医用物理学陈仲本第五章课后习题答案.pdf
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1、第五章第五章 静电场静电场通过复习后,应该通过复习后,应该: :1.1.掌握电场强度、场强叠加原理、电势和电势差、场强与电势的关系、电势叠加原理、掌握电场强度、场强叠加原理、电势和电势差、场强与电势的关系、电势叠加原理、电偶极子的电势电偶极子的电势; ;2.2.理解电场线和电通量、高斯定理及其应用、有导体存在时静电场的计算、电介质极理解电场线和电通量、高斯定理及其应用、有导体存在时静电场的计算、电介质极化、能斯特方程、电容器、静电场的能量化、能斯特方程、电容器、静电场的能量; ;3.3.了解电偶层的电势、细胞膜静息电位、心电图和心向量图的电学原理。了解电偶层的电势、细胞膜静息电位、心电图和心向
2、量图的电学原理。5-15-1 点电荷 q 和 4q 相距 l,试问在什么地方放置什么样的电荷, 可使这三个电荷达到受力平衡?解:解:已知两个同号点电荷q 与 4q 相距 l,在它们之间的连线上某处放置一个异号电荷,当它们满足一定的条件时,即可达到力的平衡。设这个异号电荷的电量为mq,与q 相距 x,q q如本题附图所示。根据库仑定律F k122,分析力的平衡条件,电荷 mq 分别与 q、4q 的r引力相等,即xlxmq24mq2(a)k2 kx(l x)2qmq4q电荷 q 受 4q 的斥力和 mq 的引力相等,即习题 5-1 附图4q2mq2k2 k2(b)lx解(a)式得 x=l /3,将
3、其代入(b)式可得 m=4/9。从上面的计算结果可知,在 q 与 4q 之间,与电荷 q 相距 l/3 处,放置一个 4/9q 的异号电荷,可使三个电荷达到受力平衡。5-25-2 两个点电荷分别带有+10C 和+40C 的电量,相距 40cm,求场强为零的点的位置及该点处的电势。解解: : 求场强为零的位置: 只有在两电荷的连线中的某点 P,才能使该处场强为零,即q1、q2在该点的场强 E1、E2大小相等,方向相反,已知q1 =10C,q2 =40C,则根据点电荷r1r2场强公式E kq2,有kq1 kq222rr1r2由上式可得r1r2q11011习题 5-2 附图q2402qE2PE1q2
4、又因 r1 + r2 =40cm,由此可得 r1 =40/3cm=40/310-2 m; r2 =80/3cm=80/310-2 m求电势: 设 q1、 q2在 P 点产生的电势分别为 U1、 U2, P 点电势 U 为 U1、 U2之和,即U U1U2 kq1kq29.0109(10401023r1r240801023)V 2.031012V5-35-3 两等值异号点电荷相距2.0m,q1=8.010-6C,q2=-8.010-6C。求在两点电荷连线上电势为零的点的位置及该点处的场强。解解: : 求电势为零的位置:设 q1、q2连线上 P 点处电势为零,该点电势为q1、q2分别产r1E1q1
5、Pr2E2q2生的电势 U1、U2之代数和,由点电荷电场的电势qU k得UPU1U2 kq1 kq20rr1r2习题 5-3 附图从上式可得r1 q11r2q2又 r1 + r2 =2.0m,则 r1 = r2 =1.0m,即电势为零的位置处于两点电荷连线的中点。求场强:设 q1、q2在 P 处产生的场强分别为E1、E2,它们的方向一致,故P 点的场强为 E1和 E2的大小之和,方向由P 指向 q2q2q18.01068.01069E E1 E2 k2k2 9.010 ()N C11.01.0r1r21.44105N C15-45-4 在一个边长为a的正三角形的三个顶点放有量值相等的电荷Q,
6、在以下两种情况下,求三角形重心处的场强和电势:三个顶点都带正电荷;两个顶点带正电荷,一个顶点带负电荷。YQYQrE1rQE2E3raE1XQrE2E3ar30r30XQ习题 5-4附图(a)习题 5-4附图(b)解解: : 根据场强的叠加原理,可分别求出三个点电荷在重心的场强,再求出它们的矢量和。电势为标量,只需求出它们的代数和。当三个都为正电荷时,按附图(a)取坐标,坐标原点O 为三角形的重心,已知等边三角形的边长为 a,则其重心到三个顶点的距离r 可由三角函数求出r a13a2 cos3003由点电荷场强公式E Q可得,三个点电荷在重心O 的场强相等,即40r2E1 E2 E3Q40r23
7、Q(a)240a方向如附图所示。设重心处的场强 E 在 Y 方向和 X 方向的分量分别为 Ey和 Ex,则由附图(a)可得Ey =E2cos60+ E3 cos60E1 = E2 + E3E1 =0Ex=E2 sin60E3 sin60=0(因为 E2 =E3)故重心处的合场强 E=0。由点电荷的电势公式U 3可得Q和r a340rU1U2U3根据电势叠加原理,重心处的电势U 为3Q40aU U1U2U33 3Q40a当两个顶点带正电荷,一个顶点带负电荷时,按本题附图(b)取坐标。参考前面的(a)式,由点电荷电场强度公式可得E1 E2 E33Q240a方向如附图(b)所示。设重心处的场强E 在
8、 Y 方向和 X 方向的分量分别为 Ey和 Ex,则由附图(b)可得Ey = E1+ E2cos60+ E3cos60= E1+ E2 + E3=2 E1=Ex=E2 sin60E3 sin60=0(因为 E2=E3)故重心处的场强 E 的大小为3Q220aE Ey3Q20a2其方向垂直向上。由点电荷电势公式可得三个点电荷在重心的电势分别为U Q3Q3Q,U2U3 40r40a40a根据电势叠加原理,重心处的电势为U U1U2U33Q40a5-55-5 均匀带电直线长 2a,其线电荷密度为 ,求在带电直线垂直平分线上, 且与带电直线相距为 a 的点的场强和电势。解解: : 求场强:以带电直线为
9、坐标轴,取直线中点为原点 O,在直线上距 O 点 x 处取一线元 dx,如本题附图所示,其电量dq=dx,此电荷元在所求点P 处产生的场强为dE kdqdx k(a)222r(a x )其方向沿 dq 与 P 点连线(图中为 0 时的情况,若 0,则反向) ,与 X 轴线夹角为 。dEdE由于对称性,各电荷元的场强沿X 轴的分量 dE互相抵消,而垂直于 X 轴的分量 dE互相增强,因此PdEE dEdEsin(b)L LL Lraaaa由附图可知,sin2, 将 (a) 式和 sinr(a x2)1/ 2dxOaX的表达式代入(b)式得 E 的大小为习题 5-5 附图E kadx2 ka(a2
10、 x2)3/2aa其方向垂直向上。求电势:由点电荷电势公式可得,dq 在 P 点产生的电势 dU 为dU k将上式积分可得 P 点电势dqdx k22 1/2r(a x )U dU kdx kln(32 2)a(a2 x2)1/2a5-65-6 均匀带电圆环,其半径为 5cm,总电量为 5.010-9 C,计算轴线上离环心 5cm 处的场强和电势。解:解:本题先求电势,然后利用场强和电势的关系计算场dlr强。RP求电势:参考本题附图,设圆环总量为q,半径为 R,OxdU UX由于电荷是均匀分布, 故其线电荷密度 =q/2 R。 在圆环上取一线元 dl,其电量为qdl(a)习题 5-6 附图dq
11、 dl 2R设 P 点离环心 O 的距离为 x,则由附图知,r dU 为R2 x2,电荷元 dq 在 P 点产生的电势dU kdqqdl k(b)22 1/2r2R(R x )将上式积分,可得 P 点的电势为qU dU k2R(R2 x2)1/22R0dl kq(c)(R2 x2)1/2已知 R=5cm=0.05m,q=5.010-9 C,x=5cm=0.05m,代入上式得U 9.01095.0109(0.0520.05 )122V 6.36102V求场强:根据场强与电势的关系E=dU/dn,对(c)式求关于 x 的导数,则场强E 的大小为9dUqx95.010 0.05E k29.010V
12、m1 6.36103V m123/23dx(R x )(0.0520.052)2方向沿 X 轴正方向。dE互相抵消,而垂直于X 轴的分量 dE互相增强,因此5-75-7均匀带电的半圆弧,半径为R,带有正电荷 q,求圆心处的场强和电势。解解: : 求场强:在环上取一线元 dl,带电量 dq=q Rdl,电荷元在圆心产生的场强大小为dE kdqq kdlr2R3方向如附图所示,与 OX 轴夹角为 ,dl=Rd。由于对称性,dE互相抵消,dE相互增强,于是有E dEdEsinL LL L将 dE 的表达式及 dl=Rd 代入,经整理后得场强E 的大小为dlLOdEdERdEXqE k3R0Rsind
13、 2kqR2其方向垂直向下。求电势: 电荷元 dq 在圆心产生的电势 dU 为dqqdU k k2dl习题 5-7 附图rR将上式积分即得圆心处的电势qU dU k2RR0dl kqR5-85-8长度为 L 的直线段上均匀分布有正电荷,电荷线密度为,求该直线的延长线上,且与线段较近一端的距离为d 处的场强和电势。解解: : 求场强:在直线段 l 处取一线元 dl,其带电量为 dq=dl,它在 P 处产生的场强方向沿直线的延长线,大小为dE kdqdl k22r(Ld l)lrPOdlLdX将上式积分,即得 P 点场强的大小为习题 5-8 附图E dE kL0dl11kL k() dLdd(Ld
14、)(Ld l)2方向沿 X 轴正方向。求电势:由点电荷电势公式可知,电荷dq 在 P 点产生的电势 dU 为dU kdq kdlr(Ld l)将上式积分,即得 P 点的电势 U 为U dU kL0dlLd kln()(Ld l)d5-95-9两个无限长同轴柱面,内圆柱面半径为R1,每单位长度带的电荷为+,外圆柱半径为 R2,每单位长度带的电荷为-,求两圆柱面之间的空间中各处的场强。解解: : 电荷均匀地分布在两无限长同轴圆柱面上, 电场的分布具有对称性, 即距轴心等距的各点大小相等,方向沿半径方向(轴向分布)欲求两圆柱面之间的空间中任意点 (设距轴心为 r)的场强 E,选取半径为 r,单位长度
15、的同轴圆柱面 S1与两底面 S2、S3构成的闭合柱形高斯面 S。其中 S2、S3处场强方向与法线垂直,cos90=0,通过 S2、S3的电通量为零,所以通过 S 面的总电通量即为通过 S1的电通量eEcosds EcosdsEcosdsEcosdss ss s1s s2s s3R2rR1S2 ES1 E2r由题意可知,在单位长度高斯圆柱面内的电量为+,故由高斯定理eEcosds s sS110qi ii i得E2 r =/0解出 E 即得S3E 1(R1 r R2)作一球形高斯面 S1(外虚线) ,该高斯面上各处场强为零.通过 S1面的电通量SeEcosds 0s s1S12由高斯定理可知,两
16、球面带异号电荷,且q1=q2,即:14R12 =24R22,由此可解出内球面上的电荷密度1为OR1RR2rR1 (2)22R1习题 5-12 附图从球心 O 以半径 R 作一球形高斯面 S2(见附图,内虚线) ,由于电荷均匀分布,球面带电体具有球对称性,电场的分布也应有对称性,在高斯面S2上各处的场强大小相等,方向均沿半径方向,即=0(此为内球面带正电情况,若带负电,=180,请读者自行讨论) 。设S2上场强大小为 E,根据高斯定理有E4R2 =q1/022q1q224R22R2E 04R204R204R20R2因球面内没有电荷,由高斯定理可知,E=0。5-135-13电场强度 E 与电势 U
17、 之间有何关系?电场中,若某点场强为 0,该点电势是否一定为 0?反之,某点电势为0。该点的场强是否一定为0? 若空间中各点电势为一常数,场强一定为 0 吗? 为什么?答答: : 电场强度 E 与电势 U 是从不同角度来描述电场性质的两个重要物理量, 电场强度 E描述了电场力的特性,而电势U 则描述了电场能的特性,它们之间的积分关系为UaEcosdl,微分关系E adU。从它们的关系式可以看出,某点场强为0,该点dn电势不一定为 0,例如,半径为R 的带电球壳,内部的场强为0,而电势等于kQ/R。某点的电势为 0, 但该处的 dU 不一定为 0, 因此该点的场强不一定为0, 例如电偶极子的中垂
18、面上,各点的电势等于 0,但场强不等于 0。若空间各点电势为一常数,dU=0,则场强一定为 0。5-145-14电量为 q=+1.010-8 C 的点电荷,从电场中的a 点移到 b 点,电场力作的功为 310-6 J,求: a、b 两点的电势差是多少? 两点中哪一点的电势较高?解解: : 已知 q=+1.010-8 C,Wab =310-6 J,由电势差公式 UaUb =Wab /q 可得UaUb =Wab /q=310-6 /1.010-8 V=3102 V因为正电荷从 a 移到 b 是电场力作功,所以UaUb。5-155-15什么是电偶极子? 电偶极子电场中某一点的电势与哪些因素有关 ?
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