大学物理下作业答案

大学物理II习题册详细解答第1页共53页习题一一、选择题1．如图所示，半径为R的圆环开有一小空隙而形成一圆弧，弧长为L，电荷Q均匀分布其上。空隙长为()LLR，则圆弧中心O点的电场强度和电势分别为[]（Ａ）200,44QLQiRLR；（Ｂ）2200,84QLQiRLR；（Ｃ）200,44QLQiRLR；（Ｄ）200,44QLQLiRLRL。答案：A解：闭合圆环中心场强为0，则圆弧产生的场强与空隙在圆心处产生的场强之和为0。由于空隙l非常小，可视为点电荷，设它与圆弧电荷密度相同，则所带电荷为/QLL，产生的场强为204QLiRL，所以圆弧产生的场强为204OQLEiRL；又根据电势叠加原理可得04OQUR.2．有两个电荷都是＋q的点电荷，相距为2a。今以左边的点电荷所在处为球心，以a为半径作一球形高斯面。在球面上取两块相等的小面积S1和S2，其位置如图所示。设通过S1和S2的电场强度通量分别为1和2，通过整个球面的电场强度通量为S，则［］（A）120,/Sq；（B）120,2/Sq；（C）120,/Sq；（D）120,/Sq。答案：D解：由高斯定理知0Φ=Sq。由于面积S1和S2相等且很小，场强可视为均匀。根据场强叠加原理，120,0EE，所以12Φ0,Φ0。3．半径为R的均匀带电球体的静电场中各点的电场强度的大小E与距球心的距离r的关系曲线为[]答案：BxOEOr(C)E∝1/r2REOr(A)E∝1/r2REOr(B)E∝1/r2REOr(D)E∝1/r2RE∝1/rEOr(C)E∝1/r2REOr(A)E∝1/r2REOr(B)E∝1/r2REOr(D)E∝1/r2RE∝1/rS1S2Oqq2ax大学物理II习题册详细解答第2页共53页解：由高斯定理知均匀带电球体的场强分布为302041()4qrrRREqrRr，所以选（B）。4．如图所示，一半径为a的“无限长”圆柱面上均匀带电，其电荷线密度为。在它外面同轴地套一半径为b的薄金属圆筒，圆筒原先不带电，但与地连接。设地的电势为零，则在内圆柱面里面、距离轴线为r的P点的场强大小和电势分别为[]（A）00,ln2aEUr；（B）00,ln22bEUrr；（C）00,ln2bEUa；（D）00,ln2π2bEUra。答案：C解：由高斯定理知内圆柱面里面各点E＝0，两圆柱面之间02πEr，则P点的电势为00d0ddln2π2babrrabUErrrra5．在边长为a的正方体中心处放置一点电荷Q，设无穷远处为电势零点，则在正方体顶角处的电势为（A）043Qa；（B）023Qa；（C）06Qa；（D）012Qa。答案：B解：正方体中心到顶角处的距离32ra，由点电荷的电势公式得004π23QQUra二、填空题1．真空中两平行的无限长均匀带电直线，电荷线密度分别为和，点P1和P2与两带电线共面，位置如图，取向右为坐标正方向，则P1和P2两点的场强分别为和。答案：10Eid；203Eid。x1P2Pdd2dabrP大学物理II习题册详细解答第3页共53页解：无限长均匀带电直线，在空间某点产生的场强02Ea，方向垂直于带电直线沿径向向外（0）。式中a为该点到带电直线的距离。由场强叠加原理，P1，P2点的场强为两直线产生的场强的矢量和。在P1点，两场强方向相同，均沿x轴正向；在P2点，两场强方向相反，所以100022Eiiiddd；20002323Eiiiddd2．一半径为R，长为L的均匀带电圆柱面，其单位长度带有。在带电圆柱的中垂面上有一点P，它到轴线距离为()rrR，则P点的电场强度的大小：当rL时，E_____________；当rL时，E_____________。答案：02r；204Lr。解：当rL时，带电体可视为无限长均匀带电圆柱面；当rL时，带电体可视为点电荷。3．如图，A点与B点间距离为2l，OCD是以B为中心，以l为半径的半圆路径。A、B两处各放有一点电荷，电量分别为＋q和－q。若把单位正电荷从O点沿OCD移到D点，则电场力所做的功为______________；把单位负电荷从D点沿AB延长线移到无穷远，电场力所做的功为_______________。答案：lq06；lq06。解：电场力做功与路径无关。（1）0004346DqqqUlll，00044OqqUll，00()1066ODqqAQUUll（2）00()1066DqqAQUUll4．如图所示，两同心带电球面，内球面半径为15cmr，带电荷81310Cq；外球面半径为220cmr，带电荷82610Cq。q1q2r1r2qqABCODl2l大学物理II习题册详细解答第4页共53页ORoEddldxydqQQ设无穷远处电势为零，则在两球面间另一电势为零的球面半径r__________。答案：10cm解：半径为R的均匀带电球面的电势分布为0044pqrRrUqrRR。所以，当12rrr时，1200244rqqUrr。令0rU，得cm10r。5．已知某静电场的电势分布为2281220Uxxyy，则场强分布E_______________________________________。答案：28241240Exyixyj解：电场强度与电势梯度的关系为kzUjyUixUE。由此可求得28241240Exyixyj三、计算题1．如图所示，真空中一长为L的均匀带电细直杆，总电荷为q，试求在直杆延长线上距杆的一端为d的P点的电场强度。答案：04qdLd解：带电直杆的电荷线密度为/qL。设坐标原点O在杆的左端，在x处取一电荷元/dqdxqdxL，它在P点的场强为2200ddd44qqxELdxLLdx总场强2000d4()4LqxqELLdxdLd－方向沿x轴，即杆的延长线方向。2．如图所示，一半径为R的半圆环，右半部均匀带电Q，左半部均匀带电Q。问半圆环中心O点的电场强度大小为多少？方向如何？PLddqx(L+d-x)dExO大学物理II习题册详细解答第5页共53页答案：220QR，方向水平向左。解：本题运用点电荷公式对电荷连续分布的带电体在空间产生的电场进行计算。如图所示，取电荷元2ddQqRR，则电荷元在中心O点产生的场强为022002d1d1d44QqERR由对称性可知0dOyE。所以2/20022222200000ddcos2cosdsin2OxQQQEEERRR方向沿x方向，即水平向左。3．图示为一个均匀带电的球层，其电荷体密度为，球层内表面半径为R1，外表面半径为R2。设无穷远处为电势零点，求该带电系统的场强分布和空腔内任一点的电势。答案：（1）110()ErR，33121220()()3rRERrRr，33213220()()3RRErRr；（2）222102URR。解：（1）根据电场分布的球对称性，可以选以O为球心、半径为r的球面作高斯面，根据高斯定理即可求出：2int04/Erq。在空腔内（1rR）：int0q，所以10E在带电球层内（12RrR）：33int14()3qrR，331220()3rREr在带电球层外（2rR）：33int214()3qRR，3321320()3RREr（2）空腔内任一点的电势为12123333221212122000()()d0ddd332RRrrRRrRRRUErrrrRRrr还可用电势叠加法求空腔内任一点的电势。在球层内取半径为rrdr的薄球层，其电量为2d4dqrrOR1R2大学物理II习题册详细解答第6页共53页dq在球心处产生的电势为00ddd4qrrUr整个带电球层在球心处产生的电势为2122002100dd2RRUUrrRR因为空腔内为等势区（0E），所以空腔内任一点的电势U为2202102UURR4．两个带等量异号电荷的均匀带电同心球面，半径分别为10.03mR和20.10mR。已知两者的电势差为450V，求内球面上所带的电荷。答案：-92.1410C解：设内球上所带电荷为Q，则两球间的电场强度的大小为204rQE(12RrR)两球的电势差2211122001211d44RRRRQdrQUErrRR所以-9012122142.1410CRRUQRR5．一平面圆环，内外半径分别为R1，R2，均匀带电且电荷面密度为。（1）求圆环轴线上离环心O为x处的P点的电势；（2）再应用场强和电势梯度的关系求P点的场强；（3）若令2R，则P点的场强又为多少？答案：（1）2222210()2PUxRxR；（2）2222012()2PxxExRxR；（3）当2R，22012pxExR。解：（1）把圆环分成许多小圆环。对半径为y，宽为dy的小圆环，其电量为2dqdsydy，该带电小圆环在P点产生的电势为222200142dqydydUxyxy整个园环上的电荷在P点产生的电势O1RP2Ryx大学物理II习题册详细解答第7页共53页22112222212200()22RRpRRydyUdUxRxRxy（2）2222012()2PUxxExxRxR，方向沿x正向；（3）当2R，22012pxExR习题二一、选择题1．如图所示，一均匀带电球体，总电量为+Q，其外部同心地罩一内、外半径分别为1r和2r的金属球壳。设无穷远处为电势零点，则球壳内半径为r的P点处的场强和电势为［］（A）200,44QQEUrr；（B）010,4QEUr；（C）00,4QEUr；（D）020,4QEUr。答案：D解：由静电平衡条件得金属壳内0E；外球壳内、外表面分别带电为Q和Q，根据电势叠加原理得000202QQQQUrrrr2．半径为R的金属球与地连接，在与球心O相距2dR处有一电量为q的点电荷，如图所示。设地的电势为零，则球上的感应电荷q为［］（A）0；（B）2q；（C）2q；（D）q。答案：C解：导体球接地，球心处电势为零，即000044qqUdR（球面上所有感应电荷到球心的距离相等，均为R），由此解得2Rqqqd。+Qr1r2rPORdq大学物理II习题册详细解答第8页共53页3．如图，在一带电量为Q的导体球外，同心地包有一各向同性均匀电介质球壳，其相对电容率为r，壳外是真空，则在壳外P点处(OPr)的场强和电位移的大小分别为［］（A）2200,44rQQEDrr；（B）22,44rQQEDrr；（C）220,44QQEDrr；（D）2200,44QQEDrr。答案：C解：由高斯定理得