静电场中的导体和电介质习题解答.doc

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1、第十章 静电场中的导体和电介质一 选择题1. 半径为R的导体球原不带电，今在距球心为a处放一点电荷q ( aR)。设无限远处的电势为零，则导体球的电势为 ( )解：导体球处于静电平衡，球心处的电势即为导体球电势，感应电荷分布在导体球表面上，且，它们在球心处的电势 点电荷q在球心处的电势为 据电势叠加原理，球心处的电势。所以选（A）选择题2图ssd2. 已知厚度为d的无限大带电导体平板，两表面上电荷均匀分布，电荷面密度均为s ，如图所示，则板外两侧的电场强度的大小为 ( )解：在导体平板两表面外侧取两对称平面，做侧面垂直平板的高斯面，根据高斯定理，考虑到两对称平面电场强度相等，且高斯面内电荷为，

2、可得 。所以选（C）oRd+q选择题3图3. 如图，一个未带电的空腔导体球壳，内半径为R，在腔内离球心的距离为d处(d0)或与导体表面垂直朝里(0)。s s 1s 2填充题2图2. 如图所示，一无限大均匀带电平面附近设置一与之平行的无限大平面导体板。已知带电面的电荷面密度为s ，则导体板两侧面的感应电荷密度分别为s1 和s2 = 。解：由静电平衡条件和电荷守恒定律可得：；。由此可解得： ；。3. 半径为R1和R2的两个同轴金属圆筒(R1 R2)，其间充满着相对介电常数为r的均匀介质，设两筒上单位长度带电量分别为l 和-l ，则介质中的电位移矢量的大小D= ，电场强度的大小E= 。 解：根据有介

3、质情况下的高斯定理，选同轴圆柱面为高斯面，则有D= l /（2r），电场强度大小E= D/r0=l /（2r0 r）。4. 电容值为100pF的平板电容器与50V电压的电源相接，若平板的面积为100cm2，其中充满r=6的云母片，则云母中的电场强度E= ；金属板上的自由电荷Q = ；介质表面上的极化电荷Q = 。解：极板间电场强度，两极板上自由电荷，由高斯定理，当有介质时，对平板电容器可有， Q为自由电荷，Q为介质表面上的极化电荷，代入已知数据可求得Q = 4.1710-9 C。5. 平行板电容器的两极板A、B的面积均为S，相距为d，在两板中间左右两半分别插入相对介电常数为r1和r2的电介质，

4、则电容器的电容为 。解：该电容器相当于是两个面积为S/2的电容器的并联，电容值分别为：，6. 半径为R的金属球A，接电源充电后断开电源，这时它储存的电场能量为510-5J,今将该球与远处一个半径是R的导体球B用细导线连接，则A球储存的电场能量变为 。解：金属球A原先储存的能量,当它与同样的金属球B连接，则金属球A上的电荷变为原来的1/2，则能量7. 三个完全相同的金属球A、B、C ，其中A球带电量为Q，而B、C球均不带电，先使A球同B球接触，分开后A球再和C球接触，最后三个球分别孤立地放置，则A 、B两球所储存的电场能量WeA 、WeB ，与A球原先所储存的电场能量We0比较，WeA是We0的

5、 倍，WeB是We0的 倍。解：初始A球的电场能量，先使A球同B球接触，则，分开后，A球再和C球接触，则，8. 一空气平行板电容器，其电容值为C0，充电后将电源断开，其储存的电场能量为W0，今在两极板间充满相对介电常数为r的各向同性均匀电介质，则此时电容值C= ，储存的电场能量We = 。解：初始时电容，充电后将电源断开，Q0不变，由，当两极板间充满电介质时，两极板电势差， 。9. 一平行板电容器，极板面积为S，间距为d，接在电源上并保持电压恒定为U。若将极板距离拉开一倍，那么电容器中静电能的改变为 ，电源对电场做功为 ，外力对极板做功为 。解：初始时，电容器的静电能将极板距离拉开一倍，电容值

6、变为，极板间电压不变，此时电容器的静电能电容器中静电能的改变 电源对电场做功由能量守恒，电源和外力做功的和等于电容器中静电能的改变，所以外力做的功10. 平板电容器两板间的空间（体积为V）被相对介电常数为r的绝缘体充填，极板上电荷的面密度为s，则将绝缘体从电容器中取出过程中外力所做的功为 。（摩擦不计）解：当平板电容器充满相对介电常数为r电介质时，场强，抽出后场强此时具有的静电能 当电介质取出后静电能 由能量守恒，在此过程中若不计摩擦，外力做功的等于静电能的增量 三 计算题1. 如图所示，一内半径为a、外半径为b的金属球壳，带有电量Q，在球壳空腔内距离球心r处有一点电荷q，设无限远处为电势零点

7、，试求：(1)球壳内外表面上的电荷；(2)球心处由球壳内表面上电荷产生的电势；(3)球心处的总电势。解：（1）由静电感应，金属球壳的内表面上有感应电荷-q，外表面上带电荷q+Q。（2）不论球壳内表面上的感应电荷是如何分布的，因为任一电荷元离O点的距离都是a，所以由这些电荷在O点产生的电势为baqrQ计算题1图（3）球心O点处的总电势为分布在球壳内外表面上的电荷和电荷q在O点产生的电势的代数和7. 两同心导体球壳中间充满相对介电常数为r的均匀电介质，其余为真空，内球壳半径为R1，带电量为Q1；外球壳半径为R2，带电量为Q2，如图所示。求图中距球心O分别为r1、r2、r3的a、b、c三点的场强和电

8、势。解：分别取半径为r1、r2、r3的高斯球面，利用高斯定理得： Ea=0沿径向方向向外计算题7图r2r3bOR1r1cR2Q1aQ2 沿径向方向向外，8. 一空气平行板电容器，两极板面积均为S，板间距离为d，在两极板间平行地插入一面积也是S，厚度为t的金属片，试求：(1)电容C等于多少？(2)金属片在两极板间放置的位置对电容值有无影响？ dd2d1t-q+qAB解：设极板上分别带电量+q和-q；金属片与A板距离为d1，与B 板距离为d2；金属片与A板间场强为E1 =q / (0 S )金属板与B板间场强为 E2 =q / (0 S )金属片内部场强为 则两极板间的电势差为UA-UB=E1d1+E2d2 =( q /0S)(d1+d2) = (q /0S) (d - t)由此得 C=q /(UA -UB) =0S /（d - t）因C值仅与d、t有关，与d1、d2无关，故金属片的安放仅置对电容值无影响。