高中物理奥林匹克竞赛专题静电场习题及答案.pdf

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1、 高中物理奥林匹克竞赛专题-静电场习题及答案 第 2 页 静电场 题 7.1：1964 年，盖尔曼等人提出基本粒子是由更基本的夸克构成，中子就是由一个带e32的上夸克和两个带e31下夸克构成，若将夸克作为经典粒子处理（夸克线度约为 1020 m），中子内的两个下夸克之间相距1015 m。求它们之间的斥力。题 7.1 解：由于夸克可视为经典点电荷，由库仑定律 F与re方向相同表明它们之间为斥力。题 7.2：质量为 m，电荷为e 的电子以圆轨道绕氢核旋转，其动能为 Ek。证明电子的旋转频率满足 其中是0真空电容率，电子的运动可视为遵守经典力学规律。题 7.2 分析：根据题意将电子作为经典粒子处理。

2、电子、氢核的大小约为 1015 m，轨道半径约为1010 m，故电子、氢核都可视作点电荷。点电荷间的库仑引力是维持电子沿圆轨道运动的向心力，故有 由此出发命题可证。证：由上述分析可得电子的动能为 电子旋转角速度为 第 3 页 由上述两式消去 r，得 题 7.3：在氯化铯晶体中，一价氯离于 Cl与其最邻近的八个一价格离子 Cs+构成如图所示的立方晶格结构。（1）求氯离子所受的库仑力；（2）假设图中箭头所指处缺少一个铯离子（称作品格缺陷），求此时氯离子所受的库仑力。题 7.3 分析：铯离子和氯离子均可视作点电荷，可直接将晶格顶角铯离子与氯离子之间的库仑力进行矢量叠加。为方便计算可以利用晶格的对称性

3、求氯离子所受的合力。解：（l）由对称性，每条对角线上的一对铯离子与氯离子间的作用合力为零，故（2）除了有缺陷的那条对角线外，其它铯离子与氯离子的作用合力为零，所以氯离子所受的合力2F的值为 2F 方向如图所示。题 7.4：若电荷 Q 均匀地分布在长为 L 的细棒上。求证：（1）在棒的延长线，且离棒中心为 r 处的电场强度为（2）在棒的垂直平分线上，离棒为 r 处的电场强度为 若棒为无限长（即L），试将结果与无限长均匀 第 4 页 带电直线的电场强度相比较。题 7.4 分析：这是计算连续分布电荷的电场强度。此时棒的长度不能忽略，因而不能将棒当作点电荷处理。但带电细棒上的电荷可看作均匀分布在一维的

4、长直线上。如图所示，在长直线上任意取一线元，其电荷为 dq=Qdx/L，它在点P 的电场强度为 整个带电体在点 P 的电场强度 接着针对具体问题来处理这个矢量积分。（1）若点 P 在棒的延长线上，带电棒上各电荷元在点 P 的电场强度方向相同，（2）若点 P 在棒的垂直平分线上，则电场强度E沿x轴方向的分量因对称性叠加为零，因此，点 P 的电场强度就是 证：（1）延长线上一点 P 的电场强度LrqE204d，利用几何关系xrr统一积分变量，则 电场强度的方向沿 x 轴。（3）根据以上分析，中垂线上一点 P 的电场强度 E 的方向沿y轴，大小为 第 5 页 利用几何关系22,sinxrrrr统一积

5、分变量，则 当棒长L时，若棒单位长度所带电荷为常量，则 P 点电场强度 此结果与无限长带电直线周围的电场强度分布相同。这说明只要满足122Lr，带电长直细棒可视为无限长带电直线。题 7.5：一半径为 R 的半圆细环上均匀分布电荷Q，求环心处的电场强度 题 7.5 分析：在求环心处的电场强度时，不能将带电半圆环视作点电荷。现将其抽象为带电半圆弧线。在弧线上取线元 dl，其电荷此电荷元可视为点电荷lRQqdd，它在点 O的电场强度r20d41deErq。因圆环上电荷对 y 轴呈对称性分布，电场分布也是轴对称的，则有LE0dx，点 O 的合电场强度jELEyd，统一积分变量可求得 E。解：由上述分析

6、，点 O 的电场强度 由几何关系ddRl，统一积分变量后，有 第 6 页 方向沿 y 轴负方向。题 7.6：用电场强度叠加原理求证：无限大均匀带电板外一点的电场强度大小为02E（提示：把无限大带电平板分解成一个个圆环或一条条细长线，然后进行积分叠加）题 7.6 分析：求点 P 的电场强度可采用两种方法处理，将无限大平板分别视为由无数同心的细圆环或无数平行细长线元组成，它们的电荷分别为 求出它们在轴线上一点 P的电场强度 dE 后，再叠加积分，即可求得点 P 的电场强度了。证 1：如图所示，在带电板上取同心细圆环为微元，由于带电平面上同心圆环在点 P 激发的电场强度 dE 的方向均相同，因而P

7、处的电场强度 电场强度 E 的方向为带电平板外法线方向。证 2：如图所示，取无限长带电细线为微元，各微元在点 P 激发的电场强度dE 在 Oxy 平面内且对 x 轴对称，因此，电场在 y 轴和 z 轴 第 7 页 方向上的分量之和，即 Ey、Ez均为零，则点 P的电场强度应为 积分得iE02 电场强度 E 的方向为带电平板外法线方向。上述讨论表明，虽然微元割取的方法不同，但结果是相同的。题 7.7：水分子 H2O 中氧原子和氢原子的等效电荷中心如图所示。假设氧原子和氢原子等效电荷中心间距为 r0。试计算在分子的对称轴线上，距分子较远处的电场强度。题 7.7 分析：水分子的电荷模型等效于两个电偶

8、极子，它们的电偶极矩大小均为00erp，而夹角为2。叠加后水分子的电偶极矩大小为cos20erp，方向沿对称轴线。由于点O到场点A的距离xr0，利用教材中电偶极子在延长线上的电场强度 可求得电场的分布。也可由点电荷的电场强度叠加，求电场分布。解 1：水分子的电偶极矩 在电偶极矩延长线上 解 2：在对称轴线上任取一点 A，则该点的电场 第 8 页 强度 由于cos202022xrrxr 代入得2230202001)cos2(cos42xxrrxrxeE 测量分子的电场时，总有 xr0，因此，式中230202)cos2(xrrx2303cos21xrxxrxcos223103，将上式化简并略去微小

9、量后，得 题 7.8：无两条无限长平行直导线相距为 r0，均匀带有等量异号电荷，电荷线密度为。（1）求两导线构成的平面上任一点的电场强度（设该点到其中一线的垂直距离为 x）；（2）求每一根导线上单位长度导线受到另一根导线上电荷作用的电场力。题 7.8 分析：（1）在两导线构成的平面上任一点的电场强度为两导线单独在此所激发的电场的叠加。（2）由 F=qE，单位长度导线所受的电场力等于另一根导线在该导线处的电场强度来乘以单位长度导线所带电的量，即：F=E 应该注意：式中的电场强度 E 是除去自身电荷外其它电荷的合电场强度，电荷自身建立的电场不会对自身电荷产生作用力。第 9 页 题 7.8 解：（1

10、）设点 P 在导线构成的平面上，E、E分别表示正、负带电导线在 P 点的电场强度，则有（2）设F、F分别表示正、负带电导线单位长度所受的电场力，则有 显然有FF，相互作用力大小相等，方向相反，两导线相互吸引。题 7.9：如图所示，电荷Q分别均匀分布在两个半径为 R 的半细圆环上。求：（1）带电圆环偶极矩的大小和方向；（2）等效正、负电荷中心的位置。题 7.9 分析：（1）电荷分布呈轴对称，将细环分割成长度均为 ds 的线元，带正电荷的上半圆环线元与带负电荷的下半圆环对称位置上的线元构成一元电偶极子，细圆环总的偶极矩等于各元电偶极矩之和，有（2）由于正、负电荷分别对称分布在 y 轴两侧，我们设想

11、在 y 轴上能找到一对假想点，如果该带电环对外激发的电场可以被这一对假想点上等量的点电荷所激发的电场代替，这对假想点就分别称作正、负等效电荷中心。等效正负电荷中心一定在 y 轴上并对中心 O 对称。由电偶极矩 第 10 页 p 可求得正、负等效电荷中心的间距，并由对称性求得正、负电荷中心。解：（1）将圆环沿 y 轴方向分割为一组相互平行的元电偶极子，每一元电偶极子带电 则带电圆环的电偶极矩 （2）等效正、负电荷中心间距为 根据对称性正、负电荷中心在 y 轴上，所以其坐标分别为R2,0和R2,0。也可以借助几何中心的定义，得 即正、负电荷中心分别在y轴上距中心 O为R2处 题 7.10：设匀强电

12、场的电场强度 E 与半径为 R的半球面的对称轴平行，试计算通过此半球面的电场强度通量。题 7.10 分析方法 1：由电场强度通量的定义，对半球面 S 求积分，即SSSE d。方法 2：作半径为 R 的平面S与半球面 S 一起可构成闭合曲面，由于闭合面内无电荷，由高斯定理 这表明穿过闭合曲面的净通量为零，穿入平面S的电场强度通量在数值上等于穿出半球面 S 的 第 11 页 电场强度通量。因而 解 1：取球坐标系，电场强度矢量和面元在球坐标系中可表示为 解 2：由于闭合曲面内无电荷分布，根据高斯定理，有 依照约定取闭合曲面的外法线方向为面元 dS的方向，题 7.11：边长为 a 的立方体如图所示，

13、其表面分别平行于 xy、yz 和 zx 平面，立方体的一个顶点为坐标原点。现将立方体置于电场强度jiE21)(EkxE的非均匀电场中，求电场对立方体各表面及整个立方体表面的电场强度通量。题 7.11 解：参见图。由题意E 与 Oxy 面平行，所以对任何与 Oxy 面平行的立方体表面。电场强度的通量为零。即0DEFGOABC。而 考虑到面 CDEO 与面 ABGF 的外法线方向相反，且该两面的电场分布相同，故有 同理2121AOEF)d(daESEEijiSE 因此，整个立方体表面的电场强度通量 题 7.12：地球周围的大气犹如一部大电机，由于 第 12 页 雷雨云和大气气流的作用，在晴天区域，

14、大气电离层总是带有大量的正电荷，云层下地球表面必然带有负电荷。晴天大气电场平均电场强度约为120 Vm，方向指向地面。试求地球表面单位面积所带的电荷（以每平方厘米的电子数表示）。题 7.11 分析：考虑到地球表面的电场强度指向地球球心，在大气层中取与地球同心的球面为高斯面，利用高斯定理可求得高斯面内的净电荷。解：在大气层临近地球表面处取与地球表面同心的球面为高斯面，其半径ERR（RE为地球平均半径）。由高斯定理 地球表面电荷面密度 单位面积额外电子数 题 7.13：设在半径为 R 的球体内，其电荷为对称分布，电荷体密度为 k 为一常量。试用高斯定理求电场强度 E 与 r 的函数关系。（你能用电

15、场强度叠加原理求解这个问题吗?）题 7.13 分析：通常有两种处理方法：（1）利用高斯定理求球内外的电场分布。由题意知电荷呈球对称分布，因而电场分布也是球对称，选择与带电球体同心的球面为高斯面，在球面上电场强 第 13 页 度大小为常量，且方向垂直于球面，因而有 根据高斯定律VSd1d0SE，可解得电场强度的分布（2）利用带电球壳电场叠加的方法求球内外的电场分布。将带电球分割成无数个同心带电球壳，球壳带电荷为rrqd4d2，每个带电球壳在壳内激发的电场 dE=0，而在球壳外激发的电场 由电场叠加可解得带电球体内外的电场分布 解 1：因电荷分布和电场分布均为球对称，球面上各点电场强度的大小为常量

16、，由高斯定律VSd1d0SE得球体内)0(Rr 球体外（rR）解 2：将带电球分割成球壳，球壳带电 由上述分析，球体内)0(Rr 球体外（rR）题 7.14：一无限大均匀带电薄平板，电荷面密度为，在平板中部有一半径为 r 的小圆孔。求圆孔中心轴线上与平板相距为x的一点P的电场强度。第 14 页 题 7.14 分析：用补偿法求解 利用高斯定理求解电场强度只适用于几种非常特殊的对称性电场。本题的电场分布虽然不具有这样的对称性，但可以利用具有对称性的无限大带电平面和带电圆盘的电场叠加，求出电场的分布。若把小圆孔看作由等量的正、负电荷重叠而成、挖去圆孔的带电平板等效于一个完整的带电平板和一个带相反电荷

17、（电荷面密度）的圆盘。这样中心轴线上的电场强度等效于平板和圆盘各自独立在该处激发的电场的矢量和。解：在带电平面附近 ne为沿平面外法线的单位矢量；圆盘激发的电场 它们的合电场强度为 在圆孔中心处 x=0，则 E=0 在距离圆孔较远时 xr，则 上述结果表明，在 xr 时。带电平板上小圆孔对电场分布的影响可以忽略不计。题 7.15：一无限长、半径为 R 的圆柱体上电荷均 第 15 页 匀分布。圆柱体单位长度的电荷为，用高斯定理求圆柱体内距轴线距离为 r 处的电场强度。题 7.15 分析：无限长圆柱体的电荷具有轴对称分布，电场强度也为轴对称分布，且沿径矢方向。取同轴往面为高斯面，电场强度在圆柱侧面

18、上大小相等，且与柱面正交。在圆柱的两个底面上，电场强度与底面平行，0d SE对电场强度通量贡献为零。整个高斯面的电场强度通量为 由于，圆柱体电荷均匀分布，电荷体密度2R，处于高斯面内的总电荷 由高斯定理0dqSE可解得电场强度的分布，解：取同轴柱面为高斯面，由上述分析得 题 7.16：一个内外半径分别 R1为 R2和的均匀带电球壳，总电荷为 Q1，球壳外同心罩一个半径为 R3的均匀带电球面，球面带电荷为 Q2。求电场分布。电场强度是否是场点与球心的距离 r的连续函数？试分析。题 7.16 分析：以球心 O 为原点，球心至场点的距离 r 为半 第 16 页 径，作同心球面为高斯面。由于电荷呈球对

19、称分布，电场强度也为球对称分布，高斯面上电场强度沿径矢方向，且大小相等。因而24drESE，在确定高斯面内的电荷q后，利用高斯定理 即可求的电场强度的分布 解：取半径为 r 的同心球面为高斯面，由上述分析 r R1，该高斯面内无电荷，0q，故 E1=0 R1 r R2，高斯面内电荷31323131)(RRRrQq，故 R2 r R3，高斯面内电荷为 Q1+Q2，故 电场强度的方向均沿径矢方向，各区域的电场强度分布曲线如图所示。在带电球面的两侧，电场强度的左右极限不同，电场强度不连续，而在紧贴 r=R3的带电球面两侧，电场强度的跃变量 这一跃变是将带电球面的厚度抽象为零的 第 17 页 必然结果

20、，且具有普遍性。实际带电球面应是有一定厚度的球壳，壳层内外的电场强度也是连续变化的，如本题中带电球壳内外的电场，如球壳的厚度变小，E 的变化就变陡，最后当厚度趋于零时，E 的变化成为一跃变。题 7.17：两个带有等量异号电荷的无限长同轴圆柱面，半径分别为 R1和 R2(R2 R1)，单位长度上的电荷为。求离轴线为 r 处的电场强度：（1）r R1，（2）R1 r R2 题 7.17 分析：电荷分布在无限长同轴圆拄面上，电场强度也必定呈轴对称分布，沿径矢方向。取同轴圆柱面为高斯面，只有侧面的电场强度通量不为零，且rLE2dSE，求出不同半径高斯面内的电荷q。利用高斯定理可解得各区域电场的分布。解

21、：作同轴圆柱面为高斯面。根据高斯定理 在带电面附近，电场强度大小不连续，电场强度有一跃变 题 7.18：如图所示，有三个点电荷 Q1、Q2、Q3沿一条直线等间距分布，已知其中任一点电荷所受合力均为零，且 Q1=Q2=Q3。求在固定 Q1、第 18 页 Q3的情况下，将 Q2从点 O 移到无穷远处外力所作的功。题 7.18 分析：由库仑力的定义，根据 Q1、Q3所受合力为零可求得 Q3 外力作功W应等于电场力作功 W 的负值，即WW。求电场力作功的方法有两种，（l）根据功的定义，电场力作的功为 其中E是点电荷 Q1、Q3产生的合电场强度。（2）根据电场力作功与电势能差的关系，有 其中 V0是 Q

22、1、Q3在点 O 产生的电势（取无穷远处为零电势）。解 1：由题意 Q1所受的合力为零 解得QQQ414132 由点电荷电场的叠加，Q1、Q3激发的电场在 y 轴上任意一点的电场强度为 将 Q2从点 O 沿 y 轴移到无穷远处（沿其他路径所作的功相同，请想一想为什么？），外力所作的功为 解 2：与解 1 相同，在任一点电荷所受合力均为零时QQ412。并由电势的叠加得 Q1、Q3在点 O 电 第 19 页 势 将 Q2从点 O 推到无穷远处的过程中，外力作功 比较上述两种方法，显然用功与电势能变化的关系来求解较为简洁。这是因为在许多实际问题中直接求电场分布困难较大，而求电势分布要简单得多。题 7

23、.19：已知均匀带电长直线附近的电场强度近似为 为电荷线密度。（1）求在 r=r1和 r=r2两点间的电势差；（2）在点电荷的电场中，我们曾取r处的电势为零，求均匀带电长直线附近的电势时，能否这样取？试说明，题 7.19 解：（1）由于电场力作功与路径无关，若取径矢为积分路径，则有 （2）不能。严格地讲，电场强度rreE02只适用于无限长的均匀带电直线，而此时电荷分布在无限空间。r处的电势应与直线上的电势相等。题 7.20：如图所示，有一薄金属环，其内外半径分别为 R1和 R2，圆环均匀带电，电荷面密度为（0）。（1）计算通过环中心垂直于环面的轴线上一点的电势；（2）若有一质子沿轴线从无 第

24、20 页 限远处射向带正电的圆环，要使质子能穿过圆环，它的初速度至少应为多少？题 7.20 分析：（1）如图所示，将薄金属环分割为一组不同半径的同心带电细圆环，利用细环轴线上一点的电势公式，根据电势叠加原理，将这些不同半径的带电圆环在轴线上一点的电势相加，即可得到轴线上的电势分布。（2）由轴上电势分布的结果可知，在圆环中心处（x=0）电势 V 有极大值，当质子从无穷远处射向圆环时，电势能逐渐增加，而质子的动能随之减少。若要使质子穿过圆环，则质子在圆环中心处 Ek 0。根据能量守恒定律，可求出电子所需初速度的最小值。解：（1）在环上割取半径为 r、宽度为 dr 的带电细回环，其所带电荷为 它在轴

25、线上产生的电势为 薄金属环的电势等于这些同心轴圆环电势的叠加 （2）根据能量守恒定律，为使质子在圆环中心处的动能 Ek0，开始时质子的初速率应满足 第 21 页 即)(1200RRmev 上式表明质子欲穿过环心，其速率不能小于)(120RRme 题 7.21：两个同心球面的半径分别为 R1和 R2，各自带有电荷 Q1和 Q2。求：（1）各区域电势分布，并画出分布曲线；（2）两球面间的电势差为多少？题 7.21 分析：通常可采用两种方法（1）由于电荷均匀分布在球面上，电场分布也具有球对称性，因此，可根据电势与电场强度的积分关系求电势。取同心球面为高斯面，借助高斯定理可求得各区域的电场强度分布，再

26、由PPVlE d可求得电势分布。（2）利用电势叠加原理求电势。一个均匀带电的球面，在球面外产生的电势为 在球面内电场强度为零，电势处处相等，等于球面的电势 其中 R 是球面的半径。根据上述分析，利用电势在加原理，将两个球面在各区域产生的电势叠加，可求得电势的分布。解 1：（l）由高斯定理可求得电场分布 第 22 页 由电势rVlE d可求得各区域的电势分布。当1Rr 时，有 当21RrR时，有 当2Rr 时，有 （2）两个球面间的电势差 解 2：（l）由各球面电势的叠加计算电势分布。若该点位于两个球面内，即1Rr，则 若该点位于两个球面之间，即21RrR，则 若该点位于两个球面之外，即2Rr，

27、则 （2）两个球面间的电势差 题 7.22：一半径为 R 的无限长带电细棒，其内部的电荷均匀分布，电荷的体密度为。现取棒表面为零电势，求空间电势分布并画出分布曲线 分析 无限长均匀带电细棒电荷分布呈轴对称，其电场和电势的分布也呈轴对称。选取同轴柱面为高斯面，利用高斯定理 可求得电场分布 E(r)，再根据电势差的定义 并取棒表面为零电势（Vb=0），即可得空间任意点的电势 解：取高度为 l、半径为 r 且与带电律同轴的回柱面为高斯面，由高斯定理 当Rr 时 022lrrlE 第 23 页 得02)(rrE 当Rr 时022lRrlE 得rRrE022)(取棒表面为零电势，空间电势的分布有 当Rr

28、 时，)(4d2)(2200rRrrrVRr 当Rr 时，rRRrrRrVRrln2d2)(0202 图是电势 V 随空间位置 r 的分布曲线。题 7.23：两个很长的共轴圆柱面（R1 =102 m，R2=m），带有等量异号的电荷，两者的电势差为 450 V。求：（1）圆柱面单位长度上带有多少电荷？（2）两圆柱面之间的电场强度。题 7.23：两圆柱面之间的电场 根据电势差的定义有 解得1812120C.m101.2ln2RRU 两圆柱面电场强度的大小与 r 成反比。题 7.24：在一次典型的闪电中，两个放电点间的电势差约为 109 V，被迁移的电荷约为 30 C，如果释放出的能量都用来使0 C

29、的冰融化为0 C 第 24 页 的水，则可融化多少冰？（冰的融化热 L=105 Jkg1）题 7.24：闪电中释放出的能量为冰所吸收，故可融化冰的质量 即可融化约 90 吨冰。题 7.25：在 Oxy 面上倒扣着半径为 R 的半球面，半球面上电荷均匀分布，电荷面密度为。A 点的坐标为(0,R/2)，B 点的坐标为(R/2,0)，求电势差 UAB。题 7.25 分析：电势的叠加是标量的叠加，根据对称性，带电半球面在 Oxy 平面上各点产生的电势显然就等于带电球面在该点的电势的一半。据此，可先求出一个完整球面在 A、B 间的电势差UAB，再求出半球面时的电势差 UAB。由于带电球面内等电势，球面内

30、 A 点电势等于球表面的电势，故 其中RV是带电球表面的电势，BV是带电球面在B 点的电势。解：假设将半球面扩展为带有相同电荷面密度 的一个完整球面，此时在A、B 两点的电势分别为 第 25 页 则半球面在 A、B 两点的电势差 题 7.26：已知水分子的电偶极矩mC1017.630p。这个水分子在电场强度15mV100.1E的电场中所受力矩的最大值是多少？题 7.26 解：在均匀电场中，电偶极子所受的力矩为EpM，故力矩的最大值为 题 7.27：在玻尔的氢原子模型中，电子沿半径为m1053.010的圆周绕原子核旋转。（1）若把电子从原子中拉出来需要克服电场力作多少功？（2）电子的电离能为多少？题 7.27 解：（1）电子在玻尔轨道上作圆周运动时，它的电势能为 因此，若把电子从原子中拉出来需要克服电场力作功 （2）电子在玻尔轨道上运动时，静电力提供电子作圆周运动所需的向心力，即rmvre2202)4(。此时，电子的动能为 其总能量 电子的电离能等于外界把电子从原子中拉出来需要的最低能量 由于电子围绕原子核高速旋转具有动能，使电子脱离原子核的束缚所需的电离能小于在此 第 26 页 过程中克服电场力所作的功。