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]
= (2x2y2)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)/(40R3)
UBA=[QB/(40)](1/R21/R1)
得 QB=QR1R2/( R1R2+ R2R3 R1R3)
UA=[Q/(40R3)][1+R1R2/(R1R2+R2R3R1R3)]
=Q(R2R1)/[40(R1R2+R2R3R1R3)]
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/(20)2/(20)3/(20)4/(20)=0
EA=1/(20)+2/(20)+3/(20)4/(20)=0
而 S(1+2)=Q1 S(3+4)=Q2
有 1234=0
1+2+34=0
1+2=Q1/S
3+4=Q2/S
解得 1=4=(Q1+Q2)/(2S)=2.66108C/m2
2=3=(Q1Q2)/(2S)=0.89108C/m2
两板间的场强 E=2/0=(Q1Q2)/(20S)
V=UA-UBBAlEd
=Ed=(Q1Q2)d/(20S)=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
lEdlACBlEdABlEd2=ACBlEd0
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
iSq0dSD
4r2D=q0i
当r=5cm
当r=15cm(R1
得 D2=Q/(4r2)=3.54×108C/m2
E2=Q/(40rr2)=7.99×103N/C
当r=25cm(r>R1+d ) q0i=Q=1.0×108C
得 D3=Q/(4r2)=1.27×108C/m2
E3=Q/(40r2)=1.44×104N/C
D和E的方向沿径向.
(2) 当r=5cm
RrrEd1dRRrEd2dRrEd3
=Q/(40rR)Q/[40r(R+d)]+Q/[40(R+d)]
=540V
当r=15cm
U2=rlEddRrrEd2dRrEd3
=Q/(40rr)Q/[40r(R+d)]+Q/[40(R+d)]
=480V
当r=25cm
U3=rlEdrrEd3=Q/(40r)=360V
(3)在介质的内外表面存在极化电荷,
Pe=0E=0(r1)E = Pe·n
r=R处, 介质表面法线指向球心
=Pe·n =Pecos=0(r1)E
q=S=0(r1) [Q/(40rR2)]4R2
=(r1)Q/r=0.8×108C
r=R+d处, 介质表面法线向外
=Pe·n =Pecos0=0(r1)E
q=S=0(r1)[Q/(40r(R+d)2]4(R+d)2
=(r1)Q/r=0.8×108C
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=40R
Q1=C1V1= 40RV1 Q2=C2V2= 40RV2
W0=C1V12/2+C2V22/2=20R (V12+V22)
两导体相连后 C=C1+C2=80R 4 Q=Q1+Q2= C1V1+C2V2=40R(V1+V2)
W=Q2/(2C)= [40R(V1+V2)]2/(160R)=0R(V1+V2)2
静电力作功 A=W0W
=20R (V12+V22)0R(V1+V2)2=0R(V1V2)2
=1.11×107J
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/(2r)
=0Idx/(4ar)
dBx=dBcos=[0Idx/(4ar)](a/r)
=0Idx/(4r2)= 0Idx/[4(x2+a2)]
dBy=dBsin= 0Ixdx/[4a(x2+a2)]
aaxxaxxIBB2204dd
=[0I/(4)](1/a)arctan(x/a)aa=0I/(8a)
aayyaxaxIxBB2204dd
=[0I/(8a)]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/(2r), 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=2rdr,
[=Q/(R2) ],等效电流元为
dI=dQ/T=2rdr/(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]=0r3dr/[2(x2+r2)3/2]
RRxrxrrxrrrB02322222002/32230d42d=Rxrxrxr0232222220d4
Rxrxrx023222220d4
=RRxrxxr022202202
=xxRxRRQ222222220
(2)求磁距. 电流元的磁矩
dPm=dIS=rdrr2=r2dr 图11.6 2a a a S2 S1 b