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x解：先求均匀带电圆环在其轴线上产生的场强。
在带电圆环上取 dq1dl , dq 在带电圆环轴线上x 处产生的场强大小为dEdq4(x R )根据电荷分布的对称性知，E y E z 0dE x dE cos1 xdq4(x 2 R 2)'2第6章 真空中的静电场 习题及答案1.电荷为 q 和 2q 的两个点电荷分别置于 x 1m 和x 1m 处。
一试验电荷置于 x 轴上何处，它受到的合力等于零？解：根据两个点电荷对试验电荷的库仑力的大小及方向可以断定，只有试验电荷 q 0位于点电荷 q 的右侧，它受到的合力才可能为0,所以2qq o qq o2 24 n o (x 1)4 n o (x 1)故 x 3 2 22.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：（1）以A 处点电荷为研究对象，由力平衡知， q 为负电荷，所以（2）与三角形边长无关。
3.如图所示，半径为 R 、电荷线密度为 1的一个均匀带电圆环，在其轴线上放一长为I 、电荷线密度为 2的均匀带电直线段， 该线段的一端处于圆环中心处。
求该直线段受到的电场力。
2% cos30 a1 qqa)24nE xsin d4n 0R 2n 0R式中：为dq 到场点的连线与x 轴负向的夹角。
---------------------------------- 3dq4 o (x 2 R 2) 2x 1 2 R 1R x40 (x 2 R 2)'2 2 0(x 2 R 2)'2下面求直线段受到的电场力。
在直线段上取 dq2dx , dq受到的电场力大小为dF E x dq1 2只 ------- x ———dx2 0(x 2 R 2)，2方向沿x 轴正方向。
第六章机械运动和机械波思考题6-35简谐振动中相位为φ、π+φ、2π+φ、3π+φ、….时描述的是同一运动状态吗？为什么？6-36 对一简谐振动系统，画出其动能和势能关于时间变量的曲线，并分析两者反相的物理意义。
6-37 将单摆摆线从铅直方向拉到φ角的位置撒手任其摆动。
这里φ角是初相位吗？若不是，它将对应什么物理量？6-38 若以一装满水的空心球作为单摆的摆钟，并让水从球体缓慢流出，试描述其摆动周期的变化情况。
6-39 利用受迫振动的稳定解（6.19）式说明为什么恒力不能导致受迫振动。
（提示：恒力的频率ω可视为零）6-40 在太空中能听到声音吗？为什么？6-41 在较长时间间隔（Δt>>T）内，任意以t为变量的正弦（或余弦）型函数的平均值均为零，例如：<cos αt>=<sin αt>=0，其中α是任意常数。
试据此推导（6.11）、(6.12)及(6.40)式。
6-42 海啸是一种波长约为几十至几百千米、在海水中传播的波动现象。
它在深海区域并不易被察觉，但一旦海啸接近岸边往往会造成巨大的灾害。
试从能量角度分析其中的原因。
6-43 描述机械波时间周期性的物理量由周期T、频率v和圆频率ω给出。
类似地，我们可以用λ、1λ、2πλ描述波的空间周期性，试说明这三个量对应的物理意义。
6-44 试解释弦乐器的以下现象：（1）较松的弦发生的音调较低，而较紧的弦则音调较高；（2）较细的弦发生的音调较高，而较粗的弦则音调较低（古人称之为“小弦大声，大弦小声”）；（3）正在振动的两端固定的弦，若用手指轻按弦的中点时，音调变高到两倍，若改按弦的三分之一处时，音调增至三倍；（4）用力弹拨琴弦（而非用手指按弦）时，能同时听到若干音调各异的声音。
（提示：音调高低与弦振动的频率成正比。
此外，在（4）情形中弦以基频振动的同时还以若干泛频振动。
）习题6-1 如题6-1图所示，用一根金属丝把一均匀圆盘悬挂起来，悬线oc 通过圆盘质心，圆盘呈水平状态，这个装置称为扭摆，当使圆盘转过一个角度时，金属丝受到扭转，从而产生一个扭转的恢复力矩。
第六章习题解答6-1 解：首先写出S 点的振动方程 若选向上为正方向，则有：0c o s02.001.0ϕ=- 21cos 0-=ϕ,0s i n 00>-=ϕωυA 0sin 0<ϕ 即 πϕ320-=或π34 初始相位 πϕ320-=则 m t y s )32cos(02.0πω-=再建立如图题6-1(a)所示坐标系，坐标原点选在S 点，沿x 轴正向取任一P 点，该点振动位相将落后于S 点，滞后时间为： ux t =∆则该波的波动方程为：m u x t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=πω32)(cos 02.0若坐标原点不选在S 点，如习题6-1图（b ）所示，P 点仍选在S 点右方，则P 点振动落后于S 点的时间为： uL x t -=∆则该波的波方程为：m uL x t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πω32)(cos 02.0若P 点选在S 点左侧，P 点比S 点超前时间为ux L -,如习题6-1图(c)所示，则⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=πω32)(cos 02.0u x L t y⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πω32)(cos 02.0uL x t∴不管P 点在S 点左边还是右边，波动方程为： ⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πω32)(cos 02.0uL x t y6-2 解（1）由习题6-2图可知， 波长 m 8.0=λ 振幅A=0.5m习题6-1图习题6-1图频率 Hz 125Hz 8.0100===λuv周期 s 10813-⨯==vT ππυω2502==（2）平面简谐波标准波动方程为： ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=ϕω)(cos u xt A y 由图可知，当t=0,x=0时，y=A=0.5m ，故0=ϕ。
将ϕπωω、、、u v A )2(=代入波动方程，得：m )100(250cos 5.0⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=x t y π(3) x =0.4m 处质点振动方程.⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=)1004.0(250cos 5.0t y π m )250cos(5.0ππ-=t6-3 解（1）由习题6-3图可知，对于O 点，t=0时，y=0，故2πϕ±=再由该列波的传播方向可知，00<υ取 2πϕ=由习题6-3图可知，,40.0m OP ==λ且u=0.08m/s ，则ππλππω52rad/s 40.008.0222====u v rad/s可得O 点振动表达式为：m t y )252cos(04.00ππ+=(2) 已知该波沿x 轴正方向传播，u=0.08m/s,以及O 点振动表达式，波动方程为：m x t y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=2)08.0(52cos 04.0ππ(3) 将40.0==λx 代入上式，即为P 点振动方程：m t y y p ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+==ππ2152cos 04.00 (4)习题6-3图中虚线为下一时刻波形，由图可知，a 点向下运动，b 点向上运动。
6-1某一热力学系统经历一个过程后，吸收了400J的热量，并对环境做功300J,则系统的内能()o(A)减少了100J (B)增加了100J (C)减少了700J (D)增加了700J解：由热力学第一定律2 = AE + W可得AE = 2 - VV = 400 - 300=100J 故选B6-2对于理想气体系统来说，在下列过程中，哪个过程中系统所吸收的热量、内能的增量和对外做功三者均为负值( )？(A) 等容降压过程(B)等温膨胀过程(C)绝热膨胀过程(D)等压压缩过程解：等容过程不做功，故A不正确；等温过程内能不变，故B不正确；绝热过程与外界不交换热量，故C不正确；对于等压压缩过程：体积减小，系统对外界做负功，表现为外界对系统做功；易知压缩过程温度降低，则内能减少；等压过程e p = vC^T ,温度降低，则必放热。
故选D6-3系统分别经过等压过程和等体过程，如果两过程中的温度增加值相等，那么()o(A)等压过程吸收的热量小于等体过程吸收的热量(B)等压过程吸收的热量等于等体过程吸收的热量(C)等压过程吸收的热量大于等体过程吸收的热量(D)无法确定解：等压过程吸收的热量Q p = vC^T ；等容过程吸收的热量e v=^c v Ar,由于C p > C v ,故选 C6-4 一台工作于温度分别为327°C和27°C的高温热源与低温热源之间的卡诺热机，每经历一次循环吸热2000J ,则对外界做功( )o(A) 2000J ( B ) 1000J ( C ) 4000J ( D ) 500J解：卡诺热机循环效率?/= —=1-^=1- —则W = 1000J,故选BQ吸心600 26・5系统从外界获得的能量，一部分用来_______ ,另一部分用来对外界做功。
解：详见热力学第一定律6-6空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对气缸内的气体做功为2xlO4J,同时气体的内能增加了1.5X104J O试问：此压缩过程中，气体_______________ (填“吸收”或“放出”)的热量等于 ___________ J。
第六章真空中的静电场习题选解6-1三个电量为q -的点电荷各放在边长为r 的等边三角形的三个顶点上，电(的中（2）粒子的质量为： 由牛顿第二定律得：6-3如图所示，有四个电量均为C q 610-=的点电荷，分别放置在如图所示的1，2，3，4点上，点1与点4距离等于点1与点2的距离，长m 1，第3个电荷位于2、4两电荷连线中点。
求作用在第3个点电荷上的力。
解：由图可知，第3个电荷与其它各电荷等距，均为2r =。
各电荷之间均为斥力，且第2、4两电荷对第三电荷的作用力大小相等，方向相反，两力平衡。
由库仑定律，作用于电荷3的力为题6-3图 题6-3图力的方向沿第1电荷指向第3电荷，与x 轴成45角。
6-4在直角三角形ABC 的A 点放置点电荷C q 91108.1-⨯=，B 点放置点电荷C q 92108.4-⨯-=，已知0.04,0.03BC m AC m ==，试求直角顶点C 处的场强E 。
E 题6-5图6-6如图所示，一根很长的绝缘棒，均匀 带电，单位长度上的电荷量为λ，试求距棒的一端垂直距离为d 的P 点处的电场强度。
解：建立如图所示坐标，在棒上任取一线 元dx 在P 点产生的场强为dE 题6-6图场强dE 可分解成沿x 轴、y 轴的分量 题6-6图P 点场强dE E E y x02242πελ=+= 方向与Y 轴夹角为ϕarctan45xyE E ϕ== 6-7一根带电细棒长为l 2，沿x 轴放置，其一端在原点，电荷线密度Ax =λ（A 为正的常数）。
求x 轴上，l b x 2+=处的电场强度。
解：在坐标为x 处取线元dx ，带电量为Axdx dq =，该线元在P 点的场强为dE ，，在方求在这个圆洞轴线上距洞心r 处一点P 的场强。
解：开了一个圆洞的无限大均匀带电 平面，相当于一个无限大均匀带电平面又 加了一块带异号电荷，面密度σ相同的圆 盘。
距洞心r 处P 点的场强式中+E 为无限大均匀带电平面在P 点产生的场强题6-9图方向垂直于平面向外-E 为半径为R 的均匀带负电圆盘在其轴线上距中心为r 处的P 产生的场强。
第六章 习题6.1 三个相同的点电荷放置在等边三角形的三个顶点上，在此三角形的中心应放置怎样的电荷，才能使作用在每一点电荷上的合力为零？解 设等边三角形的边长为a，则由顶点到中心的距离为；顶点处电荷为q ，中心处电荷为Q ，Q 与q 反号．考虑到等边三角形的对称性，可知Q 受其它三个电荷的合力为零，与Q 的大小无关；顶点处三个电荷q 所受合力的大小相同．上方顶点处电荷q受其它三个电荷的作用力如题解图 6.1所示，合力为零要求题解图6.102cos30F F =即22024q aπε⨯=可求出3Q q =．6.2 半径为R 的半圆形带电曲线，如题图 6.2所示，线上单位长度带有电荷η，求圆心O 点的场强． 题图6.2解 在带电曲线上取一个长度为d l 的电荷元，其电量d d q l η=．电荷元在O 点的场强为d E，如题解图 6.2．由于电荷分布对Ox 轴对称，所以全部电荷在O 点产生的总场强沿y 方向的分量之和为零，O 点的总场强E 沿Ox 方向，(d )x E E i =⎰．由于d =d lR θ，所以200d cos cos d cos d d 44x l E E R Rηθηθθθπεπε⋅=== 于是222200cos (d )(sin )44E i |i R R ππππηθηθθπεπε--==⎰02i Rηπε= 6.3 电量均为9410C -⨯的四个点电荷置于正方形的四个顶点，各顶点距正方形中心O点5cm ．试求:（1）O 点的场强和电势；（2）将点电荷90110C q -=⨯从无穷远处移到O 点，电场力作功多少？电势能的改变为多少？解 （1）根据场强迭加原理，O 点的场强12340E E E E E =+++=根据电势迭加原理，O 点的电势12340144qrϕϕϕϕϕπε=+++=⨯99291040104510.--⨯⨯⨯=⨯⨯328810().V =⨯ （2）电场力作功0(0)A q ϕ=--93101028810..-=-⨯⨯⨯628810(J).-=-⨯电势能的改变为6p 28810(J)E A .-∆=-=⨯6.4 半径为R 的半圆形带电曲线，如题图 6.2所示，线上单位长度带有电荷η，求圆心O 点的电势．解 在带电曲线上取一个长度为d l 的电荷元，其电量d d ql η=．参见题解图6.2，d =d l R θ．则O 点的电势为001d 1d 44q l r R ηϕπεπε==⎰⎰20001d 444ππηπηηθπεπεε-===⎰6.5 已知空气的击穿场强为6310V m ⨯，测得某次闪电的火花长100m ．（1）求这次发生的闪电两端的电势差；（2）设闪电时通过的电量为30C ，问这次闪电消耗多大能量？解 （1）闪电两端的电势差68310100310(V)U Ed ϕ=∆==⨯⨯=⨯（2）次闪电消耗多大能量8931030910(J)E qU ==⨯⨯=⨯6.6 如题图6.6所示，匀强电场E 与半径为R 的半球面1S 的轴线平行，试计算通过此半球面的E通量．若以半球面的边线为边，另取一个任意形状的曲面2S ，问2S 的电通量多大？请说明理由． 题图6.6解 以半球面1S 的边缘为边界作一个平面0S ，此平面为一个圆，面积为2R π．由于E与0S面垂直，所以通过0S 面的E通量2R E Φπ=．因为通过1S 面和2S 面的E 通量与通过0S 面的E 通量相等，故通过1S 面和2S 面的E通量均为2R E Φπ=．6.7 设地球表面附近的场强约为200Vm ，方向指向地心，试求地球所带总电量．解 在地球表面外、沿地球表面作一个球面，以此球面为高斯面，设地球所带总电量为Q ，地球半径66.410m R =⨯，由高斯定理20d 4SQ E S E R πε⋅=-⨯=⎰⎰所以地球所带总电量204Q E R επ=-⨯⨯1262885102004314(6410)...-=-⨯⨯⨯⨯⨯⨯59110(C).=-⨯6.8 一块厚度为d 的无限大平板均匀带电，电荷密度为ρ，求板内外电场E的分布．解 垂直于平板表面作横截面，如题解图 6.8；图中虚线为与表面平行、距离两表面等距离（均为2d ）的平面AB ．由于带电平板无限大，电荷分布对平面AB 对称，可知电场强度E与平板表面垂直，在距离平面AB 距离相等处电场强度的大小E 相同．作对平面AB 对称的闭合高斯面S ，高斯面S 由与平面AB 平行的两个底面1S 和2S 和与平面AB正交的柱面3S 组成，两个底面1S 和2S 到平面AB 的距离均为l ．因1S 和2S 的E 通量相等，12ES ES =；3S 的E 通量为零；当2dl ≤时，根据高斯定理1110122E S lS ρε=即可求出10l E ρε=；当2d l >时，根据高斯定理 211012E S S d ρε=可求出22dE ρε=．平板带正电，E 垂直表面向外，平板带负电，E垂直表面向内．6.9 如题图6.9所示, 在半径分别为1R 、2R 的两个同心薄球面上均匀分布着电荷1Q 和2Q ．（1）求I 、II 、III区场强E的分布；（2）求I 、II 、III 区的电势分布． 题图6.9解 由于电荷分布对球心O 具有球对称性，故电场分布也对球心O 具有球对称性，可知电场线为过O 点的放射状半直线，场强E沿半径方向，在到O 点的距离r 相同处，场强大小E 相等．（1）设研究的场点到O 点的距离为r ，以O 为圆心、r 为半径的球面为高斯面，E与高斯面正交．根据高斯定理，在I 区，1rR <，有211d 40E S E r π⋅=⋅=⎰⎰所以10E =．在II 区，12R r R <<，则由21204Q E r πε⋅=可求出12204Q E rπε=．在III 区，2rR >，则由212304Q Q E r πε+⋅=可求出123204Q Q E r πε+=．（2）取参考点在无穷远，积分路径沿半径方向，沿电场线积分． 在III 区，2rR >，121233200()d d 44rr Q Q Q Q r E l r r r ϕπεπε∞∞++=⋅==⎰⎰ 在II 区，12R r R <<，22212233220()d d d ()4R R rR rQ r E l E l r R r ϕϕπε∞=⋅+⋅=+⎰⎰⎰21122002d 44R rQ Q Q r rR πεπε+=+⎰12021()4Q Q r R πε=+在I 区，1rR <，12121123()d d d R R rR R r E l E l E l ϕ∞=⋅+⋅+⋅⎰⎰⎰122101210()()4Q Q R R R ϕπε=+=+6.10 半径为R 的无限长圆柱体均匀带电，电荷密度为ρ，求场强和电势的分布（参考点选在该圆柱面上）．解 由于均匀带电圆柱体无限长，电荷分布对圆柱轴线轴对称；所以电场线在垂直于圆柱轴线的平面内，为过圆柱轴线的放射状半直线．用以圆柱轴线为轴，两底面与圆柱轴线垂直的闭合圆柱面为高斯面，如题解图 6.10．高斯面的两底面半径为r ，与E 平行，E 通量为零；圆柱侧面长度为l ，与E 正交，E通量2rlE ϕπ=．在带电圆柱体内部，rR <，由高斯定理可得2110d 2r l E S rlE πρπε⋅==⎰⎰所以102rE ρε=．在带电圆柱体外部，r R >，由高斯定理可得 题解图6.102220d 2R lE S rlE πρπε⋅==⎰⎰因此2202R E rρε=．圆柱带正电时，E 沿半径方向向外；圆柱带负电时，E沿半径方向指向轴线．参考点选在带电圆柱的圆柱面上，积分路径沿半径方向，沿电场线积分．在带电圆柱体内部，r R <，电势为22100d d ()24RR rr r E l r R r ρρϕεε=⋅==-⎰⎰在带电圆柱体内部，rR >，电势为22200d d ln 22RR rr R R RE l r r r ρρϕεε=⋅==⎰⎰6.11 如题图 6.11所示，三块平行放置的金属板A 、B 、C ，面积均为S ．B 、C 板接地，A 板带电量Q ，其厚度可忽略不计．设A 、B 板间距为l ，B 、C 板间距为d ．因d 很小，各金属板可视为无穷大平面．试求：（1）B 、C 板上的感应电荷；（2）空间的场强及电势分布． 题图6.11解 因d 很小，各金属板可视为无穷大平面，所以除边缘部分外，可认为E沿Oz 方向，z 相同处E 的大小相同，即()z E E z k =．（1）设B 、C 表面的面电荷密度为1σ、2σ、3σ、4σ如题解图6.11所示．由于B 、C 板接地，故B 、C 板电势与无穷远相同，电势均为零．若B 、C 板外表面带有电荷，必有电场线连接板外表面与无穷远，则B 、C 板电势与无穷远不同，因此可知B 、C 板外表面不带电荷，即140σσ==．作高斯面为闭合圆柱面如题解图 6.11，两底面在B 、C 板内部、与Oz 垂直，侧面与Oz 平行，由高斯定理2301d 0()Q E S Sσσε⋅==++⎰⎰ 即23QSσσ+=-（1） 根据叠加原理，Ⅰ区E为五个无穷大带电平面产生的场强的叠加，即 题解图6.1133221000000000022222222z Q S Q S E σσσσεεεεεεεε=+---=--同理，Ⅱ区电场强度322000222z Q S E σσεεε=+-因为A 、B 间的电压AB U 与A 、C 板的电压AC U 相等，12()z z E l E d l -=-3322000000()()()222222Q S Q S l d l σσσσεεεεεε---=+-- 即232Q d lS dσσ--=-（2）联立求解（1）（2）式得：2d l Q d S σ-=-，3l Qd Sσ=-．所以B 、C 板内表面分别带电22d l Q S Q d σ-=⋅=-，33lQ S Q dσ=⋅=- （2） 321000222z Q S E σσεεε=--0001()222d l l Q d d S εεε-=--+0()d l QdSε-=-111d d zzE l E l ϕ=⋅=-⋅⎰⎰0()d l Qz dSε-=322000222z Q S E σσεεε=+-0001()222d l l Q d d S εεε-=-++0lQdSε=211d d dd zz E l E l ϕ=⋅=⋅⎰⎰ 0()lQ d z dSε=-6.12 点电荷q 放在电中性导体球壳的中心，壳的内外半径分别为1R 和2R ，如题图6.12所示．求场强和电势的分布．解 由于电荷q 位于球心O ，导体球壳对球心O 具有球对称性，故感应电荷和电场的分布也对球心O 具有球对称性；可知感应电荷均匀分布在导体球壳的内外表面上；电场线为过O 点的放射状半直线，场强E沿半径方向，在到O 点的距离r 相同处，场强大小E 相等．设球壳内表面带电1Q ，外表面带电2Q ．用以O 点为球心，12R r R <<为半径的球面为高斯面，根据高斯定理101d 0()E S q Q ε⋅==+⎰⎰可知1Q q =-；由于导体球壳电中性，由120Q Q +=，所以2Q q =．根据叠加原理，场强和电势分别为点电荷q 、均匀带电1Q 和2Q 的球面的场强和电势的叠加．考虑到在电荷球对称分布情况下，在电荷分布区以外的场强和电势与总电量集中在球心的点电荷的场强和电势的表达式相同．取参考点在无穷远；2rR >时，121220044q Q Q q E r r πεπε++==，1210044q Q Q qr rϕπεπε++==21R r R ≥≥时，112004q Q E r πε+== ，12100202444q Q Q qr R R ϕπεπεπε+=+=1r R <时，1204q E rπε=12100102012111()4444Q Q q qrR R r R R ϕπεπεπεπε=++=-+ 6.13 一半径为A R 的金属球A 外罩有一个同心金属球壳B ，球壳很薄，内外半径均可看成B R ，如题图 6.13所示．已知A 带电量为A Q ，B 带电量为B Q ．试求：（1）A 的表面1S ，B 的内外表面2S 、3S 上的电量；（2）A 、B 球的电势（设无穷远电势为零）． 题图6.13解 由于金属球A 和同心金属球壳B 对球心O 具有球对称性，故电荷和电场的分布也对球心O 具有球对称性；可知电荷均匀分布在导体球壳的内外表面上；电场线为过O 点的放射状半直线，场强E沿半径方向，在到O 点的距离r 相同处，场强大小E 相等．（1）金属球A 带电A Q 分布于A 的外表面1S ；设金属球壳B 内表面带电2Q ，外表面带电3Q ，23B Q Q Q +=．用以O 点为球心、B rR =为半径、位于球壳B 金属内部的球面为高斯面，根据高斯定理A 201d 0()E S Q Q ε⋅==+⎰⎰可知2A Q Q =-；由于23B Q Q Q +=，所以3A B Q Q Q =+．（2）根据叠加原理，电势为三个均匀带电球面产生电势的叠加，即B r R ≥区域，A 23A B10044Q Q Q Q Q r rϕπεπε+++==B r R =即为B 球的电势A BB 0B4Q Q R ϕπε+=．B A R r R >≥区域，3A 2A B200B 0B 0B1()4444Q Q Q Q Q r R R r R ϕπεπεπεπε=++=+A r R =即为A 球的电势A BA 0A B1()4Q Q R R ϕπε=+． 6.14同轴传输线是由两个很长且彼此绝缘的同轴金属直圆柱构成，如题图6.14所示．设内圆柱体的半径为1R ，外圆柱体的内半径为2R ．使内圆柱带电，单位长度上的电量为η，试求内外圆柱间的电势差． 题图6.14解 由于两个同轴金属直圆柱可视为无限长、对圆柱轴线O 轴对称；所以电荷和电场的分布也对圆柱轴线O 轴对称；电场线在垂直于圆柱轴线的平面内，为过圆柱轴线的放射状半直线；场强E沿半径方向，在到轴线O 的距离r 相同处，场强大小E 相等．用以圆柱轴线为轴，两底面与圆柱轴线垂直的闭合圆柱面为高斯面．高斯面的两底面与圆柱轴线O 垂直，半径为r ，21R r R >>；两底面与E 平行，E 通量为零；圆柱侧面长度为l ，与E 正交，E通量2rlE ϕπ=．由高斯定理10d 2l E S rlE ηπε⋅==⎰⎰可得02Erηπε=．沿电场线积分，由1R 沿半径到2R ，内外圆柱间的电势差2221112001d d d ln 22R R R R R R R U E l E r r r R ηηπεπε=⋅===⎰⎰⎰。
大学物理习题集（上）专业班级 姓名_ 学号_第五章 刚体的定轴转动一．选择题1．关于刚体对轴的转动惯量，下列说法中正确的是[ C ]（A ）只取决于刚体的质量，与质量的空间分布和轴的位置无关。
（B ）取决于刚体的质量和质量的空间分布，与轴的位置无关。
（C ）取决于刚体的质量、质量的空间分布和轴的位置。
（D ）只取决于转轴的位置，与刚体的质量和质量的空间分布无关。
2. 均匀细棒 OA 可绕通过某一端 O 而与棒垂直的水平固定光滑轴转动，今使棒从水平位置由静止开始自 由下降，在棒摆到竖直位置的过程中，下述说法哪一种是正确的？[ A ]（A ）角速度从小到大，角加速度从大到小。
A（B ）角速度从小到大，角加速度从小到大。
（C ）角速度从大到小，角加速度从大到小。
（D ）角速度从大到小，角加速度从小到大。
3. 如图所示，一圆盘绕水平轴 0 做匀速转动，如果同时相向地射来两个质量相同、速度大小相同，且沿同一直线运动的子弹。
子弹射入圆盘均留在盘内，则 子弹射入后的瞬间，圆盘的角速度将 [ B ]（A ）增大； （B ）减小； （C ）不变； （D ）无法确定。
解答 以圆盘和两子弹为系统，外力矩为零，系统的角动量守恒。
按题意， 两个子弹的初始角动量（对 0 轴之和为零。
两子弹留在圆盘内，增大了圆盘的 转动惯量。
设圆盘的转动惯为 J ，转动的角速度为 ω0 ，则有J ω0 = ( J + ∆J )ωω0 > ω有速度减小，所以应选（B ）4. 一轻绳绕在具有水平转轴的定滑轮上，绳下端挂物体，物体的质量为 m ，此时滑轮的角加速度为 a 。
若将物体卸掉，而用大小等于 mg 、方向向下的力拉绳子，则滑轮的角加速度将[ A ](A)变大； （B ）不变； （C ）变小； （D ）无法判断。
解答如图 5-4（a）所示，设滑轮半径为 R，转动惯量为 J。
当绳下滑挂一质量为m 的物体时，受绳的张力F T 和重力W=mg 作用，加速度a 铅直向下。
基础物理学（下）答案1. 力学与运动学牛顿第一定律：物体在不受外力作用时，将保持静止状态或匀速直线运动状态。
牛顿第二定律：物体的加速度与作用力成正比，与物体的质量成反比，加速度的方向与作用力的方向相同。
牛顿第三定律：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反，作用在同一直线上。
2. 热力学与热传导热力学第一定律：能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第二定律：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
热传导：热量通过物体内部的微观粒子传递，传递速率与温度梯度成正比。
3. 电磁学库仑定律：两个静止点电荷之间的作用力与它们的电荷量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
法拉第电磁感应定律：当磁通量发生变化时，会在导体中产生感应电动势。
安培环路定理：通过闭合路径的磁通量与路径上的电流成正比。
4. 光学折射定律：光线从一种介质进入另一种介质时，入射角和折射角的正弦值之比等于两种介质的折射率之比。
反射定律：光线在光滑表面上的反射遵循反射角等于入射角的规律。
光的干涉与衍射：当两束或多束光线相遇时，它们会相互干涉，产生明暗相间的干涉条纹。
光线通过狭缝或障碍物时，会发生衍射现象。
5. 量子力学波粒二象性：微观粒子如电子、光子等既具有波动性又具有粒子性。
海森堡不确定性原理：我们不能同时精确地知道一个微观粒子的位置和动量。
薛定谔方程：描述微观粒子状态的量子力学基本方程。
6. 相对论狭义相对论：光速在真空中是一个常数，与观察者的运动状态无关。
时间膨胀：在接近光速运动的物体中，时间会变慢。
长度收缩：在接近光速运动的物体中，长度会变短。
基础物理学（下）答案1. 力学与运动学牛顿第一定律：物体在不受外力作用时，将保持静止状态或匀速直线运动状态。
这一原理揭示了惯性的概念，即物体保持其运动状态不变的性质。
牛顿第二定律：物体的加速度与作用力成正比，与物体的质量成反比，加速度的方向与作用力的方向相同。
精品习 题 六6-1 一轻弹簧在60N 的拉力下伸长30cm 。
现把质量为4kg 物体悬挂在该弹簧的下端，并使之静止，再把物体向下拉10cm ，然后释放并开始计时。
求：(1)物体的振动方程；(2)物体在平衡位置上方5cm 时弹簧对物体的拉力；(3)物体从第一次越过平衡位置时刻起，到它运动到上方5cm 处所需要的最短时间。
[解] (1)取平衡位置为坐标原点，竖直向下为正方向，建立坐标系rad/s 07.74200m 1.0N/m 2001030602=====⨯=-m k A k ω设振动方程为 ()φ+=t x 07.7cos0=t 时 1.0=x φcos 1.01.0= 0=φ故振动方程为 ()m 07.7cos 1.0t x =(2)设此时弹簧对物体作用力为F ，则()()x x k x k F +=∆=0其中 m 2.0200400===k mg x精品因而有 ()N 3005.02.0200=-⨯=F(3)设第一次越过平衡位置时刻为1t ，则()107.7cos 1.00t = 07.5.01π=t第一次运动到上方5cm 处时刻为2t ，则()207.7cos 1.005.0t =- ()07.7322⨯=πt故所需最短时间为：s 074.012=-=∆t t t6-2 一质点在x 轴上作谐振动，选取该质点向右运动通过点 A 时作为计时起点(t ＝0)，经过2s 后质点第一次经过点B ，再经 2s 后，质点第二经过点B ，若已知该质点在A 、B 两点具有相同的速率，且AB =10cm ，求：(1)质点的振动方程：(1)质点在A 点处的速率。
[解] 由旋转矢量图和||||b a v v =可知421=T s精品由于4/2s 8/1,s 81ππνων====-T精品(1) 以AB 的中点为坐标原点，x 轴指向右方。
t =0时, φcos 5A x =-=t =2s 时， φφωsin )2cos(5A A x -=+==由以上二式得 1tan =φ因为在A 点质点的速度大于零，所以43πφ-= cm x A 25cos /==φ所以，运动方程为：)SI ()4/34/cos(10252ππ-⨯=-t x(2)速度为： )434sin(41025d d 2πππ-⨯-==-t t x v 当t =2s 时 m/s 1093.3)434sin(41025d d 22--⨯=-⨯-==πππt t x v6-3 一质量为M 的物体在光滑水平面上作谐振动，振幅为 12cm ，在距平衡位置6cm 处，速度为24s cm ，求：(1)周期T ； (2)速度为12s cm 时的位移。
第六章 习题6.1 三个相同的点电荷放置在等边三角形的三个顶点上，在此三角形的中心应放置怎样的电荷，才能使作用在每一点电荷上的合力为零？解 设等边三角形的边长为a，则由顶点到中心的距离为；顶点处电荷为q ，中心处电荷为Q ，Q 与q 反号．考虑到等边三角形的对称性，可知Q 受其它三个电荷的合力为零，与Q 的大小无关；顶点处三个电荷q 所受合力的大小相同．上方顶点处电荷q受其它三个电荷的作用力如题解图 6.1所示，合力为零要求题解图6.102cos30F F =即22024q aπε⨯=可求出3Q q =．6.2 半径为R 的半圆形带电曲线，如题图 6.2所示，线上单位长度带有电荷η，求圆心O 点的场强． 题图6.2解 在带电曲线上取一个长度为d l 的电荷元，其电量d d q l η=．电荷元在O 点的场强为d E，如题解图 6.2．由于电荷分布对Ox 轴对称，所以全部电荷在O 点产生的总场强沿y 方向的分量之和为零，O 点的总场强E 沿Ox 方向，(d )x E E i =⎰．由于d =d lR θ，所以200d cos cos d cos d d 44x l E E R Rηθηθθθπεπε⋅=== 于是222200cos (d )(sin )44E i |i R R ππππηθηθθπεπε--==⎰02i Rηπε= 6.3 电量均为9410C -⨯的四个点电荷置于正方形的四个顶点，各顶点距正方形中心O点5cm ．试求:（1）O 点的场强和电势；（2）将点电荷90110C q -=⨯从无穷远处移到O 点，电场力作功多少？电势能的改变为多少？解 （1）根据场强迭加原理，O 点的场强12340E E E E E =+++=根据电势迭加原理，O 点的电势12340144qrϕϕϕϕϕπε=+++=⨯99291040104510.--⨯⨯⨯=⨯⨯328810().V =⨯ （2）电场力作功0(0)A q ϕ=--93101028810..-=-⨯⨯⨯628810(J).-=-⨯电势能的改变为6p 28810(J)E A .-∆=-=⨯6.4 半径为R 的半圆形带电曲线，如题图 6.2所示，线上单位长度带有电荷η，求圆心O 点的电势．解 在带电曲线上取一个长度为d l 的电荷元，其电量d d ql η=．参见题解图6.2，d =d l R θ．则O 点的电势为001d 1d 44q l r R ηϕπεπε==⎰⎰20001d 444ππηπηηθπεπεε-===⎰6.5 已知空气的击穿场强为6310V m ⨯，测得某次闪电的火花长100m ．（1）求这次发生的闪电两端的电势差；（2）设闪电时通过的电量为30C ，问这次闪电消耗多大能量？解 （1）闪电两端的电势差68310100310(V)U Ed ϕ=∆==⨯⨯=⨯（2）次闪电消耗多大能量8931030910(J)E qU ==⨯⨯=⨯6.6 如题图6.6所示，匀强电场E 与半径为R 的半球面1S 的轴线平行，试计算通过此半球面的E通量．若以半球面的边线为边，另取一个任意形状的曲面2S ，问2S 的电通量多大？请说明理由． 题图6.6解 以半球面1S 的边缘为边界作一个平面0S ，此平面为一个圆，面积为2R π．由于E与0S面垂直，所以通过0S 面的E通量2R E Φπ=．因为通过1S 面和2S 面的E 通量与通过0S 面的E 通量相等，故通过1S 面和2S 面的E通量均为2R E Φπ=．6.7 设地球表面附近的场强约为200Vm ，方向指向地心，试求地球所带总电量．解 在地球表面外、沿地球表面作一个球面，以此球面为高斯面，设地球所带总电量为Q ，地球半径66.410m R =⨯，由高斯定理20d 4SQ E S E R πε⋅=-⨯=⎰⎰所以地球所带总电量204Q E R επ=-⨯⨯1262885102004314(6410)...-=-⨯⨯⨯⨯⨯⨯59110(C).=-⨯6.8 一块厚度为d 的无限大平板均匀带电，电荷密度为ρ，求板内外电场E的分布．解 垂直于平板表面作横截面，如题解图 6.8；图中虚线为与表面平行、距离两表面等距离（均为2d ）的平面AB ．由于带电平板无限大，电荷分布对平面AB 对称，可知电场强度E与平板表面垂直，在距离平面AB 距离相等处电场强度的大小E 相同．作对平面AB 对称的闭合高斯面S ，高斯面S 由与平面AB 平行的两个底面1S 和2S 和与平面AB正交的柱面3S 组成，两个底面1S 和2S 到平面AB 的距离均为l ．因1S 和2S 的E 通量相等，12ES ES =；3S 的E 通量为零；当2dl ≤时，根据高斯定理1110122E S lS ρε=即可求出10l E ρε=；当2d l >时，根据高斯定理 211012E S S d ρε=可求出22dE ρε=．平板带正电，E 垂直表面向外，平板带负电，E垂直表面向内．6.9 如题图6.9所示, 在半径分别为1R 、2R 的两个同心薄球面上均匀分布着电荷1Q 和2Q ．（1）求I 、II 、III区场强E的分布；（2）求I 、II 、III 区的电势分布． 题图6.9解 由于电荷分布对球心O 具有球对称性，故电场分布也对球心O 具有球对称性，可知电场线为过O 点的放射状半直线，场强E沿半径方向，在到O 点的距离r 相同处，场强大小E 相等．（1）设研究的场点到O 点的距离为r ，以O 为圆心、r 为半径的球面为高斯面，E与高斯面正交．根据高斯定理，在I 区，1rR <，有211d 40E S E r π⋅=⋅=⎰⎰所以10E =．在II 区，12R r R <<，则由21204Q E r πε⋅=可求出12204Q E rπε=．在III 区，2rR >，则由212304Q Q E r πε+⋅=可求出123204Q Q E r πε+=．（2）取参考点在无穷远，积分路径沿半径方向，沿电场线积分． 在III 区，2rR >，121233200()d d 44rr Q Q Q Q r E l r r r ϕπεπε∞∞++=⋅==⎰⎰ 在II 区，12R r R <<，22212233220()d d d ()4R R rR rQ r E l E l r R r ϕϕπε∞=⋅+⋅=+⎰⎰⎰21122002d 44R rQ Q Q r rR πεπε+=+⎰12021()4Q Q r R πε=+在I 区，1rR <，12121123()d d d R R rR R r E l E l E l ϕ∞=⋅+⋅+⋅⎰⎰⎰122101210()()4Q Q R R R ϕπε=+=+6.10 半径为R 的无限长圆柱体均匀带电，电荷密度为ρ，求场强和电势的分布（参考点选在该圆柱面上）．解 由于均匀带电圆柱体无限长，电荷分布对圆柱轴线轴对称；所以电场线在垂直于圆柱轴线的平面内，为过圆柱轴线的放射状半直线．用以圆柱轴线为轴，两底面与圆柱轴线垂直的闭合圆柱面为高斯面，如题解图 6.10．高斯面的两底面半径为r ，与E 平行，E 通量为零；圆柱侧面长度为l ，与E 正交，E通量2rlE ϕπ=．在带电圆柱体内部，rR <，由高斯定理可得2110d 2r l E S rlE πρπε⋅==⎰⎰所以102rE ρε=．在带电圆柱体外部，r R >，由高斯定理可得 题解图6.102220d 2R lE S rlE πρπε⋅==⎰⎰因此2202R E rρε=．圆柱带正电时，E 沿半径方向向外；圆柱带负电时，E沿半径方向指向轴线．参考点选在带电圆柱的圆柱面上，积分路径沿半径方向，沿电场线积分．在带电圆柱体内部，r R <，电势为22100d d ()24RR rr r E l r R r ρρϕεε=⋅==-⎰⎰在带电圆柱体内部，rR >，电势为22200d d ln 22RR rr R R RE l r r r ρρϕεε=⋅==⎰⎰6.11 如题图 6.11所示，三块平行放置的金属板A 、B 、C ，面积均为S ．B 、C 板接地，A 板带电量Q ，其厚度可忽略不计．设A 、B 板间距为l ，B 、C 板间距为d ．因d 很小，各金属板可视为无穷大平面．试求：（1）B 、C 板上的感应电荷；（2）空间的场强及电势分布． 题图6.11解 因d 很小，各金属板可视为无穷大平面，所以除边缘部分外，可认为E沿Oz 方向，z 相同处E 的大小相同，即()z E E z k =．（1）设B 、C 表面的面电荷密度为1σ、2σ、3σ、4σ如题解图6.11所示．由于B 、C 板接地，故B 、C 板电势与无穷远相同，电势均为零．若B 、C 板外表面带有电荷，必有电场线连接板外表面与无穷远，则B 、C 板电势与无穷远不同，因此可知B 、C 板外表面不带电荷，即140σσ==．作高斯面为闭合圆柱面如题解图 6.11，两底面在B 、C 板内部、与Oz 垂直，侧面与Oz 平行，由高斯定理2301d 0()Q E S Sσσε⋅==++⎰⎰ 即23QSσσ+=-（1） 根据叠加原理，Ⅰ区E为五个无穷大带电平面产生的场强的叠加，即 题解图6.1133221000000000022222222z Q S Q S E σσσσεεεεεεεε=+---=--同理，Ⅱ区电场强度322000222z Q S E σσεεε=+-因为A 、B 间的电压AB U 与A 、C 板的电压AC U 相等，12()z z E l E d l -=-3322000000()()()222222Q S Q S l d l σσσσεεεεεε---=+-- 即232Q d lS dσσ--=-（2）联立求解（1）（2）式得：2d l Q d S σ-=-，3l Qd Sσ=-．所以B 、C 板内表面分别带电22d l Q S Q d σ-=⋅=-，33lQ S Q dσ=⋅=- （2） 321000222z Q S E σσεεε=--0001()222d l l Q d d S εεε-=--+0()d l QdSε-=-111d d zzE l E l ϕ=⋅=-⋅⎰⎰0()d l Qz dSε-=322000222z Q S E σσεεε=+-0001()222d l l Q d d S εεε-=-++0lQdSε=211d d dd zz E l E l ϕ=⋅=⋅⎰⎰ 0()lQ d z dSε=-6.12 点电荷q 放在电中性导体球壳的中心，壳的内外半径分别为1R 和2R ，如题图6.12所示．求场强和电势的分布．解 由于电荷q 位于球心O ，导体球壳对球心O 具有球对称性，故感应电荷和电场的分布也对球心O 具有球对称性；可知感应电荷均匀分布在导体球壳的内外表面上；电场线为过O 点的放射状半直线，场强E沿半径方向，在到O 点的距离r 相同处，场强大小E 相等．设球壳内表面带电1Q ，外表面带电2Q ．用以O 点为球心，12R r R <<为半径的球面为高斯面，根据高斯定理101d 0()E S q Q ε⋅==+⎰⎰可知1Q q =-；由于导体球壳电中性，由120Q Q +=，所以2Q q =．根据叠加原理，场强和电势分别为点电荷q 、均匀带电1Q 和2Q 的球面的场强和电势的叠加．考虑到在电荷球对称分布情况下，在电荷分布区以外的场强和电势与总电量集中在球心的点电荷的场强和电势的表达式相同．取参考点在无穷远；2rR >时，121220044q Q Q q E r r πεπε++==，1210044q Q Q qr rϕπεπε++==21R r R ≥≥时，112004q Q E r πε+== ，12100202444q Q Q qr R R ϕπεπεπε+=+=1r R <时，1204q E rπε=12100102012111()4444Q Q q qrR R r R R ϕπεπεπεπε=++=-+ 6.13 一半径为A R 的金属球A 外罩有一个同心金属球壳B ，球壳很薄，内外半径均可看成B R ，如题图 6.13所示．已知A 带电量为A Q ，B 带电量为B Q ．试求：（1）A 的表面1S ，B 的内外表面2S 、3S 上的电量；（2）A 、B 球的电势（设无穷远电势为零）． 题图6.13解 由于金属球A 和同心金属球壳B 对球心O 具有球对称性，故电荷和电场的分布也对球心O 具有球对称性；可知电荷均匀分布在导体球壳的内外表面上；电场线为过O 点的放射状半直线，场强E沿半径方向，在到O 点的距离r 相同处，场强大小E 相等．（1）金属球A 带电A Q 分布于A 的外表面1S ；设金属球壳B 内表面带电2Q ，外表面带电3Q ，23B Q Q Q +=．用以O 点为球心、B rR =为半径、位于球壳B 金属内部的球面为高斯面，根据高斯定理A 201d 0()E S Q Q ε⋅==+⎰⎰可知2A Q Q =-；由于23B Q Q Q +=，所以3A B Q Q Q =+．（2）根据叠加原理，电势为三个均匀带电球面产生电势的叠加，即B r R ≥区域，A 23A B10044Q Q Q Q Q r rϕπεπε+++==B r R =即为B 球的电势A BB 0B4Q Q R ϕπε+=．B A R r R >≥区域，3A 2A B200B 0B 0B1()4444Q Q Q Q Q r R R r R ϕπεπεπεπε=++=+A r R =即为A 球的电势A BA 0A B1()4Q Q R R ϕπε=+． 6.14同轴传输线是由两个很长且彼此绝缘的同轴金属直圆柱构成，如题图6.14所示．设内圆柱体的半径为1R ，外圆柱体的内半径为2R ．使内圆柱带电，单位长度上的电量为η，试求内外圆柱间的电势差． 题图6.14解 由于两个同轴金属直圆柱可视为无限长、对圆柱轴线O 轴对称；所以电荷和电场的分布也对圆柱轴线O 轴对称；电场线在垂直于圆柱轴线的平面内，为过圆柱轴线的放射状半直线；场强E沿半径方向，在到轴线O 的距离r 相同处，场强大小E 相等．用以圆柱轴线为轴，两底面与圆柱轴线垂直的闭合圆柱面为高斯面．高斯面的两底面与圆柱轴线O 垂直，半径为r ，21R r R >>；两底面与E 平行，E 通量为零；圆柱侧面长度为l ，与E 正交，E通量2rlE ϕπ=．由高斯定理10d 2l E S rlE ηπε⋅==⎰⎰可得02Erηπε=．沿电场线积分，由1R 沿半径到2R ，内外圆柱间的电势差2221112001d d d ln 22R R R R R R R U E l E r r r R ηηπεπε=⋅===⎰⎰⎰。
