2022年大学物理第六章课后习题答案.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载第六章 静电场中的导体与电介质6 1 将一个带正电的带电体 A 从远处移到一个不带电的导体 B 邻近,就导体 B 的电势将()(A ) 上升(B) 降低(C) 不会发生变化( D) 无法确定分析与解 不带电的导体 B 相对无穷远处为零电势;由于带正电的带电体 A移到不带电的导体 B 邻近时,在导体 B 的近端感应负电荷;在远端感应正电荷,不带电导体的电势将高于无穷远处,因而正确答案为(A);6 2 将一带负电的物体 M 靠近一不带电的导体 N,在 N 的左端感应出正电荷, 右端感应出负电荷;如将导体 N 的左端接地 (如下
2、列图) ,就()(A ) N上的负电荷入地(C) N上的全部电荷入地( B)N上的正电荷入地( D)N上全部的感应电荷入地分析与解 导体 N 接地说明导体 N 为零电势,即与无穷远处等电势,这与导体 N在哪一端接地无关;因而正确答案为(A);6 3 如下列图将一个电量为 q 的点电荷放在一个半径为 R 的不带电的导体球邻近,点电荷距导体球球心为就在导体球球心O 点有(0)(A )E,0Vqd4 0d(B)E4qd2,Vq 04 (C)E0 V0d,参见附图;设无穷远处为零电势,名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - (D
3、)Eqd2,V4优秀学习资料欢迎下载q4 0 0R分析与解达到静电平稳时导体内到处各点电场强度为零;点电荷q 在导体球表面感应等量异号的感应电荷q,导体球表面的感应电荷q在球心O点激发的电势为零,O 点的电势等于点电荷 q 在该处激发的电势;因而正确答案为( A );6 4 依据电介质中的高斯定理,在电介质中电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分等于这个曲面所包围自由电荷的代数和;以下推论正确选项 (A ) 如电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分等于零,曲面内肯定没有自由电荷(B) 如电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分等于零,曲面内电荷的代数和肯定等于零(C) 如电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分不
4、等于零,曲面内肯定有极化电荷(D) 介质中的高斯定律说明电位移矢量仅仅与自由电荷的分布有关(E) 介质中的电位移矢量与自由电荷和极化电荷的分布有关分析与解 电位移矢量沿任意一个闭合曲面的通量积分等于零,说明曲面内自由电荷的代数和等于零;由于电介质会转变自由电荷的空间分布,介质中的电位移矢量与自由电荷与位移电荷的分布有关;因而正确答案为 (E);6 5对于各向同性的匀称电介质,以下概念正确选项()(A ) 电介质布满整个电场并且自由电荷的分布不发生变化时,电介质中名师归纳总结 的电场强度肯定等于没有电介质时该点电场强度的1/ 倍1/ 倍第 2 页,共 31 页(B) 电介质中的电场强度肯定等于没
5、有介质时该点电场强度的- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载(C) 在电介质布满整个电场时,电介质中的电场强度肯定等于没有电介质时该点电场强度的 1/ 倍(D) 电介质中的电场强度肯定等于没有介质时该点电场强度的 倍分析与解 电介质中的电场由自由电荷激发的电场与极化电荷激发的电场迭加而成, 由于极化电荷可能会转变电场中导体表面自由电荷的分布,由电介质中的高斯定理, 仅当电介质布满整个电场并且自由电荷的分布不发生变化时,在电介质中任意高斯面 S 有S 1 E d S S E 0 d S 10 i q i即E E / ,因而正确答案为(A
6、 );6 6 不带电的导体球 A 含有两个球形空腔,两空腔中心分别有一点电荷qb、qc,导体球外距导体球较远的 r 处仍有一个点电荷 qd (如下列图);试求点电荷 qb 、qc 、qd 各受多大的电场力;分析与解依据导体静电平稳时电荷分布的规律,空腔内点电荷的电场线终止于空腔内表面感应电荷;导体球A 外表面的感应电荷近似匀称分布,因而近似可看作匀称带电球对点电荷 F dqd 的作用力;qbqcq d4 0r2点电荷 qd 与导体球 A 外表面感应电荷在球形空腔内激发的电场为零,点电名师归纳总结 荷qb 、qc处于球形空腔的中心,空腔内表面感应电荷匀称分布,点电荷 qb 、第 3 页,共 31
7、 页qc受到的作用力为零. 6 7一真空二极管,其主要构件是一个半径R 5.0 104m 的圆柱形阴极和一个套在阴极外,半径 R 4.5 103m 的同轴圆筒形阳极阳极电- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 势比阴极电势高优秀学习资料欢迎下载m假设电子300V ,阴极与阳极的长度均为L 2.5 10从阴极射出时的速度为零求:()该电子到达阳极时所具有的动能和速率;()电子刚从阳极射出时所受的力分析(1) 由于半径 R L,因此可将电极视作无限长圆柱面,阴极和阳极之间的电场具有轴对称性从阴极射出的电子在电场力作用下从静止开始加速,电子所获得的动能等于电场力所
8、作的功,也即等于电子势能的减少由此,可求得电子到达阳极时的动能和速率(2) 运算阳极表面邻近的电场强度,的电场力由 F qE 求出电子在阴极表面所受解(1) 电子到达阳极时,势能的削减量为1017JEepeV.4 8由于电子的初始速度为零,故E ekE ekE ep4 8.1017J因此电子到达阳极的速率为v2EekE2eV1. 03107m-s1mm(2) 两极间的电场强度为re r2 0两极间的电势差名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - VR 2优秀学习资料0r欢迎下载0e lnR 2Edr2R 1 2 R 1负号
9、表示阳极电势高于阴极电势阴极表面电场强度E2R 1e rVR 2e r 0R 1 lnR 1电子在阴极表面受力14F e E 4 . 37 10 e r N3这个力尽管很小,但作用在质量为 .1 10 kg 的电子上,电子获得的加速度可达重力加速度的 5 10 5 倍6 8 一导体球半径为 R,外罩一半径为 R2的同心薄导体球壳,外球壳所带总电荷为 Q,而内球的电势为V 求此系统的电势和电场的分布分析如V 0QR 2,内球电势等于外球壳的电势,就外球壳内必定为等4 0势体,电场强度到处为零,内球不带电如V 04QR 2,内球电势不等于外球壳电势,就外球壳内电场强度不 0为零,内球带电一般情形下
10、,假设内导体球带电q,导体达到静电平稳时电荷的分布如下列图依照电荷的这一分布,利用高斯定理可求得电场分布并由VppE d 或电势叠加求出电势的分布最终将电场强度和电势用已知量 V0、Q、R、R2表示解依据静电平稳时电荷的分布,可知电场分布呈球对称取同心球面为高名师归纳总结 斯面,由高斯定理Ed SEr4 r2Erq/0,依据不同半径的第 5 页,共 31 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载高斯面内的电荷分布,解得各区域内的电场分布为r R时,E 1rr0RrR2时,E2q4 0r2rR2 时,E2rQq4 0r2由电场强度与电势
11、的积分关系,可得各相应区域内的电势分布r R时,V 1rEdlR 1E1dlR 2E2dlR2E3dl4qR 14QR 2rR 1 0 0RrR2时,V2rEdlR 2E2d lR2E3d l4qr4QR 2r 0 0rR2时,V 3rE 3dlqQr R)4 0 r也可以从球面电势的叠加求电势的分布在导体球内(V 14qR 14QR 2 0 0在导体球和球壳之间(RrR2 )V24q0rQR 2 4 0在球壳外( r R2)V 3qQ4 0r由题意V 1V 04qR 24QR 1 0 0得V 1V 04qR 24QR 1 0 0代入电场、电势的分布得名师归纳总结 - - - - - - -第
12、 6 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载r R时,E 10;V 1V 0RrR2时,E2R 1 V 04R 1Qr2;V 2R 1 V 0r R 1Qr2 0R 2r40R 2rrR2时,6 9E3R 1 V 0R 20R 1Q;V 3R 1 V 0R 2R 1Qr24 R 2r2r4 0R 2r在一半径为 R6.0 cm 的金属球 A 外面套有一个同心的金属球壳B已知球壳 B 的内、 外半径分别为 R28.0 cm,R3 10.0 cm设球 A 带 有总电荷 QA 3.0 10C,球壳 B 带有总电荷 QB2.0 10C() 求球壳 B
13、内、外表面上所带的电荷以及球A 和球壳 B 的电势;( 2) 将球壳B 接地然后断开,再把金属球 A 接地,求金属球 A 和球壳 B 内、外表面上所带的电荷以及球 A 和球壳 B 的电势分析()依据静电感应和静电平稳时导体表面电荷分布的规律,电荷QA匀称分布在球 A 表面,球壳 B 内表面带电荷QA ,外表面带电荷 QB QA,电荷在导体表面匀称分布图(),由带电球面电势的叠加可求 得球 A 和球壳 B 的电势( 2) 导体接地,说明导体与大地等电势(大地电势通常取为零)球壳B 接地后,外表面的电荷与从大地流入的负电荷中和,球壳内表面带电QA 图()断开球壳B 的接地后,再将球A 接地,此时球
14、 A 的电势为零电势的变化必将引起电荷的重新分布,以保持导体的静电平稳不失一般性可设此时球A 带电 qA ,依据静电平稳时名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载导体上电荷的分布规律,可知球壳 B 内表面感应 qA ,外表面带电 qA QA图( c)此时球 A 的电势可表示为VA4qAR 14qAqAQA0 0 0R 24 0R 3由VA 0 可解出球 A 所带的电荷 qA ,再由带电球面电势的叠加,可求出 球A 和球壳 B 的电势解()由分析可知,球 A 的外表面带电 3.0 10C,球壳 B 内
15、表面带电 3.0 10C,外表面带电 5.0 10C由电势的叠加, 球A 和球壳 B 的电势分别为VA4qAQAQAQA356.103V 0R 14 0R 24 0R 3VBQAQ B45.10V4 0R 3(2) 将球壳 B 接地后断开,再把球 壳B的电势为A 接地,设球 A 带电 qA ,球 A 和球VAqAR 1BqAqQA0qA04 04 0R 24 R 3VQAA4 0R 3解得q A R 1 R 2 Q A 2 . 12 10 8CR 1 R 2 R 2 R 3 R 1 R 3即球 A 外表面带电 2.12 10 C,由分析可推得球壳 B 内表面带电 2.12 10 C,外表面带电
16、 -0.9 10 C另外球 A 和球壳 B 的电势分别为V A 02V B 7.29 10 V导体的接地使各导体的电势分布发生变化,打破了原有的静电平稳,导体表面的电荷将重新分布,以建立新的静电平稳6 10 两块带电量分别为 Q 、Q2 的导体平板平行相对放置(如下列图) ,假设导体平板面积为 S,两块导体平板间距为 d,并且 S d试证明()相向的两面电荷面密度大小相等符号相反;(2) 相背的两面电荷面密度大名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 31 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载小相等符号相同分析 导体平板间距 d S,忽视边缘
17、效应, 导体板近似可以当作无限大带电平板处理;取如图()所示的圆柱面为高斯面,高斯面的侧面与电场强度 E 平行,电场强度通量为零;高斯面的两个端面在导体内部,因导体内电场强度为零,因而电场强度通量也为零,由高斯定理SEdSqq/ 00再利用得0上式说明处于静电平稳的平行导体板,相对两个面带等量异号电荷叠加原理,导体板上四个带电面在导体内任意一点激发的合电场强度必需为零,因而平行导体板外侧两个面带等量同号电荷证明()设两块导体平板表面的电荷面密度分别为、2、3、4 ,取如图()所示的圆柱面为高斯面,高斯面由侧面 成,由分析可知S和两个端面 S2、 S3构名师归纳总结 得qSEdS 3q/ 003
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- 2022 大学物理 第六 课后 习题 答案
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