2022年大学物理课后习题及答案_电介质.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载电解质题 8.1:一真空二极管,其主要构件是一个半径 R1 = 5.0 10 4 m 的圆柱形阴极和一个套在阴极外,半径 R 2 .4 5 10 3 m 的同轴圆筒形阳极;阳极电势比阴极电势高 300 V,阴极与阳极的长度均为 L = 2.5 10 2 m ;假设电子从阴极射出时的速度为零;求:(1)该电子到达阳极时所具有的动能和速率; ( 2)电子刚从阳极射出时所受的力;题 8.1 分析:(1)由于半径 R1 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头加速
2、,电于所获得的动能等于电场力所作的功,也即等于电子势能的削减;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,由Fq E求出电子在阴极表面所受的电场力;解:(1)电子到达阳极时,势能的削减量为EepeV4.81017J由于电子的初始速度为零,故EekEekEep4.81017J因此电子到达阳极的速率为v2Eek2 eV1.03107ms1mm(2)两极间的电场强度为E20rer两极间的电势差VR2Ed rR220rd r20lnR 2R 1R1R 1负号表示阳极电势高于阴极电势;阴极表面电场强度E20R 1erR 1VR2e rlnR 1电子在阴极表面受力Fe E4
3、.371014erNQ,这个力尽管很小,但作用在质量为 速度的 5 10 15 倍;9.11 1031kg 的电子上,电子获得的加速度可达重力加题 8.2:一导体球半径为R1,外罩一半径为R2 的同心薄导体球壳,外球壳所带总电荷为而内球的电势为V0;求此系统的电势和电场的分布;题 8.2 分析: 不失一般情形,假设内导体球带电q ,导体达到静电平稳时电荷的分布如图所示,依照电荷的这一分布,利用高斯定理可求得电场分布;并由2v PpE d l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V 0、Q、R 1、R表示;题 8.2 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
4、面为高斯面,由名师归纳总结 高斯定理EdSEr4r2q0,依据不同半径的高斯面内的电荷分布,解得各区域第 1 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载内的电场分布为rR 1 时,E 1r0rR1 时,R 2R 1rR 2 时,E 2r4qr20rR 2 时,E2rQ0q4r2由电场强度与电势的积分关系,可得各相应区域内的电势分布;V 1rEdlR1E1d lR2E2dlR 2E 3d l4qR 14QR 2rR100R 1rR 2 时,V 2rEd lrR2E2dlR2E3d l4q0r4Q0rR 2 时,V 3rE3d
5、lQq40r也可以从球面电势的叠加求电势的分布;在导体球内(rR1)V 14qR 14QR 200在导体球和球壳之间(R1rR2)V 3Qq40r由题意V 1V 0q4qR 14Q00R 2得40R 1 V 0R 1R 2Q代人电场、电势的分布得名师归纳总结 rR 1 时,E 1;0V 1V 0第 2 页,共 13 页R 1rR 2 时,E2R 1 V 04R 1Qr2;V 2R 1 V 0rR 1Qr20R 2r40R 2rrR 2 时,E 3R 1 V 0R 20R 1Q;V 3R 1 V 0R 20R 1Qr24R 2r2r4R 2r题 8.3:在一半径为R1 =6.0 cm 的金属球
6、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R2 =8.0 cm,R3 =10.0 cm;设球 A 带有总电荷QA3.0108C,球壳 B带有总电荷QB.20108C;(l)求球壳 B 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;题 8.3 分析:( 1)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Q ,外表面带电荷QBQA,电荷在导体表面匀称分布,- - - - - - -精选学习
7、资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载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,外表面的电荷从大地流入的负电荷中和,球壳内表面带电 Q ;断开球壳 B 的接地后,再将球 A 接地,此时球 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 ;此时球 A 的电势可表示为由V AV A0qAqAqA0QA可求出球 A 和球壳 B 的电40R 1
8、40R 24R 3可解出球 A 所带的电荷q ,再由带电球面电势的叠加,势;解:(1)由分析可知,球A 的外表面带电3.0108C,球壳B 内表面带电3.0108C,外表面带电 5 . 0 10 8C;由电势的叠加,球 A 和球壳 B 的电势分别为V A Q A Q A Q A Q B 5 6. 10 3V4 0 R 1 4 0 R 2 4 0 R 3V B Q A Q B .4 5 10 3V4 0R 3(2)将球壳 B 接地后断开,再把球 A 接地,设球 A 带电 qA,球 A 和球壳 B 的电势为V A q A q A Q A q A 04 0 R 1 4 0 R 2 4 0 R 3Q
9、A q AV B4 0 R 3解得 q A R 1 R 2 Q 2 . 12 10 8 CR 1 R 2 R 2 R 3 R 1 R 3即球 A 外表面带电 .2 12 10 8 C,由分析可推得球壳 B 内表面带电 2 . 12 10 8C,外表面带电 0 9. 10 8C;另外球 A 和球壳 B 的电势分别为V A 02V B 7 . 92 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;名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载题
10、 8.4:地球和电离层可当作球形电容器,它们之间相距约为 系统的电容;设地球与电离层之间为真空;100 km,试估算地球电离层题 8.4 解: 由于地球半径R 16.37106m;电离层半径R 21.00105mR 16.47106m,根据球形电容器的电容公式,可得C40R 1R 24. 58102F3.26 mm,两线中心相距0.5 m,线位于地面上空很高处,R 2R 1题 8.5:两线输电线, 其导线半径为因而大地影响可以忽视;求输电线单位长度的电容题 8.5 解: 两输电线的电势差U0lndRR因此,输电线单位长度的电容CU0/lndRR0/lndR代人数据C4.861012FA 、B
11、构成的空气平板电容器被屏蔽在一金属盒K题 8.6:由两块相距0.50 mm 的薄金属板内,金属盒上、下两壁与A 、B 分别相距0.25 mm,金属板面积为30mm40mm求:(1)被屏蔽后电容器的电容变为原先的几倍;问此时的电容又为原先的几倍;( 2)如电容器的一个引脚不慎与金属屏蔽金相碰,题 8.6 分析: 薄金属板 A、B 与金属盒一起构成三个电容器其等效电路图如下列图,由于两导体间距离较小;电容器可视为平板电容器,通过分析等效电路图可求得A、B 间的电容;解:(1)如图,由等效电路可知CC23C 1C2C 3C 1d12d 22 d3,故C2C32C 1,因此A、B 间的C 2C3由于电
12、容器可视作平板电容器,且总电容C2C 1C (或者C )极板短接,其电容(2)如电容器的一个引脚与屏蔽盒相碰,相当于为零,就总电容C 3C 1题 8.7:在 A 点和 B 点之间有 5 个电容器,其连接如下列图;( 1)求 A、 B 两点之间的等效电容;(2)如 A、B 之间的电势差为 12 V,求 U AC、U CD 和 U DB ;题 8.7 解:(1)由电容器的串、并联,有名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - CACC 1C212 F优秀学习资料欢迎下载C CD C 3 C 4 8 F求得等效电容 C AB 4
13、F(2)由于 Q AC Q CD Q DB Q AB,得C AB U AC U AB 4 VC ACC AB U CD U AB 6 V C CDC AB U DB U AB 2 VC CD题 8.8:盖革米勒管可用来测量电离辐射;该管的基本结构如下列图,一半径为 R1的长直导线作为一个电极,半径为 R2 的同轴圆柱筒为另一个电极;它们之间充以相对电容率 r 1的气体;当电离粒子通过气体时,能使其电离;如两极间有电势差时,极板间有电流,从而可测出电离粒子的数量;如以.20E1 表示半径为R1 的长直导线邻近的电场强度;(1)求极板间电势的关系式; (2)如E 1106Vm1,R 10. 30m
14、m,R 220.0mm,两极板间的电势差为多少?题 8.8 解:(1)由上述分析,利用高斯定理可得E2rL1L,0就两极板间的电场强度E20r导线表面( r = R 1)的电场强度E 120R 1两极板间的电势差UR2Edr2.0R260rd r1,R 1E 1lnR 2mm,R 2200.mm时,R 1R12R 1(2)当E 110mR 1.0V30U2.52103V题 8.9:一片二氧化钛晶片,其面积为1.0 cm 2,厚度为 0.10 mm; 把平行平板电容器的两级板紧贴在晶片两侧; (1)求电容器的电容; (2)当在电容器的两板上加上 12 V 电压时,极板上的电荷为多少时,极板上的电
15、荷为多少?此时自由电荷和极化电荷的面密度各为多少?( 3)求电容器内的电场强度. r173,故布满此介质的平板电容器的电题 8.9 解:(1)查表可知二氧化钛的相对电容率容Crd0S1.53109FV的电压时,极板上的电荷(2)电容器加上U12QCU1.84108C极板上自由电荷面密度为名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 0Q1.84104Cm2优秀学习资料欢迎下载S晶片表面极化电荷密度01101.83104Cm2r(3)晶片内的电场强度为EU1.2105Vm1R = 0.10 m 的导体球带有电荷Q1.0108C,
16、导体外有两层匀称d题 8.10:如下列图,半径介质,一层介质的r.5 0,厚度d.010m,另一层介质为空气,布满其余空间;求:(1)离球心为 r = 5 cm 、15 cm、25 cm 处的 D 和 E;( 2)离球心为 的 V ;(3)极化电荷面密度;r = 5 cm 、15 cm、25 cm 处题 8.10 分析: 带电球上的自由电荷匀称分布在导体球表面,电介质的极化电荷也匀称分布 在介质的球形界面上,因而介质中的电场是球对称分布的任取同心球面为高斯面,电位移矢量D 的通量只与自由电荷分布有关,因此在高斯面D 上呈匀称对称分布,由高斯定理DdSq0可得Dr再由ED0r可得Er;介质内电势
17、的分布,可由电势和电场强度的积分关系VrE d 求得,或者由电势叠加原理求得;极化电荷分布在匀称介质的表面,其极化电荷风光密度P ;解:(1)取半径为r 的同心球面为高斯面,由高斯定理得rRD 14r20D10;E 10RrRd,D24r2QD24Q2;E 24Qrr2r0rRd,D34r2QD34Q2;E34Qr2r0将不同的 r 值代人上述两式, 可得 r = 5 cm 、15 cm 和 25 cm 时的电位移和电场强度的大小,其方向均沿径向朝 外; r1 = 5 cm,该点在导体球内,就名师归纳总结 Dr 10;Er 10r5 .0,就第 6 页,共 13 页r 2 = 15 cm,该点
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- 2022 大学物理 课后 习题 答案 电介质
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