大连理工大学大学物理作业及答案详解1-22

大连理工大学大学物理作业及答案详解作业1（静电场一）1．关于电场强度定义式，下列说法中哪个是正确的？[]A．场强E的大小与试探电荷0q的大小成反比。B．对场中某点，试探电荷受力F与0q的比值不因0q而变。C．试探电荷受力F的方向就是场强E的方向。D．若场中某点不放试探电荷0q，则0F，从而0E。答案：【B】[解]定义。场强的大小只与产生电场的电荷以及场点有关，与试验电荷无关，A错；如果试验电荷是负电荷，则试验电荷受的库仑力的方向与电场强度方向相反，C错；电荷产生的电场强度是一种客观存在的物质，不因试验电荷的有无而改变，D错；试验电荷所受的库仑力与试验电荷的比值就是电场强度，与试验电荷无关，B正确。2．一个质子，在电场力作用下从A点经C点运动到B点，其运动轨迹如图所示，已知质点运动的速率是递增的，下面关于C点场强方向的四个图示哪个正确？[]答案：【D】[解]amEq，质子带正电且沿曲线作加速运动，有向心加速度和切线加速度。存在向心加速度，即有向心力，指向运动曲线弯屈的方向，因此质子受到的库仑力有指向曲线弯屈方向的分量，而库仑力与电场强度方向平行（相同或相反），因此A和B错；质子沿曲线ACB运动，而且是加速运动，所以质子受到的库仑力还有一个沿ACB方向的分量（在C点是沿右上方），而质子带正电荷，库仑力与电场强度方向相同，所以，C错，D正确。3．带电量均为q的两个点电荷分别位于X轴上的a和a位置，如图所示，则Y轴上各点电场强度的表示式为E=，场强最大值的位置在y。答案：jyaqyE23220)(2，2/ay[解]21EEE)(422021yaqEE关于y轴对称：cos2,01EEEyxjyaqyjEEy23220)(2沿y轴正向的场强最大处0dydEyyayyadydE2)(23)(252223222/ay2/ay处电场最强。4．如图所示，在一无限长的均匀带点细棒旁垂直放置一均匀带电的细棒MN。且二棒共面，若二棒的电荷线密度均为，细棒MN长为l，且M端距长直细棒也为l，那么细棒MN受到的电场力为。答案：2ln202，方向沿MN[解]坐标系建立如图：MN上长为dx的元电荷dxdq受力EdqdF。无限长带电直线场强xE02，方向：沿x轴正向。2ln2202202dxxdFFll；方向沿x轴正向。5．用不导电的细塑料棒弯成半径为R的圆弧，两端间空隙为llR，若正电荷Q均匀分布在棒上，求圆心处场强的大小和方向。解：设棒上电荷线密度为，则：lRQ2,根据叠加原理，圆心处场强可以看成是半径为R,电荷线密度为的均匀带电园环（带电量为RQ21）在圆心处产生的场强1E与放在空隙处长为l，电荷线密度为的均匀带电棒（可以看成是点电荷lq）在圆心产生的场强2E的叠加。即：210EEE;)ˆ(4,020012RRqEEERlRRlQRRlEˆ)2(4)ˆ(420200(方向从圆心指向空隙处)。6．如图所示，将一绝缘细棒弯成半径为R的半圆形，其上半段均匀带有电荷Q，下半段均匀带有电量Q，求半圆中心处的电场强度。解：按题给坐标，设线密度为，有：)2/(RQ。上下段分割，任意dQ在圆心产生)(Ed对称性：)2(2,00yyoyoxEEEEE，cosdEdEy方向沿y轴负方向。7．线电荷密度为的“无限长”均匀带电细线，弯成图示形状，若圆弧半径为R，试求O点的场强。答案：按题给坐标，O点的场强可以看作是两个半无限长直导线、半圆在O点产生场强的叠加。即：3210EEEE由对称性，1E和2E在y方向的矢量和为零；在x方向矢量和是单根的2倍。上半无限长导线取电荷元dxdq1，它在O点的场强沿x方向的分量：222201)(41xRxxRqdxdExRxRxRxRdxRxxRdxEx002222220022220141)()(81)(41REExx0212，iREE0212由对称性，3E在y方向的分量为零。在圆弧上取电荷元Rddq3，它在O点的场强的x方向分量，cos41203RRddEx20220202004cos2cos42cos2RQRdRRdQdEERRRdEx02220321cos41，iRE032103210EEEE8．一个金属球带上正电荷后，质量有所增大？减小？不变？答案：理论上说金属带正电后因失去电子，质量有所减少，但测量很困难。9．以点电荷为中心，半径为R的球面上，场强的大小一定处处相等吗？答案：如果点电荷是静止孤立的且周围介质均匀分布，则半径为R的球面上，场强大小一定处处相等，在其它情形，不一定处处相等。比如，点电荷周围还有其它的带电体，则球面上的场强应是各场强的叠加，可能不处处相等。作业21．如图所示，把点电荷q从高斯面外P移到R处OPOR，O为S上一点，则[].A穿过S的电通量e发生改变，O处E变.Be不变，E变。.Ce变，E不变。.De不变，E不变。答案：【B】[解]闭合面外的电荷对穿过闭合面的电通量无贡献，或者说，闭合面外的电荷产生的电场，穿过闭合面的电通量的代数和为零；移动点电荷，会使电荷重新分布，或者说改变电荷的分布，因此改变了O点的场强。2．半径为R的均匀带电球面上，电荷面密度为，在球面上取小面元S，则S上的电荷受到的电场力为[]。.A0.B202S.C20S.D2204SR答案：【B】解：应用高斯定理和叠加原理求解。如图所示。面元S上的电荷受到的库仑力是其他电荷在面元S处产生的总电场强度1E与面元S上的电荷量SQ的乘积：111ESEQF。面元S处电场强度E是面元S电荷在此产生的电场强度2E与其他电荷在面元S处产生的总电场强度1E的矢量和，21EEE。首先，由高斯定理求得全部球面分布电荷在面元S处产生的总电场强度REˆ0其次，面元S上的电荷量SQ对于面元S来说，相当于无限大带电平面，因此，面元S上的电荷量SQ在面元S处产生的电场强度为REˆ202由叠加原理，其他电荷在面元S处产生的总电场强度为REEEˆ2021面元S上的电荷量SQ受到的库仑力为RSRSESEQFˆ2ˆ2020111注：本题可以用叠加原理直接进行计算，太麻烦。3．如图所示，一个带电量为q的点电荷位于立方体的A角上，则通过侧面abcd的电场强度通量等于[]。.A06q.B012q.C024q.D048q答案：【C】[解]：如果以A为中心，再补充上7个相同大小的立方体，则组成一个边长为小立方体边长2倍大立方体，点电荷q位于大立方体的中心。由高斯定理，穿过大立方体表面的电通量为0/q，大立方体的6个正方形表面相对于点电荷q是对称的，所以，穿过大立方体一个侧面的电通量是总电通量的61，即穿过大立方体一个侧面（可以考虑abcd所在的侧面）的电通量为06q。大立方体一个侧面，是由4个小立方体一个侧面组成的，而这4个小立方体侧面对于点电荷q也是对称的，所以，穿过小立方体一个侧面的电通量是穿过大立方体一个侧面的电通量的41，即穿过小立方体一个侧面的电通量为024q。4．一半径为R长为L的均匀带电圆柱面，其单位长度带电量为，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。解：当Lr时，在柱体中垂面附近，带电柱体可以被看作无限长。以带电柱体的轴为对称轴，过P点作一个高为l（Ll）的柱面为高斯面，如图所示。则由对称性，柱面高斯面的上下底面处电场强度处处与高斯面的法线垂直，电通量为零；柱面高斯面的侧面上，电场强度近似处处相等，并与高斯面的法线方向平行。则穿过高斯面的总电通量为rlESdESdESdESdESdESSSSS22321而高斯面包围的电荷量为lQ由高斯定理，得到02lrlE，rE02如果Lr，则带电柱面体可以被看作点电荷，则204rLE注：本题可以使用电场强度叠加原理求解。即将柱面电荷分布微分成线电荷分布。5．半径为R的不均匀带电球体，电荷体密度分布为Ar，式中r为离球心的距离rR，A为常数，则球体上的总电量Q。[解]取半径为r、厚度为dr的球壳。认为球壳内电荷分布是均匀的drrArdrrdQ324)(4ARdrrAdrrrQRR430204)(46．如图所示，一质量61.610mkg的小球，带电量11210qC，悬于一丝线下端，丝线与一块很大的带电平面成30角。若带电平面上电荷分布均匀，q很小，不影响带电平面上的电荷分布，求带电平面上的电荷面密度。解：方法一：受力分析：小球在重力gmG（垂直方向），绳中张力T（与带电平面成30度角）及静电Eqf（水平方向）的共同作用下而处于受力平衡状态。其中E为无限大均匀带电平面（电荷面密度为）产生的均匀电场，)2/(0E，方向应水平向左0cosmgT0sinTqE116120102338.9106.11085.822qmgtg6100.8（c/m2）方法二：利用高斯定理选择一个柱面为高斯面，柱面的轴垂直于带电平面，柱面包括带电小球并穿过带点平面。由于小球的带电量相对平面的带电量很小则小球的电量q在高斯面中忽略不计。7．大小两个同心球面，半径分别为1221,RRRR，小球上带有电荷0qq，大球上带有电荷0QQ。试分别求出1212,,rRrRRrR时，离球心O为r处的电场强度。解：由于电荷、电场分布具有球对称性，可利用高斯定理求场强。取高斯面321,,SSS如图所示。011SdES（r1R），0421rE01E(r〈1R)022qSdES0224qrErrrqE2024(2Rr1R)0234QqrErrrQqE2034(r3R)8．两个无限长同轴圆柱面，半径分别为1R和2R21RR，带有等值异号电荷，每单位长度的电量为（即电荷线密度）。试分别求出1212,,rRrRRrR时，离轴线为r处的电荷密度。解：由于电荷、电场分布具有轴对称性，可利用高斯定理求场强，取长为L的同轴柱面加上、下底面为高斯面。当高斯柱面的半径r满足：r1R时：011SdES，021lE，01E2Rr1R时：022SdES，022rlE，rrEr022r2R时：0033SdES，03E9．半径为R、电荷体密度为的均匀带电球体内部，有一个不带电的球形空腔，空腔半径为/R，其中心/O到球心O的距离为a，如图所示，求/OO的延长线上距球心O为r处的电场强度。解：利用场强叠加原理，所求场强可看成半径R，电荷密度的均匀带电球体与半径/R，电荷密度的均匀带电球体（球心位于/O处）产生场强的叠加，/EEEP。这两球各自产生的场强具有球对称性，利用高斯定理，有rrRrrQEˆ434ˆ420320OPr'ˆ434'ˆ420320rrRrrQEPOr'/arr//ˆˆrr，rrarRrRrarRrrREEEP