《新编基础物理学答案》_第11章

第11章恒定电流与真空中的恒定磁场1第11章恒定电流与真空中的恒定磁场11-1电源中的非静电力与静电力有什么不同？答：在电路中，电源中非静电力的作用是，迫使正电荷经过电源内部由低电位的电源负极移动到高电位的电源正极，使两极间维持一定的电位差。而静电场的作用是在外电路中把正电荷由高电位的地方移动到低电位的地方，起到推动电流的作用；在电源内部正好相反，静电场起的是抵制电流的作用。电源中存在的电场有两种：1、非静电起源的场；2、稳恒场。把这两种电场与静电场比较，静电场由静止电荷所激发，它不随时间的变化而变化。非静电场不由静止电荷产生，它的大小决定于单位正电荷所受的非静电力，kFEq。当然电源种类不同，kF的起因也不同。11-2静电场与恒定电场有什么相同处和不同处？为什么恒定电场中仍可应用电势概念？答：稳恒电场与静电场有相同之处，即是它们都不随时间的变化而变化，基本规律相同，并且都是位场。但稳恒电场由分布不随时间变化的电荷产生，电荷本身却在移动。正因为建立稳恒电场的电荷分布不随时间变化，因此静电场的两条基本定理，即高斯定理和环路定理仍然适用，所以仍可引入电势的概念。11-3一根铜导线表面涂以银层，当两端加上电压后，在铜线和银层中，电场强度是否相同？电流密度是否相同？电流强度是否相同？为什么？答：此题涉及知识点：电流强度dsIjs，电流密度概念，电场强度概念，欧姆定律的微分形式jE。设铜线材料横截面均匀，银层的材料和厚度也均匀。由于加在两者上的电压相同，两者的长度又相等，故铜线和银层的场强E相同。由于铜线和银层的电导率不同，根据jE知，它们中的电流密度j不相同。电流强度dsIjs，铜线和银层的j不同但相差不太大，而它们的横截面积一般相差较大，所以通过两者的电流强度，一般说来是不相同的。11-4一束质子发生侧向偏转，造成这个偏转的原因可否是：（1）电场？（2）磁场？（3）若是电场或者是磁场在起作用，如何判断是哪一种场？答：造成这个偏转的原因可以是电场或磁场。可以改变质子的运动方向，通过质子观察运动轨迹来判断是电场还是磁场在起作用。第11章恒定电流与真空中的恒定磁场211-53个粒子，当它们通过磁场时沿着如题图11-5所示的路径运动，对每个粒子可作出什么判断？答：根据带电粒子在磁场中所受的洛伦兹力规律，通过观察运动轨迹的不同可以判断三种粒子是否带电和带电种类。11-6一长直载流导线如题图11-6所示，沿Oy轴正向放置，在原点O处取一电流元dIl，求该电流元在（a，0，0），（0，a，0），（a，a，0），（a，a，a）各点处的磁感应强度B。分析：根据毕奥-萨伐尔定律求解。解：由毕奥-萨伐尔定律03dd.4πIrlrΒ原点O处的电流元dIl在（a，0，0）点产生的Β为：000332ddd(d)4π4π4πIIlIljaiBalkkaaadIl在（0，a，0）点产生的Β为：0032ddd()0,4π4πIlIlaaajjBjjdIl在（a，a，0）点产生的Β为：00232dd()d.4π16π(2)IlIljaiajBkaadIl在（a，a，a）点产生的Β为00233dd()d().4π36π(3)IlIlaaaaajijkBik题图11-5题图11-6第11章恒定电流与真空中的恒定磁场311-7用两根彼此平行的长直导线将半径为R的均匀导体圆环联到电源上，如题图11-7所示，b点为切点，求O点的磁感应强度。分析：应用毕奥-萨伐尔定律分别求出载流直导线L1和L2以及导体圆环上并联的大圆弧大ab和小圆弧小ab在O点产生的磁感应强度，再利用磁感应强度的矢量叠加来求解。解：先看导体圆环，由于大ab和小ab并联，设大圆弧有电流1I，小圆弧有电流2I，必有：12IRIR大小由于圆环材料相同，电阻率相同，截面积S相同，实际电阻与圆环弧的弧长l大和l小有关，即：12,IlIl大小则1I在O点产生的1B的大小为0112,4πIlBR大而2I在O点产生的2B的大小为02212.4IlBBR小1B和2B方向相反，大小相等.即120BB。直导线1L在O点产生的30B＝。直导线2L在O点产生的RIB404，方向垂直纸面向外。则O点总的磁感强度大小为RIBB4040方向垂直纸面向外题图11-7第11章恒定电流与真空中的恒定磁场411-8一载有电流I的长导线弯折成如题图11-8所示的形状，CD为1/4圆弧，半径为R，圆心O在AC，EF的延长线上.求O点处磁场的场强。分析：O点的磁感强度Β为各段载流导线在O点产生磁感强度的矢量和。解：因为O点在AC和EF的延长线上，故AC和EF段对O点的磁场没有贡献。CD段00,48CDIIBRRDE段0002(cos45cos135).4242/2DEIIIBaRRO点总磁感应强度为000112824DECDIIIBBBRRR方同垂直纸面向外.11-9.在真空中，有两根互相平行的无限长直导线1L和2L，相距0.1m，通有方向相反的电流，1I=20A,2I=10A，如题图11-9所示．a，b两点与导线在同一平面内．这两点与导线2L的距离均为5.0cm．试求a，b两点处的磁感应强度，以及磁感应强度为零的点的位置．分析：先根据无限长载流直导线的磁感应强度公式，由矢量叠加即可求出空中某场点的合场强。解：如题图9-8所示,aB方向垂直纸面向里401021.210(T)2π(0.10.05)2π0.05aIIBbB方向垂直纸面向外502011.3310(T)2π0.052π(0.10.05)bIIB设0B在2L外侧距离2L为r处则题图11-8题图11-9第11章恒定电流与真空中的恒定磁场5010202π(0.1)2πIIrr解得0.1mr11-10如题图11-10所示．一无限长薄电流板均匀通有电流I，电流板宽为a，求在电流板同一平面内距板边为a的P点处的磁感应强度。分析：将无限长薄电流板分割成许多无限长载流直导线，应用无限长载流直导线产生的磁场dB公式，然后积分求解总的磁感应强度。注意利用场的对称性。解：在电流板上距P点x处取宽为d.x并平行于电流I的无限长窄条，窄条中的电流为dd.IIxadI在P点处产生的磁感强度为0dd,2IBx方向垂直纸面向里。整个电流板上各窄条电流在P点处产生的dB方向相同，故2000dddln22π2π2πaaIIIBBxxxaa方向垂直纸面向里。11-11在半径1cmR的“无限长”半圆柱形金属薄片中，有电流5IA自下而上地通过，如题图11-10所示。试求圆柱轴线上一点P处的磁感应强度。分析：将半圆柱形金属薄片分割成许多无限长载流直导线，应用无限长载流直导线产生的磁场dB公式，将dB按坐标轴分解后再积分求解总的磁感应强度。注意利用场的对称性。解：如解11-10图所示，无限长载流半圆形金属薄片可看成由许多宽为ddlR的无限长电流窄条所组成，每根导线上的电流在P点产生的磁场dB大小为0dd2πIBR，方向按右手螺旋法则确定。dddππIIIlRRR002ddd.2π2πIIBRR解图11-10解11-10图题图11-10题图11-11第11章恒定电流与真空中的恒定磁场6由于各电流窄条产生的磁场方向各不相同，应按坐标轴分解将矢量积分化为标量积分，即00220dddsinsin,2xxIIBBBRR020dddcoscos0.2yyIBBBR所以502456.3710(T)10xIBBR方向向右。11-12在半径为R及r的两圆周之间，有一总匝数为N的均匀密绕平面线圈（如题图11-12）通有电流I，求线圈中心（即两圆圆心）处的磁感应强度。分析：将密绕平面线圈分割成许多同心的圆电流，利用载流圆环在其圆心处产生的磁场dB公式求解，然后再积分求解总的磁感应强度。解：由于载流螺旋线绕得很密，可以将它看成由许多同心的圆电流所组成，在沿径向r到R范围内，单位长度的线圈匝数为.NnRr任取半径，宽为d的电流环，该电流环共有电流为dd.INInRr该电流环在线圈中心产生的磁感强度大小为00ddd.22()INBInRr圆心处总磁感强度大小00ddln,2()2()RrININRBBRrRrr方向垂直纸面向外。11-13如题图11-13所示，在顶角为2的圆锥台上密绕以线圈，共N匝，通以电流I，绕有线圈部分的上下底半径分别为r和R.求圆锥顶O处的磁感应强度的大小.分析：将密绕线圈看成许多载流圆环，利用载流圆环在其轴线上产生的磁场公式dB公式，再积分求解总的磁感应强度。题图11-12题图11-13第11章恒定电流与真空中的恒定磁场7解：只要将题11-12中的均匀密绕平面线圈沿通过中心的轴垂直上提，便与本题条件相一致，故解题思路也相似。如解图11-12建立坐标，取半径为，宽为d的电流环的密绕线圈，其含有匝数为dNRr，通电流为dd.NIIRr因为cotx，ddcotx。半径为的一小匝电流在O点产生的dB大小为2200223/22223/2ddd2(+)2(+cot)()INIBxRr3003sindd.2csc()2()NINIRrRr所有电流产生的磁场方向均沿x轴，所以其磁感强度大小为3300sinsindln.2()2()RrNINIRBRrRrr11-14半径为R的木球上绕有细导线，所绕线圈很紧密，相邻的线圈彼此平行地靠着，以单层盖住半个球面共有N匝，如题图11-14所示。设导线中通有电流I，求在球心O处的磁感应强度。分析：考虑线圈沿圆弧均匀分布，利用载流圆环在其轴线上产生的磁感应强度公式求解，再积分求解总的磁感应强度。解：建立如解图11-14所示坐标，x轴垂直线圈平面，考虑线圈沿圆弧均匀分布，故在dxxx内含有线圈的匝数为22dddd./2NNNNlRRR线圈中通电流I时，中心O点处磁感强度为20223/2dd.2()IyBNxy因为sin,cos,xRyR对整个半球积分求得O点总磁感强度为解图11-12解图11-13题图11-14第11章恒定电流与真空中的恒定磁场820223/2dd2()IyBBNxy20cosdINR04INR方向沿x轴正向。11-15一个塑料圆盘，半径为R，带电q均匀分布于表面，圆盘绕通过圆心垂直盘面的轴转动，角速度为.试证明（1）在圆盘中心处的磁感应强度为02qBR（2）圆盘的磁偶极矩为2m14pqR分析：均匀带电圆盘以角速度旋转时相当于圆电流，利用载流圆环在其圆心处产生的磁场公式求解，再积分求解总的磁感应强度。解：（1）在圆盘上取一个半径为r、宽为dr的细圆环，其所带电量为2d2d2dqqrrrrR圆盘转动后相当于圆电流22ddd2dπqqrrInqrrRR若干个圆电流在圆心产生的磁感强度为00020ddd222RIqqrrBBrrRR（2）细圆环的磁矩为32m22ddddqrqrpSIrrrRR转动圆盘的总磁矩为32m201d4RqrprqRR方向沿轴向。11-16已知一均匀磁场的磁感应强度B=2T，方向沿x轴正方向，如题图11-16所示。试求:（1）通过图中ABCD面的磁通量；（2）通过图中BEFC面的磁通量；（3）通过图中AEFD面的磁通量。分析：应用磁通量概念求解。解：（1）取各面由内向外为法线正方向。则题图11-16第11章恒定电流与真空中的恒定磁场922cos24010