大物(2)期末复习

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1 练习一 静电场中的导体

三、计算题

1. 已知某静电场在xy平面内的电势函数为U=Cx/(x2+y2)3/2,其中C为常数.求(1)x轴上任意一点,(2)y轴上任意一点电场强度的大小和方向.

解:. Ex=U/x

=C[1/(x2+y2)3/2+x(3/2)2x/(x2+y2)5/2]

= (2x2y2)C /(x2+y2)5/2

Ey=U/y

=Cx(3/2)2y/(x2+y2)5/2=3Cxy/(x2+y2)5/2

x轴上点(y=0) Ex=2Cx2/x5=2C/x3 Ey=0

E=2Ci/x3

y轴上点(x=0) Ex=Cy2/y5=C/y3 Ey=0

E=Ci/y3

2.如图5.6,一导体球壳A(内外半径分别为R2,R3),同心地罩在一接地导体球B(半径为R1)上,今给A球带负电Q, 求B球所带电荷QB及的A球的电势UA.

静电场中的导体答案

解: 2. B球接地,有 UB=U=0, UA=UBA

UA=(Q+QB)/(40R3)

UBA=[QB/(40)](1/R21/R1)

得 QB=QR1R2/( R1R2+ R2R3 R1R3)

UA=[Q/(40R3)][1+R1R2/(R1R2+R2R3R1R3)]

=Q(R2R1)/[40(R1R2+R2R3R1R3)]

练习二 静电场中的电介质

三、计算题

1. 如图6.6所示,面积均为S=0.1m2的两金属平板A,B平行对称放置,间距为d=1mm,今给A, B两板分别带电 Q1=3.54×10-9C, Q2=1.77×10-9C.忽略边缘效应,

求:(1) 两板共四个表面的面电荷密度 1, 2, 3, 4;

(2) 两板间的电势差V=UA-UB.

解:1. 在A板体内取一点A, B板体内取一点B,它们的电场强度是四Q

图5.6

A B

Q1

图6.6 Q2

1 2 3 4 2 个表面的电荷产生的,应为零,有

EA=1/(20)2/(20)3/(20)4/(20)=0

EA=1/(20)+2/(20)+3/(20)4/(20)=0

而 S(1+2)=Q1 S(3+4)=Q2

有 1234=0

1+2+34=0

1+2=Q1/S

3+4=Q2/S

解得 1=4=(Q1+Q2)/(2S)=2.66108C/m2

2=3=(Q1Q2)/(2S)=0.89108C/m2

两板间的场强 E=2/0=(Q1Q2)/(20S)

V=UA-UBBAlEd

=Ed=(Q1Q2)d/(20S)=1000V

四、证明题

1. 如图6.7所示,置于静电场中的一个导体,在静电平衡后,导体表面出现正、负感应电荷.试用静电场的环路定理证明,图中从导体上的正感应电荷出发,终止于同一导体上的负感应电荷的电场线不能存在.

解:1. 设在同一导体上有从正感应电荷出发,终止于负感应电荷的电场线.沿电场线ACB作环路ACBA,导体内直线BA的场强为零,ACB的电场与环路同向于是有

lEdlACBlEdABlEd2=ACBlEd0

与静电场的环路定理lEdl0相违背,故在

同一导体上不存在从正感应电荷出发,终止于负感应电荷的电场线.

练习三 电容 静电场的能量

三、计算题

1. 半径为R1的导体球带电Q ,球外一层半径为R2相对电容率为r的同心均匀介质球壳,其余全部空间为空气.如图7.1所示.求:(1)离球心距离为r1(r1R2)处的D和E;(2)离球心r1, r2, r3,处的U;(3)介质球壳内外表面的极化电荷.

解:1. (1)因此电荷与介质均为球对称,电场也球对称,过场点作与 

 

   

 导体

图6.7

图 7.1 R2 

       B

A C 3 金属球同心的球形高斯面,有

iSq0dSD

4r2D=q0i

当r=5cm

当r=15cm(R1

得 D2=Q/(4r2)=3.54×108C/m2

E2=Q/(40rr2)=7.99×103N/C

当r=25cm(r>R1+d ) q0i=Q=1.0×108C

得 D3=Q/(4r2)=1.27×108C/m2

E3=Q/(40r2)=1.44×104N/C

D和E的方向沿径向.

(2) 当r=5cm

RrrEd1dRRrEd2dRrEd3

=Q/(40rR)Q/[40r(R+d)]+Q/[40(R+d)]

=540V

当r=15cm

U2=rlEddRrrEd2dRrEd3

=Q/(40rr)Q/[40r(R+d)]+Q/[40(R+d)]

=480V

当r=25cm

U3=rlEdrrEd3=Q/(40r)=360V

(3)在介质的内外表面存在极化电荷,

Pe=0E=0(r1)E = Pe·n

r=R处, 介质表面法线指向球心

=Pe·n =Pecos=0(r1)E

q=S=0(r1) [Q/(40rR2)]4R2

=(r1)Q/r=0.8×108C

r=R+d处, 介质表面法线向外

=Pe·n =Pecos0=0(r1)E

q=S=0(r1)[Q/(40r(R+d)2]4(R+d)2

=(r1)Q/r=0.8×108C

2.两个相距很远可看作孤立的导体球,半径均为10cm,分别充电至200V和400V,然后用一根细导线连接两球,使之达到等电势. 计算变为等势体的过程中,静电力所作的功.

解;2.球形电容器 C=40R

Q1=C1V1= 40RV1 Q2=C2V2= 40RV2

W0=C1V12/2+C2V22/2=20R (V12+V22)

两导体相连后 C=C1+C2=80R 4 Q=Q1+Q2= C1V1+C2V2=40R(V1+V2)

W=Q2/(2C)= [40R(V1+V2)]2/(160R)=0R(V1+V2)2

静电力作功 A=W0W

=20R (V12+V22)0R(V1+V2)2=0R(V1V2)2

=1.11×107J

练习六 磁感应强度 毕奥—萨伐尔定律

三、计算题

1. 如图10.7所示, 一宽为2a的无限长导体薄片, 沿长度方向的电流I在导体薄片上均匀分布. 求中心轴线OO 上方距导体薄片为a的磁感强度.

解:1.取宽为dx的无限长电流元

dI=Idx/(2a)

dB=0dI/(2r)

=0Idx/(4ar)

dBx=dBcos=[0Idx/(4ar)](a/r)

=0Idx/(4r2)= 0Idx/[4(x2+a2)]

dBy=dBsin= 0Ixdx/[4a(x2+a2)]

aaxxaxxIBB2204dd

=[0I/(4)](1/a)arctan(x/a)aa=0I/(8a)

aayyaxaxIxBB2204dd

=[0I/(8a)]ln(x2+a2)aa=0

2. 如图10.8所示,半径为R的木球上绕有密集的细导线,线圈平面彼此平行,且以单层线圈覆盖住半个球面. 设线圈的总匝数为N,通过线圈的电流为I. 求球心O的磁感强度.

解:2. 取宽为dL细圆环电流, dI=IdN=I[N/(R/2)]Rd

=(2IN/)d

dB=0dIr2/[2(r2+x2)3/2]

r=Rsin x=Rcos

dB=0NIsin2 d /(R)

220dsindRNIBB O • R

图10.8

I x

x y

x dB

x

dI

x 

x

x P

x r x 

ddI O O

I x y

z P

2a

图10.7 5 =0NI/(4R)

练习七 毕奥—萨伐尔定律(续) 磁场的高斯定理

三、计算题

1.在无限长直载流导线的右侧有面积为S1和S2的两个矩形回路,

回路旋转方向如图11.6所示, 两个回路与长直载流导线在同一平面内,

且矩形回路的一边与长直载流导线平行. 求通过两矩形回路的磁通量及通过S1回路的磁通量与通过S2回路的磁通量之比.

解: 1.取窄条面元dS=bdr,

面元上磁场的大小为

B=0I/(2r), 面元法线与磁场方向相反.有

1=aabIbdrrI2002ln2cos2

2=aabIbdrrI42002ln2cos2

1/2=1

2. 半径为R的薄圆盘均匀带电,总电量为Q . 令此盘绕通过盘心且垂直盘面的轴线作匀速转动,角速度为,求轴线上距盘心x处的磁感强度的大小和旋转圆盘的磁矩.

解;2. 在圆盘上取细圆环电荷元dQ=2rdr,

[=Q/(R2) ],等效电流元为

dI=dQ/T=2rdr/(2/)=rdr

(1)求磁场, 电流元在中心轴线上激发磁场的方向沿轴线,且与同向,大小为

dB=0dIr2/[2(x2+r2)3/2]=0r3dr/[2(x2+r2)3/2]

RRxrxrrxrrrB02322222002/32230d42d=Rxrxrxr0232222220d4

Rxrxrx023222220d4

=RRxrxxr022202202

=xxRxRRQ222222220

(2)求磁距. 电流元的磁矩

dPm=dIS=rdrr2=r2dr 图11.6 2a a a S2 S1 b