2022年医用物理学陈仲本第五章课后习题答案 .pdf
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1、学而不思则惘,思而不学则殆第五章静电场通过复习后,应该: 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、电偶极子的电势; 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、电介质极化、能斯特方程、电容器、静电场的能量; 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。5-1 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: 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
2、,与 q 相距 x,如本题附图所示。根据库仑定律221rqqkF,分析力的平衡条件,电荷mq 分别与 q、4q 的引力相等,即22224mx)(lmqkxqk(a) 电荷 q 受 4q 的斥力和mq 的引力相等,即习题 5-1 附图22224xmqklqk(b) 解( a)式得 x=l /3,将其代入( 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。5-2 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: 求场强为零的位置: 只有在两电荷的
3、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,则根据点电荷场强公式2rqkE,有222211rqkrqk由上式可得2140102121qqrr习题 5-2 附图又因 r1 + r2 =40cm,由此可得r1 =40/3cm=40/3 10-2 m; r2 =80/3cm=80/3 10-2 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V.V)(.rqkrqkUUU12229221121100321038040103401010095-3 两等值异号点电荷
4、相距2.0m,q1 =8.010-6C, q2=-8.0 10-6C。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: 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x lxq4qmqr1 r2q1P E2 E1 q2精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 14 页学而不思则惘,思而不学则殆生的电势U1、U2之代数和,由点电荷电场的电势rqkU得0221121rqkrqkUUUP习题 5-3 附图从上式可得12121qqrr又 r1 + r2 =2.0m,则 r1 = r2 =1.0
5、m,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 q215166922221121104410110080110081009CN.CN).(.rqkrqkEEE5-4 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, 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。习题 5-4 附图( a)习题 5-4 附图( b)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
6、,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acosar3330120由点电荷场强公式204rQE可得,三个点电荷在重心O 的场强相等,即2020321434aQrQEEE(a)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 =E2 cos60+ E3 cos60 E1 = ? E2 + ? E3E1 =0 Ex=E2 sin60 E3 sin60=0 (因为 E2 =E3)故重心处的合场强E=0。q2r1 r2q1P
7、 E2 E1 Y X E1E2E3r r r QQ30a Y X E1E2E3r r r QQ30a Q精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 14 页学而不思则惘,思而不学则殆由点电荷的电势公式rQU04和ar33可得aQUUU032143根据电势叠加原理,重心处的电势U 为aQUUUU0321433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2032143aQEEE方向如附图( b)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
8、图( b)可得Ey = E1 + E2cos60+ E3 cos60= E1+ ? E2 + ? E3=2 E1=2023aQEx=E2 sin60 E3 sin60=0 (因为 E2 =E3)故重心处的场强E 的大小为2023aQEEy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aQrQU00434,aQUU03243根据电势叠加原理,重心处的电势为aQUUUU0321435-5 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: 求场强:以带电直线为坐标轴,取直线中点为原点O,在直线上距O 点 x 处取一线元 dx,
9、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)(222xadxkrdqkdE(a)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 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 14 页学而不思则惘,思而不学则殆由于对称性,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LLsindEdEE(b)由附图可知,2122/)x(aarasin,将(a)式和 sin的表达式代入(b)式得 E 的大小为习题 5-5 附图akxadxakEaa2)(
10、2/322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2/122)(xadxkrdqkdU将上式积分可得P点电势)223ln()(2/122kxadxkdUUaa5-6 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: 本题先求电势,然后利用场强和电势的关系计算场强。求电势:参考本题附图,设圆环总量为q,半径为R,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Rdlqdldq2(a)习题 5-6 附图设 P 点离环心O 的距离为x,则由附图知,22xRr,电荷元dq
11、 在 P 点产生的电势dU 为2/122)(2xRRqdlkrdqkdU(b)将上式积分,可得P 点的电势为2/122202/122)()(2xRkqdlxRRqkdUUR(c)已知 R=5cm=0.05m,q=5.010-9 C,x=5cm=0.05m ,代入上式得VVU22122991036.6)05.005.0(100 .5100. 9X r a P O a a dx dEdE dEdldUX xrP O R 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 14 页学而不思则惘,思而不学则殆求场强 :根据场强与电势的关系E= dU
12、/dn,对( c)式求关于x 的导数,则场强E 的大小为1312322992/3221036.6)05.005.0(05. 0100.5100 .9)(mVmVxRqxkdxdUE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5-7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: 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dlRqkrdqkdE32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LLsindEdEE将 dE 的表达式及dl=Rd代入,经整理后得
13、场强E 的大小为2032sinRqkdRRqkE其方向垂直向下。求电势 : 电荷元 dq 在圆心产生的电势dU 为dlRqkrdqkdU2习题 5-7 附图将上式积分即得圆心处的电势RqkdlRqkdUUR025-8 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: 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22)(ldLdlkrdqkdE将上式积分,即得P 点场强的大小为习题 5-8 附图)()11()(02dLdLkdLdkldLdlkdEEL方向
14、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dlldLkrdqkdU)(dEdE dER L dl O X dl l r d P O L X 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 14 页学而不思则惘,思而不学则殆将上式积分,即得P 点的电势U 为)ln()(0ddLkldLdlkdUUL5-9 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: 电荷均匀地分布在两无限长同轴圆柱面上,电
15、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rESEdsEcosdsEcosdsEcosdscosE21e321ssss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iisqdscosE0e1得E2r = /0解出 E 即得rE120(R1 r R2)作一球形高斯面S1(外虚线) ,该高
16、斯面上各处场强为零.通过 S1面的电通量01edscosEs由高斯定理可知,两球面带异号电荷,且q1=q2,即:14 R12 =24 R22,由此可解出内球面上的电荷密度1为22121)(RR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E 4R2 =q1/020222202222022014444RRRRRqRqE因球面内没有电荷
17、,由高斯定理可知,E=0。5-13电场强度E 与电势 U 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O r R2RR1S1S2精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 14 页学而不思则惘,思而不学则殆一定为 0 吗? 为什么 ? 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aadlEUcos,微分关系dndUE。从它们的关系
18、式可以看出,某点场强为0,该点电势不一定为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。5-14 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: 已知 q=+1.010-8 C,Wab =310-6 J,由电势差公式UaUb =Wab /q 可得UaUb =Wab /
19、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Ua Ub。5-15什么是电偶极子? 电偶极子电场中某一点的电势与哪些因素有关? 指出电势大于零、等于零、小于零的区域? 答: 两个相距很近的等量异号电荷+q 和 q 所组成的带电系统叫电偶极子。电偶极子电场中某一点的电势与电偶极子的电矩P 成正比, 与该点到电偶极子的距离r 平方成反比, 且与方位角 有关,即2cosrPkU。电偶极子中垂面上各点的电势为零,在中垂面+q 一侧空间各点的电势为正,q 一侧空间各点的电势为负。5-16 两个等量异号的点电荷,其电量均为10-9C,相距 0.01mm,求
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