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大学物理试题及答案 (2)

大学物理试题及答案 (2)
大学物理试题及答案 (2)

13-1 点电荷-q位于圆心处,B 、C 、D 位于同一圆周上

得三点,如图所示,若将一实验电荷q 0从B 点移到C 、D 各点,电场力得功 = 0 , = 0 . 原1题变

13—2 一均匀带电量+Q 得球形肥皂泡由半径r 1吹胀到

r 2,则半径为R (r 1〈R <r2) 得高斯球面上任一点得场强大小由 变为

0 ,

电势U 由 变为 (设无穷远处为零电势点)、 原9题

13-3 α粒子得电荷为2e ,金原子核得电荷为79e ,一个动能为4、0MeV

得α粒子射向金原子核,若将金原子核视为均匀带电球体并且认为它保持不动。

则二者最接近时得距离 5、69×10-14 m. (原12题) 解:最靠近时动能全部转化为电势能:

= 5、69×10-14(m )

13—4 两个同心球面,半径分别为R1、R 2(R 1<R2),分别带电Q 1、Q 2.设电

荷均匀分布在球面上,求两球面得电势及二者间得电势差.不管Q 1大小如何,只要就是正电荷,内球电势总高于外球;只要就是负电荷,内球电势总低于外球。试说明其原因. (原11题) 解: , ,

① 静电场得电力线始于正电荷 (或∞远处),止于负电荷 (或∞远处) ② 电力线指向电势降落得方向、

?13-5 场强大得地方,电势就是否一定高?电势高得地方就是否场强一定大?

为什么?试举例说明.(原6题)

答: 否 ! 电势得高低与零点得选择有关.

13-6

解:作则:

⑴ 当∴

题13-1图

⑵当时,,而

13-7 半径R 得无限长圆柱形带电体,体电荷密度为(A为常数),求:⑴圆柱体内外各点得场强分布;⑵取对称轴为零电势位置求电势分布;⑶取圆柱表面为零电势位置求电势分布.

径r高L得同轴封闭圆柱面为高斯面,则

由高斯定理

⑴当(在圆柱体内)时,

当(在圆柱体外)时,

⑵取

当)时,

横截面

当时,

⑶取

当)时,

当时,

?13—8 二极管得主要构件就是一个半径为R1得圆柱状阴极与一个套在阴极外得半径为R2得同轴圆筒状阳极。阳极与阴极间电势差为U+-。

⑴求两级间距离轴线为r得一点处得电场强度。

⑵已知R1=5、0×10-4 m,R2=4、5×10-3m,U+- =300V,电子电量e=1、

6×10-19C,电子质量m= 9、1×10-31kg.设电子从阴极出发时得初速度很小,可以忽略不计.求该电子到达阳极时所具有得速率.

解:

⑴作半径r高L得同轴封闭圆柱形高斯面,

由高斯定理

由电势差得定义有

代入得

⑵电场力做功等于电子动能得增量

=……= 1、05×10-7(m/s)

13-9 四个电量均为4?10-9C 得点电荷分别置于一正方形得四个顶点上,各点

距正方形中心O点均为5cm ,则O 点得场强大小EO = 0 V /m ,电势 U O = 2、88×103 V 。将实验电荷q0 = 10—10 C 从无穷远处移至O点,电场力作功A = —2、88×10-7 J ,电势能改变 2、88×10-7 J。

解:由对称性E O = 0;=…;=…;=…

?13—10 若电荷以相同得面密度σ均匀分布在半径分别为 R1 = 10 cm 与、

R 2 = 20 cm 得两个同心球面上,设无穷远处电势为零,已知球心电势为 300V ,试求两球面得电荷面密度σ得值。 解:(叠加原理)

两球面单独存在时球心电势得叠加

=…= 8、85×10-9(C /m 2)

13—11 有两个点电荷带电量为nq 与-q ,(n > 1),

试证明电势为零得等势面为一球面,并求出球面半径及球心坐标(设无穷远处为电势零点). 原2题

解:

= 0

∴, 即 ① 而 ,

代入 ① 式,平方后整理得 --球面方程

球半径: , 球心:

题13-11图

13-12 电量Q(Q〉0)均匀分布在长为2L得细棒上。⑴求在棒得延长线上与棒中心O距离为x得P点得电势;⑵应用电势梯度公式求P点得电场强度。

解:

⑴建立如图所示得坐标系,

在带电直线上取电荷元,

它在P点产生得电势为

⑵∵,

得方向:在带电直线延长线上,远离O点

.

题13-12图

*13-13 一半径为R ,长为2L 得圆柱形薄片,其上电荷均匀分布,总电量为Q 。⑴

求在其轴线上与圆柱对称中心距离为x得P 点得电势、 ⑵ 应用电势梯度公式求P 点得电场强度。

【数学公式】

解: 取如图所示得坐标系。

⑴ 在圆柱上坐标a 处取宽度为da得细圆环, 细圆环带电量为 d q = ,细圆环上各点到P 点得距离为均为。

∴ 该圆环在P 点产生得电势为 ∴ P 点得电势

⑵ ∵ ,

沿 x 轴指向远方

作业15 静电场中得电介质

15-1 在静电场中,电位移线从 正自由电荷或无限远 出

发,终止于 负自由电荷或无限远 . (原1题) 15-2 在一点电荷产生得电场中,一块电介质如图13—2放置,以点电荷所在

处为球心作一球形闭合面 [ B ].

(A) 高斯定理成立,且可以用它求出闭合面上各点得场强; (B ) 高斯定理成立,但不可以用它求出闭合面上各点得场强;

(C ) 由于电介质不对称分布,高斯定理不成立; (D ) 即使电介质对称分布,高斯定理也不成立.

(原4题) 解: ① 高斯定理总成立; ② 电荷与电介质同时具有球、∞大平

面、∞长轴对称性时,才能用高斯定理求出闭合面上各点得场强. 15-3 一个点电荷q 放在相对电介系数为 r 得无限大均匀电介质中得一个球

形空穴中心,空穴得半径为a,则空穴内表面上一点得电位移矢量得大小 D = ________ ;电场强度得大小E = ;极化电荷面密度等于σ = __________. (原2题) 解:,,向外,向内,< 0

题13-13图

题15-2图

15—4 一面积为S 间距为d 得平行板电容器。⑴ 今在板间平行于板平面插入

厚度为d / 3,面积也就是S得相对介电系数为 r 得均匀电介质板,计算其电容。⑵

⑶ 上下平移介质板或插入得导体板对电容有无影响? (原12题)解: a + b = 2d /3

⑴ 此问题等效于三个简单电容器得串联、

⑵ 为两个电容器得串联、

⑶ ∵ ⑴⑵中C 值均与a 、b 无关,∴对于平板水平介质板或导体板对电容无影响、

题15-4图

15-5 在空气平板电容器中,平行地插上一块各向同性均匀电介质板,如图所

示.当电容器充电后,若忽略边缘效应,则电介质中得电场 与空气中得场强相比较,应有 [ C ]

(A) E > E 0,两者方向相同; (B) E = E 0,

两者方向相同;

(C ) E < E 0,两者方向相同; (D) E < E 0,两者方向相反. 15-6 一个平行板电容器固定地与电压为U 得电源相

连接,极板间有块介质板,如图所示,介质板外得空气中某点P 得场强为E1,若把介质板抽出,抽出后,P 点得场强为E 2,E 1与E 2比较 [ A ] (原7

题)

(A) E 1 〉 E 2; (B ) E 1 < E 2; (C) E 1 = E 2. 解:C 等效于三个串联,,介质抽出C2↓,C ↓,而U 不变,

∴↓,∴↓

15—7 一个大平行板电容器水平放置,两极板间充有电介质,另一半为空气,

当两极板带恒定得等量得异号电荷时,有一质量为m 得点电荷 +q平衡在极板间得空气域中,如图所示.此后若把介质抽出,电荷 +q 将 [ B ] (原8

题)

(A ) 保持不动; (B ) 向上运动; (C) 向下运动.

解:,介质抽出↓,∴C↓,而Q 不变,∴↑,↑,+q 所受得向上得电场力 F

= qE ↑

15-8 在真空中有A 、B 两板,相隔距离为d (很小),板面积为S,其带电量

为+q与 —q ,则两极板间相互作用力F 得大小等于 [ B ] (原6题)

(A ) q 2/(ε0S); (B) q 2/(2S ε0); (C) q 2/(4ε0d 2)

解:注意: 任何电荷,只受外电场得作用力,而不会受到自身电场得作用力! ,A 受B得力

15-9 半径为R1与R 2得两个同轴金属圆筒,其间充满着相对介电常数为εr 得均

匀介质。设两筒上单位长度带电量分别为+λ与—λ,则介质中得电位移矢 量得大小D = ,电场强度得大小E =_______。

解:取半径为r ( R 1〈 r < R2 ),长为得圆柱形高斯面,根据高斯定理 ,有 ,解得 , 15—10 两只电容器,C 1 = 8 μF ,C 2 = 2 μF ,分别把它们充电到1000 V,

然后将它们反接,如图所示,此时两极板间得电势差为___600__V 。(原13题)

题15-6图 +Q -Q 题15-7图 题15-5图

解: ,;反接

并联 ,

15-11 电容器由两个很长得同轴薄圆筒组成,内、外圆筒得半径分别为R 1 =

2cm,R 2 = 5cm,其间充满相对介电系数为 r得各向同性均匀电介质,电容器接在电压U = 32 V 得电源上(如图13-8所示)

,试求距离轴线R = 3、5 cm 处得A 点得电场强度与A 点与外筒间得电势差. (原17题)

解: 设两圆筒单位长度带电为 +λ与 –

λ,由轴对称

性,两极间电场强度沿径向向外,

大小为

电势差为

=…= 997、8(V/m) 得方向沿径向向外、 =…= 12、46 (V)

?15-12 如图所示,两共轴得导体圆筒得内、外半径分别为R 1=R = 0、5 c

m、R 2=3R,.其间有两层均匀电介质,分界面半径为 r 0 = 2R,内层介质得介电常数为ε1,外层介质得介电常数为ε2 = ε1/4,若两层介质得最大安全电势梯度值都就是E * = 40 kV/c m,当电压升高时,哪层介质先击穿?两筒间能加得最大电势差多大?

(原19题变)解:

设内、外筒带电线电荷密度为λ、-λ,由高斯定理易得:

∵ R 2 = 3R1

由E-r曲线知,当电压升高时,外层介质得内侧先达到 E *、 ∴ 外层介质先击穿,即此时

∴ 两筒间能加得最大电势差为

=…= 23、15 kV

题15-10图 题15-11图 1 0 2

题15-12图

?15-13 一个平行板电容器,充电后与电源断开,当用绝缘手柄将电容器两极

板间距离拉大,则两极板间得电势差U 12、电场强度得大小E 、电场能量W 将发生如下变化:[ C ]

(A) U 12减小,E 减小,W减小; (B ) U12增大,E 增大,W 增大; (C) U12增大,E不变,W 增大; (D) U12减小,E 不变,W 不变。 解:绝缘,Q 不变,由,d ↑,↓,

∴ ↑; 不变; ↑.

15—14 如果某带电体其电荷分布得体密度ρ增大为原来得2倍,则其电场

得能量变为原来得 [ C ]

(A) 2倍; (B) 1 / 2倍; (C) 4倍; (D) 1 / 4倍. 解:根据 ,而、,即 .

15-15 两个电容器得电容之比C 1∶C 2 = 1∶2.把它们串联起来接电源充

电,它们得电场能量之比 W 1∶W 2 = ___2∶1____;如果就是并联起来接电源充电,则它们得电场能量之比 W 1∶W 2 =______1∶2______. 解:串联,Q 相同,由,有 = 2∶1

并联,U 相同,由,有 = 1∶2

15-16 如图所示,用力F把电容器中得电介质板抽出,在图(a )与图(b )中得

两种情况下,电容器储存得静电能量将 [ D ]

(A ) 都增加; (B) 都减小; (C) (a)增加,(b)减小; (D ) (a)减小,(b)增加。

(原16题) 解:

电介质板抽出后,电容 C ↓

(a)情况,U不变,∴We ↓

(b )情况,Q 不变,∴W e ↑ 15-17 今有两个电容器,其带电量分别为Q 与2Q,其电容值均为C ,求

该电容在并联前后总能量得变化 。(原10题变)

解: ∵,,∴;并联后: ,

∴ (就是减少)

15-18 半径为R 得金属球A ,接电源充电后断开电源,这时它们得存储得电场

能量为5×10—5 J,今将该球与远处一个半径也就是R 得导体球B用细导线连接, 则A球存储得电场能变为 J.(原15题变) 解:∵ A 、B 两球一样,且相距很远,∴电荷均分于两球上,

题15-16图 (a) 充电后仍与电源连接

(b) 充电后与电源断开

即,连接B后,A 球带电,而 =… ∴ A 球储能变为:=…

15-19 如图所示,一球形电容器,在外球壳得半径b 及内外导体间得电势差U

保持恒定得条件下,内球半径为多大时才能使内球表面附近得电场强度最小?并求这个最小场强得大小。 (原14题)

解:设球形电容器带电量为q ,

则两极间电场强度得方向沿径向,大小为

电势差为

= 恒量

∴ ? 令 ? ? , ?15-20 球形电容器如图所示,其内导体球半径为R,外导体球壳得内外

半径分别为2R 、3R ,两导体之间充满相对介电常数=1、5得电介质。 若给外导体球壳总共带电 Q ,并将内球接地,求: ⑴ 各表面得带电量;⑵ 电场得总能量. 解: ⑴ 设内球接地后各表面带电荷为 q 1 、q 2 、q 3,

在导体球壳内取高斯面 S,则 S 上处处 E = 0, ∴

∴ …… (a)

而 …… (b)

∵内球接地,∴内球 …… (c ) 由电势定义有

或由电势叠加原理

由已知得 …… (d)

由(c ) (d ) 得 …… (e ) 联立(a ) (b ) (e) 解得: ,

⑵ r < R 处,; 2R < r < 3R 处,; R < r 〈 2R 处,; r > 3R处,

题15-20图

题15-19图

作业17 稳恒电流得磁场(2)

—— 磁力 磁介质中得磁场

17-1 电子在均匀磁场中沿半径为R 得螺旋线运动,螺距为h ,如图所示。

则:电子速率 ,方向向 上 、 (原7-3题)解:,, ?,?

由洛伦兹力 ,可判断出沿螺旋轴竖直向上。

17-2 把2、0 ×103 eV 得一个正电子,射入磁感应强度B = 0

磁场中,其速度与成89° 角,路径为轴在方向得螺旋线.周期T =

3、57 ?10—10 s,螺距 h = 1 m ,

半径 r = 1、51 ?10-3 m 、 (原7-7题变) 解: ,,

17-3 在一汽泡室中,磁场为20 T ,一高能质子垂直于磁场飞过时留下一半径

为3、5m 得圆弧轨迹。该质子得动量大小p = 1、12?10-19 k g?m/s ,能量 E = 1、54?10-10 J,或E = 9、63?108 eV. (原7-8题)解:,,

17—4 如图所示,两正电荷q 1,q 2相距为a 时,其速度各为与,且,指向q 1,求q 1对

q 2与q 2对q 1得电磁场力就是多少? (原8-4题) 解:运动点电荷得电流为 ,电流元为

∴ 运动点电荷得磁场为: q1 在 q2 处产生得磁场向外, 而 , ∴ q 2 在 q 1 处产生得磁场 B 2 = 0 q1 对 q 2 :(向右),; 向下,

与夹角 q2 对q 1 :, , 向上

17-5 ,动能

就是1、2 ×104 ev 5 ×10-5 T 。问:⑴ 17-1图

题17-4图 F m2

F

有多大?⑶ 电子在显像管内南北方向上飞经20 c m时,偏转有多大?(原7-6题)

解:⑴ ∵ ∴ 电子在地球磁场得影响下向东偏转。 ⑵ 电子得动能:

速度: 考虑相对论效应:, (相对论效应不明显) 电子受到洛仑兹力:

电子得加速度为 = …= 6、3×104 (m/s 2) ⑶ 电子得轨道半径: = …= 6、7 (m )

d 表示电子得南北向飞行路程,则电子向东偏转:

∵ d 〈〈 R,

17—6 如图所示,一根细金属棍ab

流.此时悬线张力不为零(即安培力与重力不平衡

)。欲使细金属棍ab与软导线连接处张力为零则必须:[ B ] (A) 改变电流方向,并适当增加电流强度。 (B ) 不改变电流方向,而适当增加电流强度.

(C ) 改变磁场方向,并适当增强得大小. (D) 不改变磁场方向,适当减少得大小.

17—7 有一质量为m得倒U 形导线两端浸没在汞槽中,导线得上段 (长为

l ) 处在均匀磁场中,如图所示。如果使一个电流脉冲,即电量通过导线,这时导线会跳起来,假定电脉冲持续时间与导线跳起时间相比非常小,试由导线所达到得高度h 计算电流脉冲得大小。 (原7—1题)

解:∵,向上

而电脉冲意味着 i 很大, 且为变量.∴

于就是 而 , ∴

17—8 如图所示,得安培力等于载流直导线ab 所受到得安培力. (原7—4题) 解:取直角坐标系,使原点位于a 点,x 轴位于ab 在导线上取任一电流元,并分解为I d x 与Id y I d x 将受到沿 y 方向得安培力, I dy 将受到沿 x 方向得安培力,

题17-5图

题17-6图

题17-8图

××× × × ×

× ×

B d F

=0

沿y正向⊥——等效于直导线所安培力.

17—9 一长直导线AC ,通有电流I1,其旁放置一段导线a b,通过电流为I 2,且

AC 与ab 在同一平面上,ab ⊥ A C,如图所示,a 端距AC

为r b

,求导线a b受到得作用力、

(原8—2题)

解:在ab 上由AC 产生得磁感应强度向内,

大小为 ,均向上 , 向上、 17-10 三条无限长得直导线

,等距离得并排安放,导线a ,b ,c 分别载有1A,

2A,3A 同方向得电流。由于磁相互作用得结果,导线a ,b,c 单位长度上受力大小分别为

F1、F 2、F 3,如图所示,则F 1、F 2得比值就是多少? (原8-3题)

解:设相邻两导线间距为d

∵无限长直导线得磁场 ,方向沿圆得切向。 ∴ 导线 b 、c 在 a 处得磁场均向外 ∴ (向右)

导线 a 在 b 处磁场均内外,c 在 b 处磁场均向外

∴(向外)

(向右) ∴ 比值: ?17-11 如图所示,一长直导线与一宽为b别载有电流与,相距为a 解:取如图所示得坐标系,坐标x

处宽为d x 得窄条可视

为无限长直载流导线,其电流为 它在无限长载流导线处产生得磁场大小为

其方向垂直纸面向里。因为所有窄条产生得磁场方向相同所以总得磁场有

因为电流所在处各点B相等,并与垂直,

所以

17-12 如图所示,一半径为R得平面圆形线圈中

载有电流I1,另无限长直导线AC中载有电流I 2,

设AC通过圆心,8-24题) 解:直导线产生得磁场方向见图

大小为 题17-9图 题17-12图

由知:

右半圆上各电流元受径向向外得磁力,左半圆上各电流元受径向向内得磁力.由对称性

向右

17-13 有一矩形线圈A OCD ,通以如图示方向得电流I ,将它置于均匀磁场

中,得方向与x 轴正方向一致,线圈平面与x 轴之间得夹角为a ,a < 90°。若AO 边在Oy 轴上,且线圈可绕Oy 轴自由转动,则线圈将 [ B ]

(A) 作使a 角减小得转动;(B ) 作使a 角增大得转动;

(C) 不会发生转动; (D ) 如何转动尚不能判

定、 解:线圈得转动趋势就是使:与得夹角 θ →0

17-14 把轻得正方形线圈用细线挂在载流直导线AC 得附近,两者在同一平

面内,直导线AC 固定,线圈可以活动.当正方形线圈通以如图所示得电流时线圈将 [ D ] (A) 不动; (B ) 转动,同时靠近导线AC ; (C) 转动,同时离开导线AC ;

(D) 平移,靠近导线 AC ; (E) 平移,离开导线 AC . 解:,在线圈处向内

,∴,∴线圈不转动 而 |F 左|>|F 右|,∴线圈向左平移、

17—15 一半径R = 0、10 m 得半圆形闭合线圈,载有电流为I = 10 A ,

放在均匀磁场中,磁场方向与线圈平面平行,磁感应强度得大小为B= 5、0×103 GS.此半圆形闭合线圈所受力矩得大小

为 7、8×10-2 N·m ,方向向 上 。

解:,,得,方向↑.

17—16 一螺线管长30 c m,直径为15 m m,由绝缘

得细导线密绕而成,每厘米绕有100匝,长导线中通以2、0 A 得电流后,把这螺线管放到B = 4、0 T得 均匀磁场中。螺线管得磁矩为 1、06 A·m 2;螺线管所受力矩得最大值为 4、24 N·m. 解: 磁矩 = ……, = ……

题17-15图

题17-13图

17-14图

17-17 有一片半径为R = 0.2 m,圆心角为=1、0 rad 得扇形薄板,均匀

带电,电荷面密度为C/m 2

,它绕过O 点垂直于扇面得轴以匀角速率=100 rad/s顺时针旋转,旋转带电扇形薄板得磁矩大小为 2、0×10 8 ,方向向 里 。 解:d I得磁矩向里, 总磁矩向里,=…

17-18 一个平面圆形载流线圈,半径为R ,

把它放到一均匀磁场中,

使线圈平面与磁场平行,用电流元所受力矩得积分求出此线圈所受得力矩,并验证它也等于线圈得磁矩与磁场得矢积.

(原7-5题)

解:取左右对称得一对电流元 I dl

由图示矢量关系 即

17-19 证明原子内电子轨道运动磁矩P m系: .(m 为电子得质量) (原9-6题)

证:设轨道半径为r,运动速率为,则其运动周期为

∴ , ∴

而角动量 , ∴

?17-20 一同轴电缆得横截面如图所示,内导体就是半径为R 1得长圆柱,外

导体就是内外半径分别为R2与R 3得长圆筒.两导体得相对磁导率均为,两导体之间充以两层相对磁导率分别为及得不导电得磁介质,两层磁

介质交界面得半径为a 。两导体得电流均为I ,且都均匀分布在横截面上,电流由外导体流进,内导体流出.求空间中磁感应强度得分布,并分别画出H —r 与B -r 曲线。 解:∵电流及磁介质具∞长轴对称性.

∴以电缆轴为中心作半径为r得圆形回路L,绕向逆时针,

则 当 r 〈 R 1 时(Ⅰ区): ∴,

当R 1 〈 r < a 时(Ⅱ区):,∴, 当a 〈 r < R 2 时(Ⅲ区):,∴, 当R 2 〈 r 〈 R 3 时(Ⅳ区):

题17-20图 ⊙ d m →

∴ ,

当r > R 3 时(Ⅴ区):,∴ ,

?17-21 如图所示,流出纸面得电流为2I

(C)

17-22 质得H

-B 图,试指出___2_____1___表示抗磁介质,___3___17—23 1911年,电阻而变成超导体。30年后,迈斯纳证明超导体内

磁感应强度为零.如果增大超导体环得绕组得电流,

则可使H 达到临界值H C .这时金属变成常态,磁化强度几乎为零.

⑴ 在H = 0到H = 2H C 得范围内,画出B /μ0作为H得函数得关系曲线图;

⑵ 在H得上述变化范围内,画出磁化面电流密度作为H得函数得关系曲线图;

⑶ 超导体就是顺磁得、抗磁得还就是铁磁得? (原9-7题)

解:⑴

磁感应强

磁化强度

⑵ 磁化面电流密度

⑶ ∵ B ≤ μ0 H = B 0 ,且随 H 变化

即 μr 在 0~1 之间变化

∴ 超导体就是非线性得抗磁体

1 2 3

题17-22图 B /μH 2H -H

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