时 r r 2n 从介质 1指向介质 2 介质指向真空 P 2n = 0r 3 ? r 133εr 3) r 23 ? r 13 σ P = P 1n = (ε ?ε 0) ρ f rr r=r 2= (1? ε 0ε ρ f 3 3r 2 考虑到内球壳时 r r 2σ P = ?(ε ?ε 0) r 3 ? r 1 ρ f r r=r 1 = 0 3 r 3εr 38 内外半径分别为 r 1和 r 2的无穷长中空导体圆柱沿轴向流有恒定均匀自由电流 J f 导体的磁导率为μ 求磁感应强度和磁化电流解Hr ?dlr = I f + ddt∫S Dr ?dSr =I f∫ 当r < r 1时,I f = 0,故Hr = Br = 0l H ?dlr = 2πrH = j f ?dSr = j f π(r 2 ? r 12) r r∫ l∫ S当 r 2>r>r 1时μj f (r 2 ? r 12)2rBv = = μ( r 2 ? r 12r 2)rj f ×rr 2 当 r>r 2时2πrH = πj f (r 22 ?r 12)Br = μ0(r 22 2)rj f ×rrr 1 2r 2 J M = ?× Mr = ?× (χM Hr ) = ?× (μ ? μ0) r μ ?1)?× (rjf ×r2r r ? r 12 )μ0 )H = (μ02r 2 = (μμ ?1)?× Hr = ( μ ?1)rj f ,(r 1 < r < r 2) 0 μ0α r M = nr × (Mr 2 ? Mr 1),(n 从介质1指向介质2在内表面上 M1 = 0,M2 = (μμ ?1) r 2 ?r 12 ) r=r = 02r 21故αM = nr × Mr 2 = 0,(r= r 1) r 在上表面 r r 2时r M = nr × (?Mr 1) = ?nr × Mr 1 r=r 2= ? × r r 2 ? r 12 r j f ×rr r=r 2 = ? r 2 ? r 12 r j ( μ ?1) μr α f r 2 r 2 r 2 2r 0 r 22 ? r 12 r 2= ?(μμ1) jf。

动力学1A 一、选择题 1. 连串反应 Ak 1Bk 2C 其中 k 1= 0.1 min -1， k 2= 0.2 min -1，假定反应开始时只有 A ，且浓度为 1 mol ·dm -3 ，则 B 浓度达最大的时间为： ( )(A) 0.3 min (B) 5.0 min (C) 6.93 min (D) ∞ 2. 平行反应 Ak 1B (1)； Ak 2D (2)，其反应 （1） 和（2） 的指前因子相同而活化能不同，E 1为 120 kJ ·mol -1，E 2为 80 kJ ·mol -1，则当在 1000K 进行时，两个反应速率常数的比是： ( )(A) k 1/k 2= 8.138×10-3 (B) k 1/k 2= 1.228×102(C) k 1/k 2= 1.55×10-5 (D) k 1/k 2= 6.47×104 3. 如果臭氧 (O 3) 分解反应 2O 3→ 3O 2的反应机理是： O 3→ O + O 2 (1) O + O 3→ 2O 2 (2) 请你指出这个反应对 O 3而言可能是： ( )(A) 0 级反应 (B) 1 级反应 (C) 2 级反应 (D) 1.5 级反应4. 化学反应速率常数的 Arrhenius 关系式能成立的范围是： ( ) (A) 对任何反应在任何温度范围内 (B) 对某些反应在任何温度范围内 (C) 对任何反应在一定温度范围内 (D) 对某些反应在一定温度范围内5. 如果反应 2A + B ＝ 2D 的速率可表示为：r = -12d c A /d t = - d c B /d t = 12d c D /d t则其反应分子数为： ( )(A) 单分子 (B) 双分子 (C) 三分子 (D) 不能确定3 (A) kp H 23 p N 2 (B) kp H 22p N 2(C) kpH2pN2(D) kpH2pN227. 在反应 A k1Bk2C，Ak3D 中，活化能E1> E2> E3，C 是所需要的产物，从动力学角度考虑，为了提高 C 的产量，选择反应温度时，应选择： ( )(A) 较高反应温度 (B) 较低反应温度(C) 适中反应温度 (D) 任意反应温度8. [X]0 [Y][Z] 增加 0.0050 mol·dm-3所需的时间/ s0.10 mol·dm-3 0.10 mol·dm-3 720.20 mol·dm-3 0.10 mol·dm-3 180.20 mol·dm-3 0.05 mol·dm-3 36对于反应 X + 2Y → 3Z，[Z] 增加的初始速率为： ( )(A) 对 X 和 Y 均为一级 (B) 对 X 一级，对 Y 零级(C) 对 X 二级，对 Y 为一级 (D) 对 X 四级，对 Y 为二级9. 一级反应，反应物反应掉 1/n所需要的时间是： ( )(A) -0.6932/k (B) (2.303/k) lg[n/(n-1)](C) (2.303/k) lg n (D) (2.303/k) lg(1/n)10. 关于反应速率理论中概率因子P的有关描述，不正确的是： ( )(A) P与∆≠S m有关(B) P体现空间位置对反应速率的影响(C) P与反应物分子间相对碰撞能有关(D) P值大多数<1，但也有>1的二、填空题12. 60Co广泛用于癌症治疗, 其半衰期为5.26 a (年), 则其蜕变速率常数为：_________________, 某医院购得该同位素20 mg, 10 a后剩余 ______________mg。

J ξη =
w
(V )
∫ ρξη dV = ρ ∫ ( x cos θ + y sin θ )( y cos θ − x sin θ )dV
(V )
w w
⎧ξ = x cos θ + y sin θ ⎩η = y cos θ − x sin θ
= ( ∫ ρ y 2 dV −
(V ) z =0
.n
∫ ρ x dV ) sin θ cos θ + (cos
ψ = ψ t = 15t
ω y = ω sinψ = 20sin15t
i
ω x = ω cosψ = 20 cos15t
∴ω = 20 cos15ti + 20sin15t j ⇒ ε = −300sin15ti + 300 cos15t j ⇒ ε = 300
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.cn
2 (V )
2 (V )
∫ ρ(x
(V )
∫ ρ(z
∫ ρ(x
tjx
(V )
∵ Jz =
∫ ρ (x
2
+ y 2 )dV
Jx =
∫ ρ (z
2
+ y 2 )dV
Jy =
+ z 2 )dV ⇒
即该刚体为薄片平面
2、 ξ 轴在 xoy 中的方向余弦为 (cos θ ,sin θ )
J ξ = α ξ2 J x + βξ2 J y − 2α ξ βξ J xy = cos 2 θ J x + sin 2 θ J y − 2sin θ cos θ J xy
= ω × j' ⋅ k ' = ω ⋅ ( j' × k ' ) = ω ⋅ i' = p