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(大学物理交通大学下册答案
11-3.将一“无限长”带电细线弯成图示形状,设电荷均匀分布,电荷线密度为,四分之一圆弧的半径为,试求圆心点的场强。
解:以为坐标原点建立坐标,如图所示。
①对于半无限长导线在点的场强:
有:
②对于半无限长导线在点的场强:
有:
③对于圆弧在点的场强:有:
∴总场强:,,得:。
或写成场强:,方向。
11-11.一球体内均匀分布着电荷体密度为的正电荷,若保持电荷分布不变,在该球体中挖去半径为的一个小球体,球心为,两球心间距离,如图所示。求:
(1)在球形空腔内,球心处的电场强度;
(2)在球体内P点处的电场强度,设、、三点在同一直径上,且。
解:利用补偿法,可将其看成是带有电荷体密度为的大球和带有电荷体密度为的小球的合成。
(1)以为圆心,过点作一个半径为的高斯面,根据高斯定理有:
,方向从指向;
(2)过点以为圆心,作一个半径为的高斯面。根据高斯定理有:
,方向从指向,
过点以为圆心,作一个半径为的高斯面。根据高斯定理有:
,
∴,方向从指向。
11-17.如图所示,半径为的均匀带电球面,带有电荷,沿某一半径方向上有一均匀带电细线,电荷线密度为,长度为,细线左端离球心距离为。设球和线上的电荷分布不受相互作用影响,试求细线所受球面电荷的电场力和细线在该电场中的电势能(设无穷远处的电势为零)。
解:(1)以点为坐标原点,有一均匀带电细线的方向为轴,
均匀带电球面在球面外的场强分布为:()。
取细线上的微元:,有:,
∴(为方向上的单位矢量)
(2)∵均匀带电球面在球面外的电势分布为:(,为电势零点)。
对细线上的微元,所具有的电势能为:,
∴。
11-19.如图所示,一个半径为的均匀带电圆板,其电荷面密度为(>0)今有一质量为,电荷为的粒子(>0)沿圆板轴线(轴)方向向圆板运动,已知在距圆心(也是轴原点)为的位置上时,粒子的速度为,求粒子击中圆板时的速度(设圆板带电的均匀性始终不变)。
解:均匀带电圆板在其垂直于面的轴线上处产生的电势为:
,那么,
,
由能量守恒定律,,
有:
12-7.平板电容器极板间的距离为d,保持极板上的电荷不变,插入厚度为t(td)的,求无时和插入后极板间电势差的比求无时和插入后极板上的电荷的比。(1),面电荷密度为。
无金属板时电势差为:,
有金属板时电势差为:,
电势差比为:;
(2)设无金属板时极板带电量为,面电荷密度为,
有金属板时极板带电量为,面电荷密度为。
由于,有,即
∴。
12-11.图示一球形电容器,在外球壳的半径及内外导体间的电势差维持恒定的条件下,内球半径为多大时才能使内球表面附近的电场强度最小?求这个最小电场强度的大小。
解:由高斯定理可得球形电容器空间内的场强为:,
而电势差:,
∴,那么,场强表达式可写为:。
因为要考察内球表面附近的场强,可令,有:,
将看成自变量,若有时,出现极值,那么:
得:,此时:。
13-4.在两个带等量异号电荷的平行金属板间充满均匀介质后,若已知自由电荷与极化电荷的面电荷密度分别为与(绝对值),试求:(1)电介质内的场强;(2)相对介电常数。
解:(1)由:,有:
(∵给出的是绝对值)
又由,有:。
13-7.一圆柱形电容器,外柱的直径为,内柱的直径可以适当
选择,若其间充满各向同性的均匀电介质,该介质的击穿电场强度
大小为,试求该电容器可能承受的最高电压。
解:由介质中的高斯定理,有:,
∴,
∵击穿场强为,∴,则,
令,有:,∴,
∴。
13-12.一平行板电容器的板面积为,两板间距离为,板间充满相对介电常数为的均匀介质,分别求出下述两种情况下外力所做的功:(1)维持两板上面电荷密度不变而把介质取出;(2)维持两板上电压不变而把介质取出。
解:(1)维持两板上面电荷密度不变,有介质时:,
(,)
取出介质后:,
外力所做的功等于静电场能量的增加:;
(2)维持两板上电压不变,有介质时:,
取出介质后:,
∴。
14-6.在半径的无限长半圆柱形金属片中,有电流自下而上通过,如图所示。试求圆柱轴线上一点处的磁感应强度的大小。
解:将半圆柱形无限长载流薄板细分成宽为的长直电流,
有:,利用。
在P点处的磁感应强度为:,
∴,而因为对称性,
那么,。
14-10.如图所示,两无限长平行放置的柱形导体内通过等值、反向电流,电流在两个阴影所示的横截面的面积皆为,两圆柱轴线间的距离,试求两导体中部真空部分的磁感应强度。
解:因为一个阴影的横截面积为,那么面电流密度为:
,利用补偿法,将真空部分看成通有电流,设
其中一个阴影在真空部分某点处产生的磁场为,距离
为,另一个为、,有:。
利用安培环路定理可得:
,,
则:,,
∴。
即空腔处磁感应强度大小为,方向向上。
14-14.如图所示一个带有电荷)的粒子,以速度平行于均匀带电的长直导线运动,该导线的
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