电磁学---静电场--习题课.ppt
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1、There is no royal road to science,and only those who do not dread the fatiguing climb of gaining its numinous summits.(Karl Marx,German revolutionary)第第11章章 静电场习题课静电场习题课1在科学上没有平坦的大道,只有不畏劳苦沿着其在科学上没有平坦的大道,只有不畏劳苦沿着其崎岖之路攀登的人,才有希望达到它光辉的顶点。崎岖之路攀登的人,才有希望达到它光辉的顶点。(德国革命家德国革命家 马克思马克思.K.)1/3/20231知识点总结知识点总结1 适
2、用条件:适用条件:点电荷;点电荷;真空中;真空中;2.电力叠加原理:电力叠加原理:1.内容:内容:一、库仑定律(一、库仑定律(Coulomb s Law)1/3/20232二、电场二、电场 电场强度电场强度1.电场强度定义:电场强度定义:P 电场中任意点的电场强度电场中任意点的电场强度等于等于静止于静止于该点的该点的单位正电荷在该点所受的电场力单位正电荷在该点所受的电场力。2.场强叠加原理:场强叠加原理:电场中任何一点的总场强等于各个点电场中任何一点的总场强等于各个点电荷在该点各自产生的场强的矢量和电荷在该点各自产生的场强的矢量和。对对电荷电荷连续分布连续分布的带电体:的带电体:qdqP1/3
3、/20233三、三、静电场的高斯定理(静电场的高斯定理(Gauss theorem)1.电场线(电场线(electric field line)线线ab 线上线上某点的某点的切线方向切线方向,即为该点即为该点场强场强的方向的方向。线的线的疏密疏密表示表示场强场强的大小的大小。2.电通量电通量(Electric flux)SdS范围内场均匀范围内场均匀:通过通过S 的电通量:的电通量:1/3/202343.高斯定理高斯定理 在真空中的静电场内,通过任意闭合曲面在真空中的静电场内,通过任意闭合曲面的电通量,等于该曲面所包围电量的代数和除的电通量,等于该曲面所包围电量的代数和除以以 0。Sq内内q外
4、外利用高斯定律求电场分布的利用高斯定律求电场分布的步骤:步骤:(1)对称性分析;)对称性分析;(2)选择合适的高斯面;)选择合适的高斯面;(3)计算通过高斯面的电通量;)计算通过高斯面的电通量;(4)用高斯定理,求解场强;)用高斯定理,求解场强;1/3/20235四、四、特殊带电体的电场分布特殊带电体的电场分布1.点电荷的电场点电荷的电场位矢位矢 场点场点P2.均匀带电球面的电场均匀带电球面的电场Rqo3.均匀带电球体的电场均匀带电球体的电场Rqo1/3/202364.无限长无限长均匀带电均匀带电直线直线的电场的电场Pa5.无限大无限大均匀带电均匀带电平面平面的电场的电场6.无限长无限长均匀带
5、电均匀带电圆柱面圆柱面的电场的电场(与(与a 的大小无关)的大小无关)ar P1/3/20237习题集习题集 1(P98)一点电荷,放在球形高斯面的中心处。下列)一点电荷,放在球形高斯面的中心处。下列哪一种情况,通过高斯面的电通量发生变化。哪一种情况,通过高斯面的电通量发生变化。(A)将另一点电荷放在高斯面外。将另一点电荷放在高斯面外。(B)将另一点电荷放进高斯面内。将另一点电荷放进高斯面内。(C)将球心处的点电荷移开,但仍在高斯面内。将球心处的点电荷移开,但仍在高斯面内。(D)将高斯面半径缩小。将高斯面半径缩小。q分析:分析:由高斯定理由高斯定理知,在静电场中,通过闭合高斯面的电通量仅与面内
6、知,在静电场中,通过闭合高斯面的电通量仅与面内所包围的自由电荷有关,所包围的自由电荷有关,因此,正确答案是因此,正确答案是B 项。项。B1/3/20238 2(P 98)在空间有一非均匀电场,在电场中作一半径)在空间有一非均匀电场,在电场中作一半径为为R 闭合球面闭合球面 S,已知通过球面上某一面元已知通过球面上某一面元 S 的电场的电场强度通量为强度通量为。则通过该球面其余部分的电场强度通则通过该球面其余部分的电场强度通量为量为 SoR分析:分析:由高斯定理,因闭合球面由高斯定理,因闭合球面 S内没有包围的自由电荷,所以内没有包围的自由电荷,所以而而 因此,通过该球面其余部分的电场强度通量为
7、因此,通过该球面其余部分的电场强度通量为-,正确答案是正确答案是A 项。项。A1/3/20239 3(P 98)一具有球对称性分布的静电场的)一具有球对称性分布的静电场的Er 关系关系曲线。请指出该静电场是由下列哪种带电体产生的。曲线。请指出该静电场是由下列哪种带电体产生的。(A)半径为半径为R的均匀带电球面。的均匀带电球面。(B)半径为半径为R的均匀带电球体。的均匀带电球体。(C)半径为半径为R、电荷体密度为、电荷体密度为=Ar(A为常数)的为常数)的非均匀带电球体。非均匀带电球体。(D)半径为半径为R、电荷体密度为、电荷体密度为=A/r(A为常数)的为常数)的非均匀带电球体。非均匀带电球体
8、。分析:分析:为了选出正确答案,由高斯定理,分别对四个为了选出正确答案,由高斯定理,分别对四个选项中所给的带电体的电场分布进行求解:选项中所给的带电体的电场分布进行求解:(A)半径为半径为R 的均匀带电球面的均匀带电球面ErRo图图A1/3/202310(B)半径为半径为R的均匀带电球体。的均匀带电球体。ErRo图图B B (C)半径为半径为R、电荷体密度为、电荷体密度为=Ar(A为常数)的非为常数)的非均匀带电球体。均匀带电球体。oR球内任意球内任意P点:过点:过P点作球形高点作球形高斯面如图,斯面如图,PS由高斯定理由高斯定理1/3/202311oRPS在半径为在半径为r 处,取厚度为处,
9、取厚度为dr 的薄球层,的薄球层,rdr其带电其带电 dq=dV=A r 4r 2 drErRo图图C球外任意球外任意P 点:点:同理作球形高斯面如图,有同理作球形高斯面如图,有rPS1/3/202312(D)半径为半径为R、电荷体密度为、电荷体密度为=A/r(A为常数)的非为常数)的非均匀带电球体。均匀带电球体。oR球内任意球内任意P点:点:ErRo图图D球外任意球外任意P点:点:由此可知,由此可知,4(P 98)题正确)题正确答案为答案为D 项。项。1/3/202313 9(P 100)一个带正电荷的质点,在电场力作用下从)一个带正电荷的质点,在电场力作用下从A点点经经C点运动到点运动到B
10、点,已知质点运动的速率是递增的,下面点,已知质点运动的速率是递增的,下面关于关于C点场强方向的四个图示中正确的是:点场强方向的四个图示中正确的是:(A)ABC(B)ABC(C)ABC(D)ABC分析:分析:若若C点场强方向如图(点场强方向如图(A)所示,正电荷由所示,正电荷由C点开点开始将沿场强方向作加速率直线运动;始将沿场强方向作加速率直线运动;若若C点场强方向如图(点场强方向如图(B)所示,带正电的质点由所示,带正电的质点由C点开始将逆场强方向作减速率直线运动;点开始将逆场强方向作减速率直线运动;若若C点场强方向如图(点场强方向如图(C)所示,质点由所示,质点由 C 到到B 运运动的速率是
11、递减的;动的速率是递减的;只有只有D 项符合题意。项符合题意。D1/3/202314 10(P 100)在一个带有负电荷的均匀带电球外,放置在一个带有负电荷的均匀带电球外,放置一电偶极子,其电矩的方向如图所示。当电偶极子被一电偶极子,其电矩的方向如图所示。当电偶极子被释放后,该电偶极子将释放后,该电偶极子将:(A)沿逆时针方向旋转直到电矩沿逆时针方向旋转直到电矩 沿径向球面而停沿径向球面而停止。止。(B)沿逆时针方向旋转至沿逆时针方向旋转至 沿径向指向球面,同时沿径向指向球面,同时沿电力线方向向着球面移动。沿电力线方向向着球面移动。(C)沿逆时针方向旋转至沿逆时针方向旋转至 径向指向球面,现时
12、逆径向指向球面,现时逆电力线方向远离球面移动。电力线方向远离球面移动。(D)沿顺时针方向旋转至沿顺时针方向旋转至 沿径向朝外,同时沿电沿径向朝外,同时沿电力线方向向着球面移动。力线方向向着球面移动。-分析:分析:电偶极子受力如图,电偶极子受力如图,+q-q因此因此 B 项符合题意。项符合题意。B 11 题,则题,则 D 项正确。项正确。1/3/202315 16(P102)真空中两个正点电荷,带电量都为真空中两个正点电荷,带电量都为Q,相相距距 2R。若以其中一点电荷所在处若以其中一点电荷所在处O 点为中心,以点为中心,以 R 为半径作高斯球面为半径作高斯球面 S,则通过该球面的电场强度通量则
13、通过该球面的电场强度通量=;若以若以 表示高斯面外法线方向的单表示高斯面外法线方向的单位矢量,则高斯面上位矢量,则高斯面上 a 、b 两点的电场强度分别为:两点的电场强度分别为:。2R+Q+QROab分析:分析:通过高斯球面通过高斯球面S 的电场强的电场强度通量,等于球面度通量,等于球面 S 内所包围的内所包围的自由电荷的代数和除以真空的电自由电荷的代数和除以真空的电介系数。介系数。即:即:=Q/0Q/0若以若以 表示高斯面外法线方向的单位矢量,如图所示,表示高斯面外法线方向的单位矢量,如图所示,对于对于a点,两正点电荷所产生的场强等大反向,点,两正点电荷所产生的场强等大反向,所以所以二、填空
14、题:二、填空题:1/3/202316 对于对于b 点,两正点电荷所产点,两正点电荷所产生的场强方向相同,生的场强方向相同,2R+Q+QROab分别为:分别为:1/3/202317 17(P102)A、B为真空中两个平行的为真空中两个平行的“无限大无限大”均匀均匀带电平面,已知两平面间的电场强度大小为带电平面,已知两平面间的电场强度大小为E 0,两平面两平面外侧电场强度大小都为外侧电场强度大小都为E0/3,则,则A、B两平面上的电荷面两平面上的电荷面密度分别为密度分别为A=。B=。AB分析:分析:设设A、B两平面上的电荷面两平面上的电荷面密度分别为密度分别为 A 0,B 0,则:则:两平面间:两
15、平面间:(1)A平面左侧:平面左侧:(2)解得解得即即 A 0。A 0-20 E0/34 40 E0/31/3/202318 18(P103)一半径为)一半径为R 长为长为L 的均匀带电圆柱面,其的均匀带电圆柱面,其单位长度带电量为单位长度带电量为。在带电圆柱的中垂面上有一点在带电圆柱的中垂面上有一点 P,它到轴线距离为它到轴线距离为 r(r R),则),则P 点的电场强度的大点的电场强度的大小:当小:当 r L 时,时,E。RL分析:分析:当当 r L 时,带电圆柱面可视为时,带电圆柱面可视为点电荷点电荷,其场强大小为:其场强大小为:Pr LL L/40 r 21/3/202319 20(P
16、103)在点电荷)在点电荷+q 和和 q 的静电场中,作出三的静电场中,作出三个闭合个闭合S1、S2、S3,则能过这些闭合面的电场强度通量则能过这些闭合面的电场强度通量分别是:分别是:1=,2=,3=。S1 S2 S3+qq分析:分析:由高斯定理由高斯定理知,在静电场中,通过闭合高斯面的电通量仅与面内知,在静电场中,通过闭合高斯面的电通量仅与面内所包围的自由电荷有关,且等于面所包围的自由电荷有关,且等于面 S内所包围的自由内所包围的自由电荷的代数和除以真空的电介系数。电荷的代数和除以真空的电介系数。因此,因此,1=q/0 ;2=0 ;3=-q/0。q /00 0-q /0 19(P103)提示
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