高中物理竞赛试题分类汇编—电磁学
物理竞赛电磁学习题集(含解答)
清北书院中学生物理竞赛讲义—电磁学总论物理规律的得到—-格物致理（复杂的问题抽象出简单的本质及规律）;反之，物理规律的应用-—关键是图景要清晰,并且具有和谐、对称、统一的美。
数学王后抽象奇思妙想可幻想,不一定有解物理国王直观图景构建大自然提出的问题，有解解题策略构建图景→正确关联物理定理或律→数学描述与表达→严密计算→系统回顾→得出结论注意事项：系统回顾→得出结论。
未给定的条件,应全面考察各种情况,极限情况、任意情况（最后推广到极限情况)高中物理主干知识与核心知识电磁①两种场:电场和磁场②稳恒电流③电磁感应哪些知识需要加深拓宽?如何加深拓宽?电磁中要适当加宽的内容点电荷电场的电势公式（不要求导出）电势叠加原理均匀带电球壳壳内和壳外的电势公式（不要求导出)电容电容器的连接平行板电容器的电容公式(不要求导出）电容器充电后的电能ﻫ电介质的极化介电常数ﻫ一段含源电路的欧姆定律基尔霍夫定律惠斯通电桥补偿电路液体中的电流法拉第电解定律气体中的电流被激放电和自激放电(定性）ﻫ真空中的电流示波器ﻫ半导体的导电特性Ｐ型半导体和Ｎ型半导体晶体二极管的单向导电性三极管的放大作用(不要求机理）超导现象ﻫ感应电场(涡旋电场）自感系数整流、滤波和稳压三相交流电及其连接法感应电动机原理第一章 真空中的静电场例题１如图所示,电荷量为ｑ1的正点电荷固定在坐标原点O 处,电荷量为q ２的正点电荷固定在x 轴上，两电荷相距l ．已知q 2=2ｑ1．(i)求在x 轴上场强为零的P 点的坐标。
(ii)若把一电荷量为q ０的点电荷放在P 点,试讨论它的稳定性（只考虑ｑ0被限制在沿x 轴运动和被限制在沿垂直于x 轴方向运动这两种情况）。
【解答例示】（i)通过对点电荷场强方向的分析，场强为零的P 点只可能位于两点电荷之间。
设Ｐ点的坐标为x 0,则有201x q k=202)(x l q k - （1） 已知ｑ2=2ｑ１ (2）由(1)、（２)两式解得x ０=l )12(- (3）(ii ）先考察点电荷q ０被限制在沿x 轴运动的情况。
物理竞赛金牌题典——高中物理
奥赛金牌题典——高中物理——第六章电磁学方法 修改内容A 类题：（更换更换200：A1、P 。
204：A4、P 。
207：A6、P 。
208：A7四题）A1．如图6-1所示，一接地的无限大水平放置的导体平板的上方有一点电荷Q ，Q 到平板的距离为h ，试求：（1）从点电荷Q 出发时沿着水平方向（即平行于导体平板）的电场线碰到导体表面时的位置；（2）从点电荷Q 到导体平板的垂足O 点处的场强； （3）点电荷Q 与导体平板之间的相互作用力。
分析：由于导体平板无限大，故平板将其整个下方屏蔽起来了（可将无限大平板视为半径R 趋于无限大的球壳，从而易得上述结论），同时板上出现了感应电荷。
只要分析出感应电荷的作用，则整个电场就清楚了，其他问题就得到了解决。
解：先分析感应电荷的作用：因板的下方被屏蔽起来，故下方场强处处为零。
这是感应电荷的电场与电荷 Q 的电场叠加的结果。
说明感应电荷对板下方空间的作用等效于在电荷Q 处的-Q 。
由于感应电荷分布在板上，其对空间的作用关于板对称，故感应电荷对其上方空间的作用等效于置于与Q 对称位置处的-Q 电荷，如图6-2所示。
（1）此处讨论的空间在板上方，故感应电荷的作用在B 处用-Q 代替。
电力线从Q 发出，Q 发出的电力线总数（即其周围闭合面的总的电通量）为0εψQ=电力线形状如图6-3所示。
该电力线绕轴AB 旋转一周，形成一个曲面，而其终止于板上的点P ，也画出一半径为r 的圆。
可以看到，由于电力线不相交，故通过圆弧的电力线条数为2/ψ。
（因为在 E 0下方发出的电力线条数与从其上方发出的电力线条数相同，又圆面的电通量）（即电力线条数）由A 处Q 与B 处-Q 产生的通量叠加。
于是有()ψεπθπε212124cos 120220=•=⨯-•=Q R R Q式中0εQ为电荷Q 发出的总电力线条数。
()224/cos 12R R πθπ-表示角θ内包含的电力线占总条数的比例（点电荷电力线球对称）。
中学生物理竞赛预赛1-32届电磁学分类整理(无答案)
电磁（32-5）某同学用电荷量计（能测出一段时间内通过导体横截面积的电荷量）测量地磁场强度，完成了如下实验:如图，将面积为S ，电阻为R 的矩形导线圈abcd 沿图示方向水平放置于地面某处，将其从图示位置绕东西轴转动180°，测得通过线框的电荷量为Q1;将其从图示位置绕东西轴转动90°，测得通过线框的电荷量为Q2。
该处地磁场的磁感应强度大小为（ ） A. 22214Q Q S R + B. 2221Q Q S R + C. 2122212Q Q Q Q S R ++ D. 212221Q Q Q Q SR ++ （32-9）在“利用电流传感器（相当于理想电流表）测定干电池电动势和内阻”的实验中，某个同学利用两个电流传感器和定值电阻R0=2019Ω以及滑动变阻器，设计了如图a 所示的电路，进行实验。
该同学的实验数据如下表；表中I1和I2分别为通过电流传感器1和2的电流。
该电流的值通过数据采集器传输到计算机，数据采集器和计算机对原电路的影响可忽略。
（1） 在图b 中绘出I1~I2图线；（2） 在I1~I2图线中得出，干电池的电动势为________V ,内阻为________Ω。
（32-13）有一块长条形的纯净半导体硅，其横截面积为2.52cm ，通有电流2mA 时，其内自由电子定向移动的平均速率为s m 5105.7-⨯，空穴定向移动的平均速率为s m 5105.2-⨯。
已知硅的密度为33104.2m kg⨯，原子量是28，电子的电荷量大小为C e 19106.1-⨯=。
若一个硅原子至多释放一个电子，试估算此半导体材料中平均多少个硅原子中有一个硅原子释放出自由电子？阿伏伽德罗常数为1231002.6-⨯=mol Na e 。
（32-14）电子感应加速器利用变化的磁场来加速电子，电子绕平均半径为R 的环形轨道（轨道位于真空管道内）运动，磁感应强度方向与环形轨道平面垂直，电子被感应电场加速，感应电场的方向与环形轨道相切，电子电荷量为e 。
高中物理竞赛-电磁学3
叫霍耳电势差（或霍耳电压）．
解： 若导体板中电子的浓度为n，电流为I，
FL e(v B)
EK
FL e
(v B)
EH EK (v B)
U H EHb vBb I ne(bd)v
则霍耳电势差为:
UH
1 ne
IB d
霍耳系数：
RH
1 ne
左运动。整个装置放在垂直于水平面向下的均匀磁场
中，其磁感应强度为 B ．如果小球 P1 从管的 N 端离开后，最终能与
u P2 相碰，试求满足此要求的 2 的可能取值。（ P1 在管中运动对管的
压力忽略不计。）
解 u 因 1 ，小球 P1 受指向N端的洛伦兹力： F qu1B
其沿MN方向的加速度为： a F qu1B mm
2 π(l 2x)
0I 2L 2kl 4kx
2 π l(1 2x ) l
0I 2L 1 2x 2kl 4kx
2πl l
F μ0 I 2 L 2x 4kx 2πl l
4k Δl x 4kx l
4 Δl 1kx l
T π m (1 a)k
a Δl l
1 μ0I 2L 1 π kl02
2m r3
m IS
令上式中的x=0，得
B(x 0) 0 I
2R
线圈的磁矩
★细长密绕通电螺线管内轴线上的磁感应强度
B 0nI
式中n是螺线管单位长度上线圈的匝数.
★电流面密度为JS的无限大均匀载流 平面的磁感应强度
B
0
2
JS
x
R I
三、安培力 载流导体受安培力运动
安培力公式： F Il B
磁场
一、磁感应强度和磁感应通量 二、几种典型电流的磁感应强度 三、安培力 载流导体受安培力运动 四、洛仑兹力 电荷受电磁场力的运动
高中物理竞赛—电磁学(详版)-第四章 电磁介质4.4有磁介质时的磁场性质4.6导体、电磁介质界面上的
求H—M—B
与螺绕环类比
方法二：M——I’——B——H B和M方向一致为
H B M 0
0
B 0H 0M
B 0i' 0M
2004.4
北京大学物理学院王稼军编
谢谢观看！
2004.4
北京大学物理学院王稼军编
2020高中物理竞赛
电磁学
两种介质分界面上的边界条件
要点：
界面上介质的性质有一突变，这将导致静电场也会 有突变
0
L内
I'
用上述公式计算磁场遇到麻烦
磁化电流和B互相牵扯，难于测量和控制，通 常也是未知的
B-S定律和安培环路定理以已知电流分布为前 提
解决的办法——需要补充或附加有关磁介 质磁化性质的已知条件
2004.4
北京大学物理学院王稼军编
有介质时，第四章中给出的安培环路定理
可理解为
I' M dl
0
t
0 S
t
恒定电流 0 0 ( j2 j1) n 0或j2n j1n
t
2004.4
北京大学物理学院王稼军编
结论
两种不同介质的分界面上，两部分介质的
、、不同相应地有三组边界条件
磁介质界面上，B法向连续，H切向连续
n (B2 B1) 0 n (H2 H1) 0
电介质界面上，D法向连续，E切向连续
n (D2 D1) 0 n (E2 E1) 0
以上设界面上没有自由电荷和无传导电流
两种导体界面上，j法向连续，E切向连续
n(
j2
j1)
0
t
2004.4
n (E2 E1) 0
北京大学物理学院王稼军编
电流线、电场线和磁感应线 在边界上的“折射”
物理竞赛1-35届真题分类16(电磁学2)
T
图
y ，y′
v O
0
E
α x
图
′
csg.竞赛.真题分类 7 / 51
Ey ′ = 0 Ez ′ = Esinα （5） 磁感应强度 B 的分量为 Bx ′ = 0 By ′ = 0 Bz ′ = B （6）
带电粒子所受到的电场力的分量为 fEx ′ = qEx ′ = qEcosα fEy ′ = 0 fEz ′ = qEz ′ = qEsinα （7） 当带电粒子速度为 v 时，带电粒子所受到磁场力的分量为 fBx ′ = qvy′B fBy ′ = －qvx ′B fBz ′ = 0 （8） （i）关于带电粒子在 Ox′y′ 平面内的分运动 现设想起始时刻带电粒子沿 y′ 轴正方向的初速度 v0 用下式表示 v0 = v0 + v1－ v1= v2－ v1 式中 v2 = v0 + v1 （9） 现把 v0 看成沿 y′ 轴负方向运动的速度 v1 和沿 y′ 轴正方向运动的 v2 的合成．这样， 与前者联系的运动使带电粒子受到沿 x′ 轴的负方向的磁场力作用，它与电场力的分量 fEx ′ 的方向相反，当 v1 取数值
α α C z ′ B N 的最 x
粒子由 O 经过半个圆周到达 N ′ ，所经历 短时间为圆周运动的半个周期
πm t0 = = （4） 2 qB 2．以 y 轴为旋转轴，顺时针 转动 α 角，建立新坐标系 Ox′y′z′ ，如图 2 所示．在新 坐标系中电场强度 E 的分量为 Ex ′ = Ecosα
受电场力作用，其加速度
O
ω t ′
x
图 3
csg.竞赛.真题分类 8 / 51
qEz ′ qE = sinα （14） m m 即粒子沿着 z ′ 轴以加速度 az ′ 做匀加速直线运动． （iii）关于粒子在 Ox′y′z′ 坐标系中的运动方程 az ′ =
高中物理竞赛电磁学习题1
高中物理竞赛
电磁学1
姓名：班级：成绩：
1.AB是一根均匀带电+Q长为L的绝缘棒,求在距A点为r(L=)的P点的场强。
2.半径分别为2r，4r，6r的3个同心导体球壳,球心有点电荷Q,另有ABC三点到球心Q的距离分别为r,3r,5r,要使这三点电场强度相等,三个球面各需带电荷多少?
3.一个半径为R的半球面,均匀地带有电荷,电荷的面密度为σ,求球心O处的电场强度
4.如图所示，一半径为R的均匀带正电圆环，其电荷线密度为λ．在其轴线上有A、B两点，它们与环心的距离分别为R，2R. 一质量为m、电荷为q的粒子从A点运动到B点．求：在此过程中电场力所作的功．
5.如图所示，半径为R的绝缘圆环由直径AB分成的两半部分各均匀带有正、负电荷。
正负电荷的电量都是Q。
试证明过直径AB的直线是一条电势为零的等势线。
6.两个正点电荷Q1=Q和Q2=4Q分别置于固定在光滑绝缘水平面上的A、B两点，A、B两点相距L，且A、B两点正好位于水平放置的光滑绝缘半圆细管两个端点的出口处，如图所示．
（1）现将另一正点电荷置于A、B连线上靠近A处静止释放，求它在AB连线上运动过程中达到最大速度时的位置离A点的距离．
（2）若把该点电荷放于绝缘管内靠近A点处由静止释放，已知它在管内运动过程中速度为最大时的位置在P处．试求出图中PA和AB连线的夹角θ．
7.两个相同的电偶极子反向放置，其负电荷重合。
求其延长线上距离中心处为r 的点P 处的电势与场强。
2020高中物理竞赛-电磁学篇(电磁场理论)06电磁波的辐射：小电流环—磁偶极子天线 (共12张PP
1
I
2 0
π
Re
0
E H
2πr 2sind
320π
4
s
2
2
【例】 设导线的长度为1米，求制作成圆环和电 偶极子天线的辐射电阻。电磁振荡频率为1MHz
电偶极子天线
小圆环天线
Rr
80π 2
L
2
0.88102
Rr
2P
I
2 0
320π
4
s
2
2
2.44 108
计算结果表明，同样频率、同样长度的导线制作
成小电流环天线的辐射阻抗远小于制作电偶极子 天线的辐射阻抗。这说明小电流环天线辐射电磁 波的能力远小于电偶极子天线。其原因何在？
4 小电流环与磁偶极子等效
在静态电磁场中，恒定小电流环可用磁偶极子等 效。在时变电磁场中，置于坐标原点的磁偶极子
m eˆ zm 的磁矢势〔参考（6-1-12)式〕为：
Ar, , jk0
电磁场理论
Electromagnetic Theory 2020高中物理竞赛 （电磁学篇）
6.3 小电流环—磁偶极子天线
1 小电流环天线结构
电流环上通有随时间谐变的电流，电流的振幅为 恒量，数学上可表示为：
如果电流环半径很小，考虑到是随位置变化的，将
其在球坐标系中表示，即
J r eˆ I0 z a
jk
r
1
1 jkr
1kLeabharlann 2Er E 0E
0 0
I0k 2ssin
4πr
e jkr
1
1
jk
r
近场区电磁场
kr 1,exp jkr 1
H
r
高中物理竞赛试题分类汇编—电磁学
全国中学生物理竞赛分类汇编三、（15分）测定电子荷质比（电荷q与质量m之比q／m）的实验装置如图所示。
真空玻璃管内，阴极K发出的电子，经阳极A与阴极K之间的高电压加速后，形成一束很细的电子流，电子流以平行于平板电容器极板的速度进入两极板C、D间的区域。
若两极板C、D间无电压，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的O点；若在两极板间加上电压U，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P点；若再在极板间加一方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场，则打到荧光屏上的电子产生的光点又回到O点。
现已知极板的长度l＝5.00cm，C、D间的距离d＝l.50cm，极板区的中点M到荧光屏中点O的距离为L＝12.50cm，U＝200V，P点到O点的距离 3.0==cm；B＝6.3×10－4T。
试求电子的荷质比。
（不计重力y OP影响）。
五、（15分）如图所示，两条平行的长直金属细导轨KL、PQ固定于同一水平面内，它们之间的距离为l，电阻可忽略不计；ab和cd是两根质量皆为m的金属细杆，杆与导轨垂直，且与导轨良好接触，并可沿导轨无摩擦地滑动。
两杆的电阻皆为R。
杆cd 的中点系一轻绳，绳的另一端绕过轻的定滑轮悬挂一质量为M的物体，滑轮与转轴之间的摩擦不计，滑轮与杆cd之间的轻绳处于水平伸直状态并与导轨平行。
导轨和金属细杆都处于匀强磁场中，磁场方向垂直于导轨所在平面向上，磁感应强度的大小为B。
现两杆及悬物都从静止开始运动，当ab杆及cd杆的速度分别达到v1和v2时，两杆加速度的大小各为多少？八、（17分）如图所示的电路中，各电源的内阻均为零，其中B 、C 两点与其右方由1.0Ω的电阻和2.0Ω的电阻构成的无穷组合电路相接。
求图中10μF 的电容器与E 点相接的极板上的电荷量。
第21届复赛五、(20分)如图所示，接地的空心导体球壳内半径为R ，在空腔内一直径上的P 1和P 2处，放置电量分别为q 1和q 2的点电荷，q 1＝q 2＝q ，两点电荷到球心的距离均为a ．由静电感应与静电屏蔽可知：导体空腔内表面将出现感应电荷分布，感应电荷电量等于－2q ．空腔内部的电场是由q 1、q 2和两者在空腔内表面上的感应电荷共同产生的．由于我们尚不知道这些感应电荷是怎样分布的，所以很难用场强叠加原理直接求得腔内的电势或场强．但理论上可以证明，感应电荷对腔内电场的贡献，可用假想的位于腔外的（等效）点电荷来代替（在本题中假想(等效)点电荷应为两个），只要假想的（等效）点电荷的位置和电量能满足这样的条件，即：设想将整个导体壳去掉，由q 1在原空腔内表面的感应电荷的假想（等效）点电荷1q '与q 1共同产生的电场在原空腔内表面所在位置处各点的电势皆为0；由q 2在原空腔内表面的感应电荷的假想（等效）点电荷2q '与q 2共同产生的电场在原空腔内表面所在位置处各点的电势皆为0．这样确定的假想电荷叫做感应电荷的等效电荷，而且这样确定的等效电荷是唯一的．等效电荷取代感应电荷后，可用等效电荷1q '、2q '和q 1、q 2来计算原来导体存在时空腔内部任意点的电势或场强．1．试根据上述条件，确定假想等效电荷1q '、2q '的位置及电量． 2．求空腔内部任意点A 的电势U A ．已知A 点到球心O 的距离为r ，OA 与1OP 的夹角为θ ．七、（25分）如图所示，有二平行金属导轨，相距l ，位于同一水平面内（图中纸面），处在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向竖直向下（垂直纸面向里）．质量均为m的两金属杆ab和cd放在导轨上，与导轨垂直．初始时刻，金属杆ab和cd分别位于x = x0和x = 0处．假设导轨及金属杆的电阻都为零，由两金属杆与导轨构成的回路的自感系数为L．今对金属杆ab施以沿导轨向右的瞬时冲量，使它获得初速v．设导轨足够长，0x也足够大，在运动过程中，两金属杆之间距离的变化远小于两金属杆的初始间距x，因而可以认为在杆运动过程中由两金属杆与导轨构成的回路的自感系数L是恒定不变的．杆与导轨之间摩擦可不计．求任意时刻两杆的位置x ab和x cd以及由两杆和导轨构成的回路中的电流i三者各自随时间t的变化关系．第20届预赛四、(20分）从z轴上的O点发射一束电量为q（＞0）、质量为m的带电粒子，它们速度统方向分布在以O点为顶点、z轴为对称轴的一个顶角很小的锥体内（如图所示），速度的大小都等于v．试设计一种匀强磁场，能使这束带电粒子会聚于z轴上的另一点M，M点离开O点的经离为d．要求给出该磁场的方向、磁感应强度的大小和最小值．不计粒子间的相互作用和重力的作用．七、（20分）图预20-7-1中A和B是真空中的两块面积很大的平行金属板、加上周期为T的交流电压，在两板间产生交变的匀强电场．己知B板电势为零，A板电势U A随时间变化的规律如图预20-7-2所示，其中U A的最大值为的U0，最小值为一2U0．在图预20-7-1中，虚线MN表示与A、B扳平行等距的一个较小的面，此面到A和B的距离皆为l．在此面所在处，不断地产生电量为q、质量为m的带负电的微粒，各个时刻产生带电微粒的机会均等．这种微粒产生后，从静止出发在电场力的作用下运动．设微粒一旦碰到金属板，它就附在板上不再运动，且其电量同时消失，不影响A、B板的电压．己知上述的T、U 0、l ，q 和m 等各量的值正好满足等式20222163⎪⎭⎫ ⎝⎛=T m q U l 若在交流电压变化的每个周期T 内，平均产主320个上述微粒，试论证在t ＝0到t ＝T ／2这段时间内产主的微粒中，有多少微粒可到达A 板（不计重力，不考虑微粒之间的相互作用）。
高中物理竞赛习题专题之《电磁场典型必练例题》(Word版包含答案详解》
高中物理竞赛习题之电磁场经典例题一、选择题1. 如图所示将一个电量为q 的点电荷放在一个半径为R 的不带电的导体球附近，点电荷距导体球球心为d ，参见附图。
设无穷远处为零电势，则在导体球球心O 点有（ ）（A ）dεq V E 0π4,0==（B ）dεq V d εq E 020π4,π4== （C ）0,0==V E（D ）Rεq V d εq E 020π4,π4== 解析： 达到静电平衡时导体内处处各点电场强度为零。
点电荷q 在导体球表面感应等量异号的感应电荷±q′，导体球表面的感应电荷±q′在球心O 点激发的电势为零，O 点的电势等于点电荷q 在该处激发的电势。
因而正确答案为（A ）。
2、在图（ａ）和（ｂ）中各有一半径相同的圆形回路L1 、L2 ，圆周内有电流I1 、I2 ，其分布相同，且均在真空中，但在（ｂ）图中L2 回路外有电流I3 ，P 1 、P 2 为两圆形回路上的对应点，则（ ）（A ） ⎰⎰⋅=⋅21L L d d l B l B ，21P P B B = （B ） ⎰⎰⋅≠⋅21L L d d l B l B ，21P P B B = （C ） ⎰⎰⋅=⋅21L L d d l B l B ，21P P B B ≠ （D ） ⎰⎰⋅≠⋅21L L d d l B l B ，21P P B B ≠ 解析：由磁场中的安培环路定律，积分回路外的电流不会影响磁感强度沿回路的积分；但同样会改变回路上各点的磁场分布．因而正确答案为（C ）．3、对位移电流，下述四种说法中哪一种说法是正确的是（ ）（A ） 位移电流的实质是变化的电场（B ） 位移电流和传导电流一样是定向运动的电荷（C ） 位移电流服从传导电流遵循的所有定律（D ） 位移电流的磁效应不服从安培环路定理解析：位移电流的实质是变化的电场．变化的电场激发磁场，在这一点位移电流等效于传导电流，但是位移电流不是走向运动的电荷，也就不服从焦耳热效应、安培力等定律．因而正确答案为（A ）．4.将形状完全相同的铜环和木环静止放置在交变磁场中，并假设通过两环面的磁通量随时间的变化率相等，不计自感时则（ ）（A ） 铜环中有感应电流，木环中无感应电流（B ） 铜环中有感应电流，木环中有感应电流（C ） 铜环中感应电动势大，木环中感应电动势小（D ） 铜环中感应电动势小，木环中感应电动势大分析与解 根据法拉第电磁感应定律，铜环、木环中的感应电场大小相等，但在木环中不会形成电流．因而正确答案为（A ）．二、计算题5、如图所示，有三个点电荷Q 1 、Q 2 、Q 3 沿一条直线等间距分布且Q 1 ＝Q 3 ＝Q .已知其中任一点电荷所受合力均为零，求在固定Q 1 、Q 3 的情况下，将Q 2从点O 移到无穷远处外力所作的功.解析：由库仑力的定义，根据Q 1 、Q 3 所受合力为零可求得Q 2 .外力作功W ′应等于电场力作功W 的负值，即W ′＝－W .求电场力作功的方法有两种：(1)根据功的定义，电场力作的功为l E d 02⎰∞=Q W 其中E 是点电荷Q 1 、Q 3 产生的合电场强度.(2) 根据电场力作功与电势能差的关系，有()0202V Q V V Q W =-=∞其中V 0 是Q 1 、Q 3 在点O 产生的电势(取无穷远处为零电势).解1 由题意Q 1 所受的合力为零()02π4π420312021=+d εQ Q d εQ Q 解得 Q Q Q 414132-=-=由点电荷电场的叠加，Q 1 、Q 3 激发的电场在y 轴上任意一点的电场强度为 ()2/322031π2y d εQ E E E yy y +=+=将Q 2 从点O 沿y 轴移到无穷远处，(沿其他路径所作的功相同，请想一想为什么？)外力所作的功为()d εQ y y d εQ Q Q W y 022/3220002π8d π241d =+⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⋅-='⎰⎰∞∞l E 解2 与解1相同，在任一点电荷所受合力均为零时Q Q 412-=，并由电势的叠加得Q 1 、Q 3 在点O 的电势dεQ d εQ d εQ V 003010π2π4π4=+= 将Q 2 从点O 推到无穷远处的过程中，外力作功dεQ V Q W 0202π8=-=' 比较上述两种方法，显然用功与电势能变化的关系来求解较为简洁.这是因为在许多实际问题中直接求电场分布困难较大，而求电势分布要简单得多.6、在一半径为R １ ＝6.0 cm 的金属球A 外面套有一个同心的金属球壳B ．已知球壳B 的内、外半径分别为R 2＝8.0 cm ，R 3 ＝10.0 cm ．设球A 带有总电荷Q A ＝3.0 ×10－８C ，球壳B 带有总电荷Q B ＝2.0×10－８C ．（１） 求球壳B 内、外表面上所带的电荷以及球A 和球壳B 的电势；（2） 将球壳B 接地然后断开，再把金属球A 接地，求金属球A 和球壳B 内、外表面上所带的电荷以及球A 和球壳B 的电势．解析：（１） 根据静电感应和静电平衡时导体表面电荷分布的规律，电荷Q A 均匀分布在球A 表面，球壳B 内表面带电荷－Q A ，外表面带电荷Q B ＋Q A ，电荷在导体表面均匀分布［图（ａ）］，由带电球面电势的叠加可求得球A 和球壳B 的电势．（2） 导体接地，表明导体与大地等电势（大地电势通常取为零）．球壳B 接地后，外表面的电荷与从大地流入的负电荷中和，球壳内表面带电－Q A ［图（ｂ）］．断开球壳B 的接地后，再将球A 接地，此时球A 的电势为零．电势的变化必将引起电荷的重新分布，以保持导体的静电平衡．不失一般性可设此时球A 带电q A ，根据静电平衡时导体上电荷的分布规律，可知球壳B 内表面感应－q A ，外表面带电q A －Q A ［图（c ）］．此时球A 的电势可表示为0π4π4π4302010=-+-+=R εQ q R εq R εq V A A A A A 由V A ＝0 可解出球A 所带的电荷q A ，再由带电球面电势的叠加，可求出球A 和球壳B 的电势．解 （１） 由分析可知，球A 的外表面带电3.0 ×10－８C ，球壳B 内表面带电－3.0 ×10－８C ，外表面带电5.0 ×10－８C ．由电势的叠加，球A 和球壳B 的电势分别为V 106.5π4π4π43302010⨯=-+-+=R εQ Q R εQ R εq V A A A A A V 105.4π4330⨯=+=R εQ Q V B A B （2） 将球壳B 接地后断开，再把球A 接地，设球A 带电q A ，球A 和球壳B 的电势为0π4π4π4302010=+-+-+=R εq Q R εq R εq V A A A A A 30π4R εq Q V A A B +-= 解得C 1012.2831322121-⨯=-+=R R R R R R Q R R q A A 即球A 外表面带电2.12 ×10－８C ，由分析可推得球壳B 内表面带电－2.12 ×10－８C ，外表面带电-0.9 ×10－８C ．另外球A 和球壳B 的电势分别为0A V =27.2910V B V =-⨯导体的接地使各导体的电势分布发生变化，打破了原有的静电平衡，导体表面的电荷将重新分布，以建立新的静电平衡．7、如图所示球形金属腔带电量为Q ＞0，内半径为ɑ，外半径为b ，腔内距球心O 为r 处有一点电荷q ，求球心的电势．解析：导体球达到静电平衡时，内表面感应电荷－q ，外表面感应电荷q ；内表面感应电荷不均匀分布，外表面感应电荷均匀分布．球心O 点的电势由点电荷q 、导体表面的感应电荷共同决定．在带电面上任意取一电荷元，电荷元在球心产生的电势Rεq V 0π4d d = 由于R 为常量，因而无论球面电荷如何分布，半径为R 的带电球面在球心产生的电势为R εq R εq V s 00π4π4d ==⎰⎰由电势的叠加可以求得球心的电势． 解 导体球内表面感应电荷－q ，外表面感应电荷q ；依照分析，球心的电势为bεQ q a εq r εq V 000π4π4π4++-= 8、有一个空气平板电容器，极板面积为S ，间距为d ．现将该电容器接在端电压为U 的电源上充电，当（1） 充足电后；（2） 然后平行插入一块面积相同、厚度为δ（δ ＜d ）、相对电容率为εｒ 的电介质板；（3） 将上述电介质换为同样大小的导体板．分别求电容器的电容C ，极板上的电荷Q 和极板间的电场强度E ．解析：电源对电容器充电，电容器极板间的电势差等于电源端电压U ．插入电介质后，由于介质界面出现极化电荷，极化电荷在介质中激发的电场与原电容器极板上自由电荷激发的电场方向相反，介质内的电场减弱．由于极板间的距离d 不变，因而与电源相接的导体极板将会从电源获得电荷，以维持电势差不变，并有()δSεεQ δd S εQ U r 00+-= 相类似的原因，在平板电容器极板之间，若平行地插入一块导体板，由于极板上的自由电荷和插入导体板上的感应电荷在导体板内激发的电场相互抵消，与电源相接的导体极板将会从电源获得电荷，使间隙中的电场E 增强，以维持两极板间的电势差不变，并有()δd SεQ U -=0 综上所述，接上电源的平板电容器，插入介质或导体后，极板上的自由电荷均会增加，而电势差保持不变．解 （1） 空气平板电容器的电容dS εC 00= 充电后，极板上的电荷和极板间的电场强度为U dS εQ 00= d U E /0=（2） 插入电介质后，电容器的电容C 1 为()()δd εδS εεδS εεQ δd S εQ Q C r r r -+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=0001/ 故有()δd εδSU εεU C C r r -+==011 介质内电场强度 ()δd εδU S εεQ E r r -+=='011 空气中电场强度 ()δd εδU εS εQ E r r -+==011 （3） 插入导体达到静电平衡后，导体为等势体，其电容和极板上的电荷分别为δd S εC -=02 U δd S εQ -=02 导体中电场强度 02='E 空气中电场强度δd U E -=2 无论是插入介质还是插入导体，由于电容器的导体极板与电源相连，在维持电势差不变的同时都从电源获得了电荷，自由电荷分布的变化同样使得介质内的电场强度不再等于E 0/εｒ．9、如图所示，有两根导线沿半径方向接触铁环的a 、b 两点，并与很远处的电源相接。
高中物理竞赛——电磁学
1静电场 电场强度1、补充一个知识：014επk=，0ε称为真空介电常数。
点电荷周围的电场强度分布： 22014Q Q E k r πεr == 2、静电场是保守场。
因为静电场是一个有源无旋的场，所以在电场中放置一个试探电荷，用一个力将电荷沿某一任意路径运动一圈，然后回到出发点（整个过程中速度大小不变），则静电力对电荷做的功为零。
即静电力对电荷做的功只与始末位置有关，而与路径无关。
例1 有一个均匀带电圆环，半径为R ，所带电量为Q ，圆环轴线上离环心O 为r 处有一点P （如图）。
求P 点的场强。
解：圆环上每一部分都会在P 点产生自己的分场强，要求P 点的场强，就需要把这许多分场强叠加起来。
在圆环上取很短的一段Δl （可以看成一个点电荷），所带电量ΔΔ2Q Q l πR= 它在P 点产生的分场强为22Δcos Δ2kQ l θE πRr = P 点各分场强ΔE 的垂直于轴线的分量ΔE ⊥都抵消了，平行于轴线的分量ΔE ：32Δcos Δ2kQ l θE πRr = 叠加起来的合场强：P 3222()kQrE r R =+练习：*1、将半径为R 的球体等分成八分（如图），其中一份均匀带点，电荷体密度为，试求此八分之一球体在球心处产生的电场强度。
2、第5届预赛第8题 如图，图中左侧为半径为R 的半圆环，右侧为两根无限长的直导线，半圆环与导线相接，求半圆环圆心处的电场强度。
电场的高斯定理如图，对于一个点电荷Q ，在其周围取一个半径为r 的球面，Q为球心。
很明显，这个球面的任意位置，电场强度大小都是相等的。
利用一个公式：0Q E S ε⋅= E 是球面处的电场强度大小，S 是球面的面积，Q 是球面内的电荷量，ε0是真空介电常数。
则： 20(4)Q E πr ε= 22200144Q Q Q E k πεr πεr r === 这就推导出了点电荷周围的电场强度公式。
推广：若球面内有多个电荷，且球面外也有电荷（如图），只要：1200Δq q q E S εε+==∑∑ 式中，ΔE S ∑是球面上任意一个ΔS 的电通量的和，也就是球面总的电通量；q ∑是包围在球面内的总的电荷量。
2020高中物理竞赛-电磁学篇(电磁场理论)07电波传播理论基础：各向异性介质中的电波传播b(共12
dt
m
dv dt
eE
v
B0
j
m e
v
E
v
B0
j
vx vy vz
e m
2 2
g
g
g
0
2 2
g 2g 2
j 2g 2
0
0
Ex
0
E
y
j
Ez
g
eB0 m
电子的回 旋角频率
磁化等离子体中传导电流密度为 J f v eNv 磁化等离子体中的Maxwell为：
E j0H H J f j 0E
r
1 j2
j 2 1
0
0
0 0 3
电离层的张量介电常数
E H
jj00rH
E
1
1
p2 g2 2
2
p 2g g2 2
3
1
p2 2
， p 2
Ne 2
m 0
对上述结果稍作分析得到： ① 当 g 时，电磁波的圆频率与电子自 旋频率相同，电磁波能量被电离层中电 子极大的吸收而处于磁旋共振状态，导 致电磁波能量极大被损耗。如果
电磁场理论
Electromagnetic Theory 2020高中物理竞赛 （电磁学篇）
一般情况下，地磁场远大于在电离层中传播的时 变化电磁场的磁场，所以有近似关系
0H B0
eE
ev0 H
c v
1
电子受到的作用力可近似为：
F
eE
v
B0
0 H
eE
v
B0
m
dv dt
F
对于时谐电磁场，电子的运动也应该是时谐运动， 因此电子的运动方程为：
高中物理竞赛电磁学专题练习20题(带答案详解)
高中物理竞赛电磁学专题练习20题（带答案详解）一、解答题1．如图所示，长直螺旋管中部套有一导线围成的圆环，圆环的轴与螺旋管的轴重合，圆环由电阻不同的两半圆环组成，其阻值1R 、2R 未知．在两半圆环的结合点A 、B 间接三个内阻均为纯电阻的伏特表，且导线0A V B --准确地沿圆环直径安放，而1A V B --、2A V B --分置螺旋管两边，长度不拘，螺旋管中通有交流电时发现，0V 、1V 的示数分别为5V 、10V ，问：1V 的示数为多少？螺旋管外的磁场及电路的电感均忽略不计2．图1、2、3所示无限长直载流导线中，如果电流I 随时间t 变化，周围空间磁场B 也将随t 变化，从而激发起感应电场E ．在载流导线附近空间区域内，B 随t 的变化，乃至E 随t 的变化可近似处理为与I 随时间t 变化同步．距载流导线足够远的空间区域，B 、E 随t 的变化均会落后于I 随t 的变化．考虑到电磁场变化传播的速度即为光速，如果题图讨论的空间区域线度尽管很大，即模型化为图中x 可趋向无穷，但这一距离造成的B 、E 随t 的变化滞后于I 随t 变化的效应事实上仍可略去．在此前提下，求解下述问题（1）系统如图1、2所示，设()I I t =①通过分析，判定图1的xOy 平面上P 处感应电场场强P E 的三个分量Px E 、Py E 、PzE中为零的分量②图2中12l l ⨯长方形框架的回路方向已经设定，试求回路电动势ε③将图1中的P 、Q 两处感应电场场强的大小分别记为P E 、Q E ，试求P Q -E E 值 （2）由两条无限长反向电流导线构成的系统如图3所示，仍设()I I t =，试求P 处感应电场场强P E 的方向和大小3．现构造如图1所示网络，该网络为无穷正方形网络，以A 为原点，B 的坐标为()1985,930．现在两个这样的网络C C A B 和L L A B ，其单位长度上所配置的电学元件分别为电容为C 的电容器及电感为L 的线圈，且网络中的电阻均忽略不计，并连接成如图2所示的电路S 为调频信号发生器，可发出频率()0,f Hz ∈+∞的电学正弦交流信号．即()0sin 2πS U U ft =，0U 为一已知定值，R 为一已知保护电阻试求干路电流达到最大时，S 的频率m f 以及此时干路的峰值电流max I4．在空间中几个点依次放置几个点电荷1q ，2q ，3q ，4q ，…，n q ，对于点i ，其余1n -个点电荷在这一点上的电势和为i U ，若在这n 个点上换上另n 个点电荷1q '，2q '，3q '，…，n q '，同理定义()1,2,,i U i n '=（1）证明：()112nni i i i i i qU q U n ==''=≥∑∑（2）利用（1）中结论，证明真空中一对导体电容器的电容值与这两个导体的带电量无关．（这对导体带等量异号电荷）（3）利用（1）中的结论，求解如下问题：如图所示，正四面体ABCD 各面均为导体，但又彼此绝缘．已知带电后四个面的静电势分别为1ϕ、2ϕ、3ϕ和4ϕ，求四面体中心O点的电势O ϕ5．有七片完全相同的金属片，面积为S ，放置在真空中，除4和5两板间的间距为2d 外，其他相邻两板间距均为d ，且1和5、3和7用导线相连，试求：（1）4与6两板构成的电极的电容（2）若在4和6间加上电压U ，求各板的受力．6．如图所示，一电容器由一圆形平行金属板构成，金属板的半径为R ，间距为d ，现有一点P ，在两金属板的中位面（即平行于两板，且平分两极板所夹区域的平面）上，P 到两中心O 的距离为()0R r r +>R ，已知极板所带的面电荷密度为σ±，且R r d ，试求P 点的场强大小P E7．在一环形铁芯上绕有N 匝外表绝缘的导线，导线两端接到电动势为ε的交流电源上，一电阻为R 、自感可略去不计的均匀细圆环套在这环形铁芯上，细圆环上a 、b 两点间的环长（劣弧）为细圆环长度的1n．将电阻为r 的交流电流计G 接在a 、b 两点，有两种接法，分别如图1、图2所示，试分别求这两种接法时通过G 的电流8．有一个平面正方形无限带电网络，每个格子边长均为r ，线电荷密度为()0λλ>，有一带电电量为()0Q Q >、质量为m 的粒子恰好处于一个格子的中心，若给它某个方向的微扰，使其位移d ，dr ．试求它受到电场力的大小，并描述它以后的运动．（提示：可能用到的公式2222π11116234=++++）9．（1）一维电磁驻波()()sin x E x A k x =在x 方向限制在0x =和x a =之间．在两个端点处驻波消失，求x k 的可能值．（2）弦理论认为物理空间多于三维，多出的隐藏维空间像细圆柱的表面一样卷了起来，如图中y 坐标所示，设圆柱的半径为()b a ，在圆柱面上电磁波的形式为()()(),sin cos x y E x y A k x k y =，其中y 是绕圆柱的折叠空间的坐标．求y k 的可能值．（3）光子能量W =()1239hc eV nm =⨯，eV 表示1电子伏特，1nm 等于910m -．目前人类能产生的最高能量的光子大约为121.010eV ⨯．如果该能量能够产生一个折叠空间的光子，b 的值满足什么条件？10．在图1所示的二极管电路中，从A 端输入图2所示波形的电压，若各电容器最初都没有充电，试画出B 、D 两点在三个周期内的电压变化．将三极管当作理想开关，B 点电压的极限是多少？11．理想的非门可以视为一个受控电压源：当输入端电压小于6C U V =时，输出端相当于和地线之间有一个理想电压源，电源电压012U V =；当输入端电压大于C U 时，输出端相当于和地线之间短路．等效电路图如图1所示．不同非门中接地点可以视为是同一个点，我们利用非门、电容和电阻能够做成一个输出方波信号的多谐振荡器．给出图2电路中02U 随着时间的变换关系．提示：如图3的RC 电路，从刚接通电路开始，电容上的电压随时间变化规律为()()01t RC U t U e -=-12．如图所示，在圆形区域中（足够大），有垂直于纸面向内随时间均匀增加的磁场Bk t∆=∆．在与圆心O 距离为d 的位置P 处有一个钉子，钉住了一根长度为l ，质量为m 的均匀绝缘棒的中心，绝缘棒能在平面内自由无摩擦地自由转动．绝缘棒上半截均匀带正电，电量为Q ，下半截均匀带负电，电量为Q -．初始时刻绝缘棒垂直于OP（1）计算在P 点处钉子受到的压力（2）若绝缘棒受到微小扰动，在平面内来回转动起来（速度很小，洛仑兹力可以忽略），求证此运动是简谐振动，并计算周期．（绝缘棒绕质心的转动惯量为2112I ml =） 13．如图1所示的电阻网络中，图中各段电阻的阻值均为r（1）试求AB R 、AC R（2）现将该网络接入电路中，如图2所示．AC 间接电感L ，A 、B 间接一交流电源，其角频率为ω，现为提高系统的动率因数，在A 、B 间接一电容C ，试求使功率因数为1的电容C ，已知rL αω=14．两个分别绕有1N 和2N 匝的圆线圈，半径分别为1r ，2r 且21r r ，设大圆的电阻为R ，试求：（1）两线圈在同轴共面位置的互惑系数（2）在小线圈中通以稳恒电流I ，并使之沿轴线以速度v 匀速运动．始终保持二者共轴，求两线圈中心相距为x 时，大线圈中的感生电动势（3）若把小线圈从共面移到很远处，求大线圈中通过的感生电量．（忽略所有自感） 15．如图所示为一两端无限延伸的电阻网络，设每小段电阻丝电阻均为1Ω，试问：A 、B 间等效电阻AB R 为多少？（结果保留三位有效数字）16．如图a 所示，电阻101k R R ==Ω，电动势6V E =，两个相同的二极管D 串联在电路中，二极管D 的D D I U -特性曲线如图b 所示．试求： (1)通过二极管D 的电流； (2)电阻1R 消耗的功率．17．如图甲所示，两台发电机并联运行，共同供电给负载，负载电阻24R =Ω．由于某种原因，两台发电机的电动势发生差异，1130V ε=、11r =Ω、2117V ε=、20.6r =Ω．求每台发电机中的电流和它们各自发出的功率．18．如图1所示的无限旋转内接正方形金属丝网络由一种粗细一致、材料相同的金属丝构成，其中每一个内接正方形的顶点都在外侧正方形四边中点上．已知与最外侧正方形边长相同的同种金属丝A B ''的电阻为0R ，求网络中 (1)A 、C 两端间等效电阻AC R ； (2)E 、G 两端间等效电阻EC R ．19．正四面体框架形电阻网络如图所示，其中每一小段的电阻均为R，试求：(1)AB两点间的电阻；(2)CD两点间的电阻．20．在如图所示的网络中，仅知道部分支路上的电流值及其方向、某些元件参数和支路交点的电势值（有关数值及参数已标在图甲上），请你利用所给的有关数值及参数求出含有电阻x R的支路上的电流值x I及其方向．参考答案1．220V U V =或0． 【解析】 【详解】因螺旋管中通有交流电，故回路中产生的电动势也是交变的，但可以仅限于某确定时刻的感生电动势、电压和电流的瞬时值，这是因为在无电感、电容的情况下，各量有效值的关系与瞬时值的关系相同．（1）当12R R <，取A B U U >时，回路中的电流如图所示，则0001102V I R I R ε+-=，0100102V V I R I R ε'+-=， 0002202V I R I R ε-+=，0200202V V I R I R ε'-+=． 整理可得0120001202V V V V I R I R I R I R ε''=+=-．所以，2201201220V V V V U I R I R I R V ''==+= （2）当12R R >，取A B U U <时，0I 反向，其他不变，则1020010202V V V V I R I R I R I R ε''=-=+所以，221021020V V V V U I R I R I R ''==-=（此时20R =，即2R 段为超导体，10R ≠） 综上所述，220V U V =或0 2．（1）①0Pz E =②012d ln2πd l x l l t x με+⎛⎫=⎪⎝⎭③02d ln 2πd P Q x l I E E t x μ+⎛⎫-=⎪⎝⎭（2）()0d ln2πd P I d xE x t xμ-⎛⎫=⎪⎝⎭，基准方向取为与y 轴反向 【解析】 【详解】（1）①若0Pz E ≠，则在过P 点且与xOy 坐标面平行的平面上，取一个以x 为半径，以y 轴为中央轴的圆，设定回路方向如题解图所示．由系统的轴对称性，回路各处感应电场E 的角向分量与图中Pz E 方向一致地沿回路方向，且大小相同，由E 的回路积分所得的感应电动势0ε≠．另一方面，电流I 的磁场B 在该回路所包围面上磁通量恒为零，磁通量变化也为零，据法拉第电磁感应定律应有0ε=．两者矛盾，故必定是0Pz E =．若0Py E ≠，由系统的轴对称性，在题解图1的圆柱面上各处场强E 的y 方向分量方向、大小与图中Py E 方向、大小相同．若取一系列不同半径x 的同轴圆柱面，每个圆柱面上场强E 的y 方向分量方向相同、大小也相同，但大小应随x 增大而减小．这将使得题文图2中的矩形回路感生感应电动势0ε≠，与法拉第电磁感应定律相符，因此允许0Py E ≠若0Px E ≠，由轴对称性，题解图1的圆柱面上各处场强E E 的径向分量方向与Px E 对应的径向方向一致，两者大小也相同．将题解图1中的圆柱面上、下封顶，成为一个圆筒形高斯面，上、下两个端面d ⋅E S 通量积分之和为零，侧面d ⋅E S 通量积分不为零，这与麦克斯韦假设所得1d d 0se sV V ρε⋅==⎰⎰⎰⎰⎰E S 矛盾，故必定是0Px E =②据法拉第定律，参考题文图2，有()21d d d x l x B x l x t ε+=--⎰，其中()02πI B x xμ= 所以，001221d d ln ln d 2π2πd Il x l x l l l t x t xμμε++⎛⎫⎛⎫=-=⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ③据麦克斯韦感应电场假设，结合（1.1）问解答，有()()121=d LE l E x lE x l l ε⋅=-+⎰结合①②问所得结果，有()()012121d ln 2πd l x l I E x l E x l l t xμ+⎛⎫-+=⎪⎝⎭()()022d ln 2πd x l I E x E x l t xμ+⎛⎫-+=⎪⎝⎭即得()()022d ln 2πd P Q x l I E E E x E x l t xμ+⎛⎫-=-+=⎪⎝⎭（2）从物理上考虑，远场应()220l E x l →∞+→代入上式，得()202d ln 2πd P l x l I E E x t xμ→∞+⎛⎫==→∞ ⎪⎝⎭为行文方便，将P E 改述为()02d ln 2πd z P P l x l I E E x t xμ→∞+⎛⎫→=→∞ ⎪⎝⎭()P E x 为发散量，系因模型造成，并非真实如图所示，由左侧变化电流贡献的()P x 左E 和右侧变化电流贡献的()P x 右E 合成的()P E x ，基准方向取为与y 轴反向．即有()()()P P P E x E x E x =-左右()()00d d ln ln 2πd 2πd P x d x l x l I I E x t x t xμμ∞+-++⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭左右 ()()()00d d ln ln 2πd 2πd P d x l d x x l I I E x t d xt d xμμ∞-+-++⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭右左使得()()0d ln 2πd P I d xE x E x t xμ-⎛⎫==⎪⎝⎭3．0maxU I R=，2πmf ω== 【解析】 【详解】不妨设电感网络等效电感AB L L α=，则其阻抗L αω=Z j （j 为单位虚根） 又由于C C A B 与L L A B 的结构相同，故在阻抗上形式具有相似性，有1C Cαω=⋅Z j ，从而总阻抗11L C R R L R L C C αωααωωω⎛⎫⎛⎫=++=+-=+- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭Z Z Z Z j j j又峰值00U I =Z，所以，100I U -=⋅ 所以，当10L Cωω-=，即ω=0I 最大 此时，0max U I R=，而2πmf ω== 4．（1）证明见解析（2）证明见解析（3）12344O ϕϕϕϕϕ+++=【解析】 【详解】（1）设i 点对j 点所产生的电势为ij i a q ，同理易知j 点对i 点产生电势为ji j a q ，而对于此二点系统，我们有ij j ji i U q U q =，即ij i j ji j i a q q a q q = 所以，ij ji a a =，易知ij a 为只与位置有关的参量． 又1231231n ni i i i i n ij j j U a q a q a q a q a q ==++++=∑（令0ii a =）则1231231n ni i i i i n ij j j U a q a q a q a q a q =''''''=++++=∑（ij a 只与位置有关）所以，111,1111nn n n n n ni i i ij j ij i j i ij j i i i i j i j i j i qU q a q a q q q a q q U =======⎛⎫⎛⎫'''''==== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭∑∑∑∑∑∑∑所以原式（格林互易定理）成立（2）分别设两导体前后所带静电分别为1Q ±，2Q ±，其对应的电容分别为1C 、2C 则由（1）知，()121122121221niii qU QUQU Q U U ='=-=-∑（其中21U ，22U 为带2Q ±时两导体电势） 同样()211212211121ni ii q UQ U Q U Q U U ='=-=-∑（其中11U ，12U 为带1Q ±时两导体电势）由（1）知二者相等，则()()1212221112Q U U Q U U -=- 所以，121211122122Q Q C C U U U U ===--即与导体带电量多少无关．（3）由题意，设四个面与中心O 的电荷量分别为1q 、2q 、3q 、4q 、0 同时，四个面与中心的电势分别为1ϕ、2ϕ、3ϕ、4ϕ、O ϕ．现将外面四个面接地，中心放一个电量为Q 的点电荷，中心电势为U ，而四个面产生的感应电荷都相等，为4Q-，则此时四个面与中心O 的电荷和电势分别为 4Q -、4Q -、4Q -、4Q-、Q ；0、0、0、0、U 由格林互易定理可得123404444O Q Q Q Q U ϕϕϕϕϕ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⋅-+⋅-+⋅-+⋅-+⋅= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭即可得12344O ϕϕϕϕϕ+++=5．（1）04616161919S C C d ε==（2）204232361U S F d ε=，方向向上；205213722U S F dε=，方向向下；206216722U S F d ε=，方向向上；207281722U S F dε=，方向向上 【解析】 【详解】（1）由4与6两板构成的电极的电容结构可等效为图所示的电容网络，其中图101223345667SC C C C C C dε======，04522SC C dε==． 由图可知，各电容器所带的电量满足342356Q Q Q =+，451267Q Q Q +=，2312Q Q =． 各支路的电压满足如下关系：3456Q Q U C C +=，45672Q Q U C C +=，23566712Q Q Q Q C C C C+=-． 由上述各式解得1223119Q Q CU ==，341019Q CU =，45619Q CU =，56919Q CU =，67719Q CU =， 则344504616161919Q Q SC C U d ε+===． 为求4、6端的电容，我们也可通过先求如图左所示的电阻网络的阻值，进而求得电容．将图中O ABC -的Y 形接法部分转化为△接法，得到图2右所示电路，其阻值如图所示，进而易得到461916R R =． 直流电路的电阻、电压、电流之间有U I R=． 由电容组成的电路的电容、电压、电量之间有Q CU =． 类比有1C R~． 且上述的电阻电路与电容电路匹配，所以，46461C R ~，即有04616161919S C C dε==．（2）由于各板的受力为系统中其他板上的电荷在该板处产生的电场对其板上电荷的作用力，故而通过高斯定理易求得各板处的场强，进而求得各板的受力为20121111202722U S Q F E Q Q d εε==⋅=，方向向下，在原系统中．（1E 求法：1板上侧面不带电，下侧面带电12Q ，正电，即011219USQ Q dε==，由电荷守恒知，27~板带电总量为1Q ，为负电，将27~视为整体，由高斯定理易得到1102Q E ε=） 下面符号i Q 表示第i 块板所带的总电量．2220F E Q ==．（该板显然有20Q =）2456701233332009922722Q Q Q Q U S Q Q F E Q Q d εεε⎛⎫++++==-⋅= ⎪⎝⎭，方向向下．式中00033423109191919US US USQ Q Q d d dεεε=-+=-+=-， 0434451619US Q Q Q d ε=+=， 054556319USQ Q Q d ε=-+=，0656671619USQ Q Q d ε=--=-，0767719USQ Q dε=-=-．同理可得：204232361U SF d ε=，方向向上； 205213722U SF d ε=，方向向下； 206216722U SF d ε=，方向向上； 207281722U SF dε=，方向向上．6．02πP dE rσε=【解析】 【详解】我们用磁场来类比，引入假想的磁荷1m q 、2m q ，且定义123014πm m q q r μ==F r ，且1213014πm m q q r μ==F H r ． 下面我们通过磁偶极子与环电流找到联系：对于一1m ±q 的磁偶极子，磁矩m m q =p l ，而对于一个电流为I 的线圈，磁矩0m I μ'=p S ，当m m '=p p 时，有0m q I μ=l S ．对于此题，我们认为上、下两极板带磁荷面密度为m σ±，则对于S ∆面积中的上、下磁荷，我们看作磁偶极子，则若用环电流代替，有0m Sd I S σμ∆=∆， 所以，0m dI σμ=． 于是，该两带电磁荷板可等效为许多小电流元的叠加，而这样的电流源会在内部抵消，最后只剩下最外层一大圆，且0m dI σμ=． 在P 点处的磁场强度，由于R r ，故可认为由一距P 距离为r 的无限长通电导线所产生，且其中的电流为I ，则002π2πm P d BIH r rσμμ===． 由于电、磁场在引入磁荷后，在形式上完全一样，则02πP dE rσε=7．()21n N n R n r ε⎡⎤-+⎣⎦【解析】 【详解】解法（1）：细圆环中的电动势为R Nεε=．细圆环上ab 段的电阻为劣弧ab R R n=． 优弧()1ab n R R n-'=．如题图1中接上G 后，G 的电阻r 与ab R 并联，然后再与ab R '串联，这时总电阻便为()11ab ab ab n R rR rRR R r R nr R n-'=+=+++．于是，总电流（通过优弧ab R '的电流）为()1111RI n R R NrRnr R nεε==⋅-++． （请读者自行推导此式）则通过G 的电流为()11121RR n n i I I R nr R N n R n r rnε===+⎡⎤-+⎣⎦+． （请读者自行推导此式）解法（2）：如题图2中接上G 后，G 的电阻r 与ab R '并联，然后再与ab R 串联，这时总电阻便为()()211ab ab ab n rR rR R R R nr n R n r R '-=+=++-'+．于是，总电流（通过劣弧ab R 的电流）为()()22111RI n rR R N R nr n R n εε==⋅-++-，则通过G 的电流为()()2211n n i N n R n r ε-=⎡⎤-+⎣⎦8．故对于一微扰位移为d 的粒子，有()20π02Q Q r λλε=->F d，粒子做简谐振动，ω=【解析】 【详解】引理：线电荷密度为()0λλ>的无限长带电线，其在距带电线r 处产生的场强大小为02πE rλε=，方向垂直于带电线向外． 证明略．对于本题所给的模型，建立图示坐标．因粒子在x 轴方向上的受力只与粒子x 方向上的微扰有关，在y 方向上的受力，也只与y 方向上的微扰有关，设粒子在x 方向上有微扰位移x d ，则110021212π2πd 22x i i x Q Q F i i d r x r λλεε∞∞==∆=---⎛⎫⎛⎫+-+ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭∑∑． 又由于xd r ，则()()110022111121212π2π22x x x i i d d Q Q F i r i r i r i r λλεε∞∞==⎡⎤⎡⎤∆≈--+⎢⎥⎢⎥--⎛⎫⎛⎫⎣⎦⎣⎦-- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭∑∑ ()()22221100441ππ2121xxi i Q d Q d r i ri λλεε∞∞===-=---∑∑．又22222222221111111111113523456246⎛⎫⎛⎫+++=-++++++-+++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭222222*********111234564123⎛⎫⎛⎫=++++++-+++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭223ππ468=⨯=，所以，20π2x x Q F d r λε∆=-． 同理，20π2y y Q F d r λε∆=-． 故对于一微扰位移为d 的粒子，有()20π02Q Q rλλε=->F d ，故粒子做简谐振动，ω=9．（1）πx n k a =，1n =，2，3，… （2）y mk b=，1m =，2，3，…（3）12101239102102πb nm nm -->⨯≈⨯ 【解析】 【详解】（1）要使得电磁波在两端形成驻波，则长度应是半波长的整数倍，相位满足：πx k a n =，即πx n k a=，1n =，2，3，…． （2）要使得电磁波在y 方向上的形式稳定为()()(),sin cos x y E x y A k x k y =，则圆柱的周长应为波长的整数倍，相位满足：2π2πy k b m =，即y mk b=，1m =，2，3，…． （3）由W =1210=， 所以，121239102πm m b <，即12101239102102πb nm nm -->⨯≈⨯10．02U 【解析】 【详解】将过程分为三个阶段，记为α、β、γ． 在第一个14周期内，A U 增加，0A D U U >>，因此二极管2D 截止；又因0DB U ≥，二极管1D 保持导通，等效电路如图1所示，在此阶段2D B A U U U ==，记为α然后A U 开始减小，但AD U 保持不变，最初D U 仍然大于零，因此，2D 依然截止．不过D U 正在逐渐减小，所以1D 截止．由于电容上的电荷无处可走，B U 保持不变，AD U 也保持不变．这个阶段一直持续到0D U =，这一过程等效电路如图2所示，记为β．不过，0D U <是不可能的，所以0D U =直至0A U U =-．这一过程等效电路如答图3所示，记为γ．下面A U 又从0U -开始增加，然后AD U 又保持在0U -不变（再次处于β阶段），而B D U U >停留在02U ，直到D U 升至B U ．当D B U U =时β阶段结束． 而后新的α阶段又开始了．每个周期均按αβγβ---的次序通过各个阶段，但是电路并不是随时间周期变化的，这可以从图4中看出．B U 等比地趋近于02U ，即是说00322B U U U -→，034U ，038U ，0316U ，…．这个电路称为电压倍增器 11．见解析 【解析】 【详解】将多谐振荡器电路等效为图示电路，可见电流只在0102U R C U ---回路中流动．假设系统存在稳态，则电容电量为常数，因而电阻上电流为0，则1G 输入电压等于输出电压，这显然矛盾，因而系统不存在稳态．不失一般性，电容初态电压为0，系统初态010U =，因而0212U V =，电路沿顺时针给电容充电（电阻上的电流I 从下向上为正，电容电量Q 右边记为正）．从0C Q Q CU ==时起，图中i U 的大小开始小于6V ，门反转，将此后直到门再次反转的过程记为过程I ：此时0112U V =，020U =，由于电容上电量不突变，所以，006i Q U V C=-=-． 因而电路沿逆时针给电容反向充电，新充入电量为Q ∆．0120Q Q V IR C +∆-=--，即18QV IR C∆=--． i U 不断上升，到达6C U V =时，10C Q Q Q CU =+∆=-时，门反转，此后进入过程Ⅱ．设过程Ⅰ历时t Ⅰ，将18Q V IR C ∆=--与题目中的RC 电路满足的0QU IR C ∆=+类比，过程Ⅰ满足的018U V =，()12QU t V C∆==，则由电容上的电压随时间变化规律()()01t RC U t U e -=-可得：ln 3t RC =Ⅰ．对于过程Ⅱ，此时010U =，0212U V =， 由于电容上电量不突变，所以，11218i Q U V C=-=． 因而电路沿顺时针给电容正向充电，新冲入电量为Q '．1012Q Q V IR C '+∆-=--，即18Q V IR C'∆=+． i U 不断上升，到达6C U V =时，210C Q Q Q CU Q '=+∆==，门再次反转，此后又进入过程Ⅰ．同理可得：1ln 3t RC =． 过程Ⅰ、Ⅱ循环进行．因此得方波的信号周期为2ln3T RC =．12．（1）4klQ （2）22T ==【解析】 【详解】设由变化的磁场产生的涡旋电场大小为E ，则有22ππBE r rt∆⋅=∆， 得到2rE k =⋅，方向垂直于与O 的连线． 则杆上场强分量为2x k E y =-⋅，2y kE d =-⋅．（1）由于上下电量相反，y 方向的场强为定值，故钉子在y 方向不受力．在x 方向上，其所受电场力（考虑到上下对称）为202d 224l k Q klQF y y l ⎛⎫=⨯-⋅⋅= ⎪⎝⎭⎰．故钉子压力为4klQ．（由于电场和y 坐标成正比，因而也可以使用平均电场计算电场力） （2）设绝缘棒转过一微小角度θ，此时，y 方向的电场力会提供回转力矩．（由于力臂是一阶小量，横坐标变化引起的电场力改变也是一阶小量，忽略二阶以上小量，因而不必计算电场力改变量产生的力矩．由于电场几乎是均匀的，所以正电荷受力的合力力臂为4lθ⋅） 244k l kdlQ M d Q θθ=-⋅⋅⋅⋅=-，而M I θ=，则04kdlQ Iθθ+=．这是简谐方程，故绝缘棒的运动是简谐运动，其周期为22T == 13．（1）12AB R r =，78AC R r =（2）241916C rααω=+ 【解析】 【分析】 【详解】（1）将题图1所示的电阻网络的A 、B 两点接入电路时，可以发现D 、E 等势点，于是DC 、DE 、CE 可去掉．所以，12AB R r =． 将A 、C 接入电路时，将原电路进行等效变化，如图甲所示．11711283122AC R r rr r =+=+． （2）将题图1等效为图所示三端网络．由（1）知1122AB R R r ==，1278AC R R R r +==，解得114R r =，258R r =． 所以图所示虚线框内的等效阻抗为121211121324154496448i Z r r r i L αααω-⎛⎫⎪++=++= ⎪+ ⎪+⎝⎭． 电路的总复导纳()()()()()22222222214964213244964111213216213216Y i C i C Z rr ααααωωαααα⎛⎫+++ ⎪=+=⋅+-⋅⎪++++⎝⎭为使功率因数为1，则复导纳虚部为0．所以，()()2222244964141916213216C r rαααωαωαα+=⋅=⋅+++ 14．(1) 201221211π2I N r I r μΦ= (2) ()2201212522213π2N N r r Ivx r x με=+ (3) 201221π2N N r I Q r R μ= 【解析】 【详解】6.【解析.如图所示，半径为a 的线圈中通以I 的电流，则中轴线上距圆心x 处的磁感强度为()22π003222022d d 4π2aa I I l B B a x a x μμ===++⎰⎰（1）两线圈在同轴共面位置时，1a r =，0x =，当大线圈中通有1I 的电流时，有010112I B N r μ=⋅因为21r r ，所以，212022πB N r Φ=⋅，则201221211π2I N r I r μΦ=（2）当两环中心相距x 时，有()220121211232221π2N N r r I r xμΦ=+，121M I Φ=，12MI Φ=， ()22012122121522213πd d d d d d 2N N r r Ivx x t x t r x μεΦΦ=-=-⋅=+ （3）d d q I t =220122012211ππ1d 1d d d d 0d 22N N r I N N r I Q q I t t t R R t R r r R μμε⎛⎫Φ⎛⎫====-⋅=-=⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎰⎰⎰⎰15．112310.465AB I R I I I '⨯==Ω'''++【解析】【分析】 【详解】将该网络压扁，如图1所示，除AB ，BC ，CD ，DA 间各边电阻为1Ω外，其余电阻为12Ω现在我们讨论MNPQ 的内部电阻我们将RSTL 的内部电阻等效为图2所示电路，其中a ，b 为待定值，由于RSTL 与MNPQ全等，则有如图所示的等价关系，此等价关系即1212MQ MQ MP MP R R R R =⎧⎪⎨=⎪⎩ 下标的1代表图3，2代表图4（1）MP R 的分析①1MP R ，由对称性，去掉NS ，SL ，LQ 得1112112MP ab a b R ab a b ⎛⎫+⋅ ⎪+⎝⎭=⎛⎫++⎪+⎝⎭ ②2MP R ，由对称性，去掉NQ ，得2MP abR a b=+，从而112112ab ab a b ab a b a b ⎛⎫+⋅ ⎪+⎝⎭=+⎛⎫++⎪+⎝⎭，解得12ab a b =+ （2）MQ R 的分析①1MQ R ．如图5所示，取回路MNPQM ，MRLQM ，RSTLR ，RLTR ，QLTPQ 得()()13412255256452566225643301110222334001110222I I I I I I aI I I I I I aI a I I I bI I a I I I I I -+=⎧⎪⎪---=⎪⎪-++-=⎨⎪----=⎪⎪+----=⎪⎩解得1626364655166721162582482562376252222531332225b ab a b a I I a b a b a I I a b ab a b a I I a b a a I I a b b a I I a ⎧++++⎪=⎪+⎪⎪+++⎪=⎪+⎪⎪⎪++++⎨=⎪+⎪⎪++⎪=⎪+⎪⎪++⎪=⎪+⎩ 故1122316167211626016246460MQ b ab a b I a R b I I I ab a b a++++==++++++ ②2MP R 如图6所示，由回路MNPQM ，MQPM 得()798789300I I I a aI bI aI ⎧--=⎨--=⎩，解得7898322a b I I a a b I I a +⎧=⎪⎪⎨+⎪=⎪⎩， 故()27789344MQ a b a aI R I I I a b+==+++．于是有()166721163 6044162464601 2b ab a b a b a a b a b ab a b aab a b⎧++++⎪+=⎪+⎪++++⎨⎪⎪=⎪+⎩⑧⑨ 令1x a =，由⑨得)11x b=- ⑩由⑩代入⑧化简有2210x x --=．则1x =±又0a >，则0x >，所以，1x =，所以，)1a b ⎧=Ω⎪⎨=Ω⎪⎩于是ABCD 如图7所示，同上步骤可得：1618.93I I ''=，2614.55I I ''=，367.19I I ''=，462.64I I ''=，5610.57I I ''=．则112310.465ABI R I I I '⨯==Ω'''++ 16．(1) 2mA D I = (2) 211116mW U P R == 【解析】 【详解】(1)设每只二极管两端的电压为D U ，通过二极管的电流为D I ，则有1222D D D U U I R R ε⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭代入题设数据得()31.50.2510V D D U I =-⨯这是一个在图c 上横轴截距为1.5，纵轴截距为6，斜率为一4的直线方程，绘于c 图可获一直线（称为二极管的负载线）．因D U 、D I 还受二极管D 的伏安线限制，故二极管必然工作在负载线与伏安曲线的交点P 上，如图c 所示．此时二极管两端的电压和电流分别为1V D U =，2mA D I =．(2)电阻1R 上的电压124V D U U ε=-=．其功率211116mW U P R ==．【点睛】对于非线元件的伏安特性曲线，一般无法用函数方式表述，用图解的方式确定其静态工作点应该是不二的选择．物理问题中涉及非线性元件或过程时，通过图解法来确定其工作点，应该是这类问题的通行做法．17．110A I =（方向为11I 的方向），25A I =（方向为21I 的方向）；11200W P =，2600W P =-． 【解析】 【分析】 【详解】这个电路的结构，不能简单地等效为一个串联、并联电路．要计算这种较复杂的电路，可有多种解法．下面提供两种较为常用的方法．方法一：用基尔霍夫定律解．如图乙所示，设各支路的电流分别为1I 、2I 、3I ． 对节点1：1230I I I --+=． ① 对回路1：112212I r I r εε-=-． ② 对回路2：2232I r I R ε+=． ③ 解①②③式求得()2121122110A r R R I rr r R r Rεε+-==++，()121212215A r R R I r r r R r Rεε+-==-++，2112312215A r r I r r r R r Rεε-==++．2I 为负值，说明实际电流方向与所设方向相反．各发电机输出的功率分别为2111111200W P I I r ε=-=，221111600W P I I r ε=-=-．这说明第二台发电机不仅没有输出功率，而且还要吸收第一台发电机的功率． 方法二：利用电源的独立作用原理求解．当只考虑发电机1ε的作用时，原电路等效为如图丙所示的电路，由图可知()2111122182A r R I rr r R r Rε+==++，2111280A RI I r R==+． 当只考虑发电机2ε的作用时，原电路等效为如图丁所示的电路． 由图可知将()1222122175A r R I r r r R r Rε+==++122172A R I I r R==+ 两次求得的电流叠加，可得到两台发电机的实际电流分别为11112827210A I I I =-=-=（方向为11I 的方向），2212280755A I I I =-=-=（方向为21I 的方向）．同理，可解得各发电机的输出功率11200W P =，2600W P =-．【点睛】(1)从本题计算结果看出，将两个电动势和内电阻都不同的电源并联向负载供电未必是好事，这样做会形成两电源并联部分的环路电流，使电源发热．(2)运用基尔霍夫定律解题时，对于一个复杂的含有电源的电路，如果有n 个节点、p 条支路所组成，我们可以对每一支路任意确定它的电流大小和方向，最后解出值为正说明所设电流方向与实际方向一致，所得值为负则说明所设电流方向与实际方向相反．这个电路中共有p 个待求电流强度．在n 个节点中任意选取其中()1n -个节点，根据基尔霍夫第一定律，列出节点电流方程组，再选择()1m p n =--个独立回路，根据基尔霍夫第二定律，列出回路电压方程组，从而得到p 个方程即可求解．(3)处理复杂的电路的方法有很多，各种方法的优点与不足是在比较中领会的，对于某一道具体的试题，该用何种方法，取决于你的经验与临场的判断．事实上，这些方法也不存在优劣之分，只是在具体的过程中可能存在繁易的差别．18．(1) 00.659AC R R = (2)0EG R =【解析】【分析】【详解】(1)先考察B 、D 连线上的节点．由于这些节点都处于从A 到C 途径的中点上，在A 、C 两端接上电源时，这些节点必然处在一等势线上．因此可将这些节点“拆开”，将原网络等效成如图2所示网络．接着可将网络沿A 、C 连线对折叠合，使原来左、右对称的金属丝、节点相互重合，从而又等效成如图3所示网络．注意到图3中A 、C 间网络与J 、I 间网络在形式上的相似性，而图3且后者恰好是前者在线度上缩小12的结构，因此有 12JI AC R R =． 将折叠后与AE 同长的双金属丝电阻记为1R ，对应地与EH 同长的双金属丝电阻记为2R ，不难算得到1001144R R R =，208R R =． 再将如图3所示网络“量化”成如图4所示网络，其中虚线框内的上、下两端间电阻为1201224R R R R R R '=⋅=+ 于是有2121222122AC AC AC R R R R R R R R ⎛⎫'+ ⎪⎝⎭=+'++解之，得00110.6592AC R R R =-=．(2)能否采用1．中所取的递归方法来求解EG R 呢？由于此时不存在结构相似的内层网络，故不能采用这一方法．解决的方法当然还是有的，这就是利用1．的结果进行简化．据对称性，将原网络中AD 边的中点、BC 边的中点处节点“拆开”，等效成如图5所示网络．此网络中通过E 、G 两端与外正方形连接的内无限小网络与原网络结构相同，只是线度缩短为倍，小网络E 、G 之间的等效电阻便为原网络A 、C 间等效电阻AC R倍．据此，可将图5网络“量化”成图6所示的网络，有101BC AC R R R -⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭ 将1．中算得的AC R 代入后，可得0EG R =【点睛】自相似的结构在物理模型中有很多，但大体都是以无穷、平衡为基础的简化处理．同样，这类试题目前在各类书籍上都有成熟的处理方式，在测试中单独成题的可能性并不太大，但将其融于系统中，考查你对这类问题的处理能力却是极有可能的．19．(1) 12R (2) 38R 【解析】【分析】【详解】(1)电流i 从A 点流入，B 点流出，鉴于网络的对称性，图1中12i i =，34i i =，560i i ==，将D 点断开，断开后的两个小四面体框架的等效电阻同为12R ，电路简化为图2；再由对称性知，E 、F 等势，G 、H 等势，于是网络简化为图3；再由对称性，可在C 点将电阻断开，简化成图4的网络，由串、并关系可得(2)电流从C 点流入，从D 点流出，网络相对于ABD 平面具有对称性，与AB 棱平行的小正方形四个顶点等势，故此正方形的四条边都可拆去，余下部分相对ABD 平面上下对称，可上下合并，等效成如图5所示的网络，而图5的立体网络又可改画成如图6所示的平面网络，网络对C 、D 左右对称，故可折叠成如图7所示的网络，由此可得38CD R R =．。
高中物理竞赛-电磁学1
Wa q Ei li qUa
a
两个点电荷 的电势能(相互作用能)
Wa qUa
W
q1U1
1
4 0
q1q2 r12
W
q2U 2
1
4 0
q1q2 r12
W
1 2
(q1U1
q2U
2
)
1 2
2 i 1
qiU i
三个点电荷 的相互作用能为
W 1 q1q2 1 q2q3 1 q3q1
4 0 r12 4 0 r23 4 0 r31
度。(两小球间相互作用忽略不计)
F (Q1 Q2 )E
ac
m1
F m2
(Q1 Q2 )E m1 m2
L1 L2 L
m1L1 m2 L2
L1
m2 m1 m2
L
L2
m1 m1 m2
L
k1L1 k2 L2 kL
k1
kL L1
m1 m2 m2
k
k2
kL L2
m1 m2 m1
k
设在质心系中，某时刻m1、m2相对质心的坐标为x1、x2，则在质心系中两 电荷受力为
量为-e，e>0)。在 x=2.5d 处沿 y 轴正方向以初速V 开始运动，求：
(1) 电子的 x 方向分运动的周期； (2) 电子运动的轨迹与 y 轴的各个交点中，任意两个相邻交点间距离。
解
3 2
d
1 2
at12
ebd ma
t1
3m eb
vd at1
3eb d m
F ebx kx
T 2 2 m
(m1Q2 (m1
m2Q1)m2 m2 )2 k
E
物理竞赛练习题 电磁学
物理竞赛练习题《电场》班级____________座号_____________姓名_______________1、半径为R的均匀带电半球面，电荷面密度为σ，求球心处的电场强度。
2、有一均匀带电球体，半径为R，球心为P，单位体积内带电量为ρ，现在球体内挖一球形空腔，空腔的球心为S，半径为R/2，如图所示，今有一带电量为q，质量为m的质点自L点（LS⊥PS）由静止开始沿空腔内壁滑动，不计摩擦和质点的重力，求质点滑动中速度的最大值。
3、在-d ≤x ≤d 的空间区域内，电荷密度ρ>0为常量，其他区域均为真空。
若在x =2d 处将质量为m 、电量为q （q <0）的带电质点自静止释放。
试问经多长时间它能到达x =0的位置。
4、一个质量为M 的绝缘小车，静止在光滑水平面上，在小车的光滑板面上放一个质量为m 、带电量为+q 的带电小物体（可视为质点），小车质量与物块质量之比M ：m =7：1,物块距小车右端挡板距离为l ，小车车长为L ，且L =1.5l 。
如图所示，现沿平行于车身方向加一电场强度为E 的水平向右的匀强电场，带电小物块由静止开始向右运动，之后与小车右挡板相碰，碰后小车速度大小为碰前物块速度大小的1/4。
设小物块滑动过程中及其与小车相碰过程中，小物块带电量不变。
（1）通过分析与计算说明，碰撞后滑块能否滑出小车的车身？（2）若能滑出，求由小物块开始运动至滑出时电场力对小物块所做的功;若不能滑出，求小物块从开始运动至第二次碰撞时电场力对小物块所做的功。
E物理竞赛练习题 《电势和电势差》班级____________座号_____________姓名_______________1、两个电量均为q =3.0×10-8C 的小球，分别固定在两根不导电杆的一端，用不导电的线系住这两端。
将两杆的另一端固定在公共转轴O 上，使两杆可以绕O 轴在图面上做无摩擦地转动，线和两杆长度均为l =5.0cm 。
高中物理题型分类汇总含详细答案-电磁感应
高中物理题型分类汇总含详细答案-电磁感应共：15题共：48分钟一、单选题1.在如图所示的条件下，线圈中能产生感应电流的是（）A. B. C. D.2.如图甲所示，在MN、QP间存在一匀强磁场，t=0时，一正方形光滑金属线框在水平向右的外力F作用下紧贴MN从静止开始做匀加速运动，外力F随时间t变化的图线如图乙所示，已知线框质量m=1kg、电阻R=2Ω，则（）A.线框的加速度为1m/s2B.磁场宽度为6mC.匀强磁场的磁感应强度为2TD.线框进入磁场过程中，通过线框横截面的电荷量为C3.如图甲，在同一平面内固定有一长直导线PQ和一导线框R，R在PQ的右侧。
导线PQ中通有正弦交流电i，i的变化如图乙所示，规定从Q到P为电流正方向。
导线框R中的感应电流（）A.在时为最大B.在时改变方向C.在时最大，且沿顺时针方向D.在时最大，且沿顺时针方向4.麦克斯韦的电磁场理论提出：变化的电场产生磁场。
以平行板电容器为例：圆形平行板电容器在充、放电的过程中，板间电场发生变化，产生的磁场相当于一连接两板的板间直导线通以充、放电电流时所产生的磁场。
如图所示，若某时刻连接电容器的导线具有向上的电流，则下列说法中正确的是（）A.电容器正在放电B.两平行板间的电场强度E在减小C.该变化电场产生顺时针方向（俯视）的磁场D.两极板间电场最强时，板间电场产生的磁场却为零5.如甲所示。
蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐向分布的。
当线圈通以如图乙所示的稳恒电流（b端电流流向垂直纸面向内），下列说法正确的是（）A.当线圈在如图乙所示的位置时，b端受到的安培力方向向上B.当线圈在如图乙所示的位置时，该线圈的磁通量一定为0C.线圈通过的电流越大，指针偏转角度越小D.线圈转动的方向，由螺旋弹簧的形变决定6.如图所示，两个线圈a、b的半径分别为r和2r，匝数分别为N1和N2，圆形匀强磁场B的边缘恰好与a线圈重合，则穿过a、b两线圈的磁通量之比为（）A.N1：N2B.N1：4N2C.1：2D.1：17.如图所示，固定在水平面上的半径为r的金属圆环内存在方向竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场。
高中物理竞赛电磁学测试
电磁学测试总分160分 时间3小时（命题人 王思道 2006-6-22）一、（20分）有些仪器，如静电加速器，其高压电极外面都有一接地的金属罩，罩内充有一定压强的气体。
假定电极是一金属球，接地金属罩是一同心金属薄球壳，仪器工作时要求电极与金属罩之间的电势差为U 0。
选择适当的电极半径R 1和球壳半径R 2，有可能使靠近电极表面处的场强低于气体的击穿场强，从而使气体不被击穿。
⑴若R 1已给定，则在理想情况下，R 2取何值，电极处的场强有最小值？⑵在实际情况中，往往适当选择R 1/R 2之值，使电极处的场强为上述最小值的4倍时，R 1/R 2应选的值。
二、（20分）如图所示电路中，C 1=4C 0，C 2=2C 0，C 3=C 0，电池电动势为E ，不计内阻，C 0和E 为已知量。
先在断开K 4的条件下，接通K 1、K 2、K 3，令电池给3个电容器充电；然后断开K 1、K 2、K 3，接通K 4，使电容器放电。
求：⑴放电过程中，电阻R 上共产生多少热量。
⑵放电过程达到放电总量一半时，R 上的电流是多大。
三、（20分）极板相同的的两个平板空气电容器充以同样的电量。
第一个电容器两极板间的距离是第二个电容器的2倍。
如果将第二个电容器插在第一个电容器两极板的中央，并使所有极板都互相平行。
问系统的静电场能如何变化？ 四、（30分）（1993年国际物理竞赛题）通过加速电压U 0产生一平行均匀的高能电子束。
这些电子束射向一条带正电荷的无限长直均匀细铜线，铜线的长度方向与电子束初始的入射方向垂直，如图所示，图中b 表示某个电子入射方向与铜线轴线之间的距离。
现在在铜线带正电荷的条件下，入射电子束经铜线射向前方荧光屏的表面，屏与铜线间的距离为L （L ＞＞b ），如图所示。
设电子束初始宽度为2b max 。
相对铜线的轴线上下对称。
在垂直于图平面方向，电子束的线度可视为无穷大。
数据提供如下：铜线的半径 r 0=10-6m ； b 的最大值 b max =10-4m ；铜线每单位长度所带的电量 q=4.4×10-11C/m ； 给电子束加速的电压 U 0=2×104V ；铜线到屏面的距离 L=0.3m ； 普郎克常量 h=6.63×10-34J ·s ；电子电量绝对值 e=1.6×10-19C ；电子质量 m e =9.11×10-31kg ；真空介电常量 ε0=8.85×10-12C 2·N -1·m -2。
高中物理奥林匹克竞赛专题磁场部分精选题
高中物理奥林匹克竞赛专题磁场部分精选题一、选择题1．如图，流出纸面的电流为2I ，流进纸面的电流为I ，那么下述各式中哪一个是正确的 〔A 〕12L H dl I =⎰〔B 〕2L H dl I =⎰〔C 〕3L H dl I =-⎰〔D 〕4L H dl I =-⎰剖析：选D ，依据安培环路定理LB dl I μ=∑⎰，当电流的流向与环路的绕行方向满足右手定那么时为正反之那么为负，结论。
2．如图，M 、N 为水平面内两根平行金属导轨，ab 与cd 为垂直于导轨并可在其上自在滑动的两根直裸导线。
外磁场垂直水平面向上。
当外力使ab向右平移时，cd〔A 〕不动。
〔B 〕转动〔C 〕向左移动〔D 〕向右移动 剖析：选D ，依据楞次定律即判定。
3． A,B 两个电子都垂直于磁场方向射入一平均磁场而作圆周运动，A 电子的速率是B 电子速率的两倍，设A R ,B R区分为A 电子与B 电子的轨道半径，A T ,B T 区分为它们各自的周期，那么〔A 〕:2,:2A BA B R R T T == 〔B 〕1:,:12A B A B R RT T ==〔C 〕1:1,:2A B A B R R T T == 〔D 〕:2,:1A B A B R R T T ==剖析：依据公式2,mv m R T eB eBπ==，即可失掉答案，选D 4．真空中一根有限长直细导线上通电流I ，那么距导线垂直距离拉为a 的空间某点处的磁能密度为〔A 〕2001()22I a μμπ 〔B 〕2001()22I a μμπ 〔C 〕2012()2a I πμ 〔D 〕2001()22I aμμ 剖析：212m B w μ=，而02I B a μπ=。
代入可得答案B5．如图，有限长直载流导线与正三角形载流线圈在同一平面内，假定长直导线固定不动，那么载流三角形线圈将 （A ） 向着长直导线平移〔B 〕分开长直导线平移 (C)转动 (D)不动 剖析：应用安培力的方向判定，选A6．如下图，螺线管内轴上放入一小磁针，当电键K 闭合时，小磁针的N (A)向外转90(B)向里转90(C)坚持图示位置不动(D)旋转180。
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全国中学生物理竞赛分类汇编电磁学第21届预赛三、（15分）测定电子荷质比（电荷q 与质量m 之比q ／m ）的实验装置如图所示。
真空玻璃管内，阴极K 发出的电子，经阳极A 与阴极K之间的高电压加速后，形成一束很细的电子流，电子流以平行于平板电容器极板的速度进入两极板C 、D 间的区域。
若两极板C 、D 间无电压，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的O 点；若在两极板间加上电压U ，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P 点；若再在极板间加一方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B 的匀强磁场，则打到荧光屏上的电子产生的光点又回到O 点。
现已知极板的长度l ＝5.00cm ，C 、D 间的距离d ＝l.50cm ，极板区的中点M 到荧光屏中点O 的距离为L ＝12.50cm ，U ＝200V ，P 点到O 点的距离 3.0y OP ==cm ；B ＝6.3×10－4T 。
试求电子的荷质比。
（不计重力影响）。
五、（15分）如图所示，两条平行的长直金属细导轨KL 、PQ 固定于同一水平面内，它们之间的距离为l ，电阻可忽略不计；ab 和cd 是两根质量皆为m 的金属细杆，杆与导轨垂直，且与导轨良好接触，并可沿导轨无摩擦地滑动。
两杆的电阻皆为R 。
杆cd 的中点系一轻绳，绳的另一端绕过轻的定滑轮悬挂一质量为M 的物体，滑轮与转轴之间的摩擦不计，滑轮与杆cd 之间的轻绳处于水平伸直状态并与导轨平行。
导轨和金属细杆都处于匀强磁场中，磁场方向垂直于导轨所在平面向上，磁感应强度的大小为B 。
现两杆及悬物都从静止开始运动，当ab 杆及cd 杆的速度分别达到v 1和v 2时，两杆加速度的大小各为多少？八、（17分）如图所示的电路中，各电源的内阻均为零，其中B 、C 两点与其右方由1.0Ω的电阻和 2.0Ω的电阻构成的无穷组合电路相接。
求图中10μF 的电容器与E 点相接的极板上的电荷量。
第21届复赛五、(20分)如图所示，接地的空心导体球壳内半径为R ，在空腔内一直径上的P 1和P 2处，放置电量分别为q 1和q 2的点电荷，q 1＝q 2＝q ，两点电荷到球心的距离均为a ．由静电感应与静电屏蔽可知：导体空腔内表面将出现感应电荷分布，感应电荷电量等于－2q ．空腔内部的电场是由q 1、q 2和两者在空腔内表面上的感应电荷共同产生的．由于我们尚不知道这些感应电荷是怎样分布的，所以很难用场强叠加原理直接求得腔内的电势或场强．但理论上可以证明，感应电荷对腔内电场的贡献，可用假想的位于腔外的（等效）点电荷来代替（在本题中假想(等效)点电荷应为两个），只要假想的（等效）点电荷的位置和电量能满足这样的条件，即：设想将整个导体壳去掉，由q 1在原空腔内表面的感应电荷的假想（等效）点电荷1q '与q 1共同产生的电场在原空腔内表面所在位置处各点的电势皆为0；由q 2在原空腔内表面的感应电荷的假想（等效）点电荷2q '与q 2共同产生的电场在原空腔内表面所在位置处各点的电势皆为0．这样确定的假想电荷叫做感应电荷的等效电荷，而且这样确定的等效电荷是唯一的．等效电荷取代感应电荷后，可用等效电荷1q '、2q '和q 1、q 2来计算原来导体存在时空腔内部任意点的电势或场强．1．试根据上述条件，确定假想等效电荷1q '、2q '的位置及电量． 2．求空腔内部任意点A 的电势U A ．已知A 点到球心O 的距离为r ，OA 与1OP 的夹角为θ ．七、（25分）如图所示，有二平行金属导轨，相距l ，位于同一水平面内（图中纸面），处在磁感应强度为B 的匀强磁场中，磁场方向竖直向下（垂直纸面向里）．质量均为m 的两金属杆ab 和cd 放在导轨上，与导轨垂直．初始时刻， 金属杆ab 和cd 分别位于x = x 0和x = 0处．假设导轨及金属杆的电阻都为零，由两金属杆与导轨构成的回路的自感系数为L ．今对金属杆ab 施以沿导轨向右的瞬时冲量，使它获得初速0v ．设导轨足r P 2 P 1 θ Ra a x O y v 0c a b y d够长，0x 也足够大，在运动过程中，两金属杆之间距离的变化远小于两金属杆的初始间距0x ，因而可以认为在杆运动过程中由两金属杆与导轨构成的回路的自感系数L 是恒定不变的．杆与导轨之间摩擦可不计．求任意时刻两杆的位置x ab 和x cd 以及由两杆和导轨构成的回路中的电流i 三者各自随时间t 的变化关系．第20届预赛四、 (20分）从 z 轴上的 O 点发射一束电量为q （＞0）、质量为m 的带电粒子，它们速度统方向分布在以O 点为顶点、z 轴为对称轴的一个顶角很小的锥体内（如图所示），速度的大小都等于v ．试设计一种匀强磁场，能使这束带电粒子会聚于z 轴上的另一点M ，M点离开O 点的经离为d ．要求给出该磁场的方向、磁感应强度的大小和最小值．不计粒子间的相互作用和重力的作用．七、（20分）图预20-7-1中 A 和B 是真空中的两块面积很大的平行金属板、加上周期为T 的交流电压，在两板间产生交变的匀强电场．己知B 板电势为零，A 板电势U A 随时间变化的规律如图预20-7-2所示，其中U A 的最大值为的U 0，最小值为一2U 0．在图预20-7-1中，虚线MN 表示与A 、B 扳平行等距的一个较小的面，此面到A 和B 的距离皆为l ．在此面所在处，不断地产生电量为q 、质量为m 的带负电的微粒，各个时刻产生带电微粒的机会均等．这种微粒产生后，从静止出发在电场力的作用下运动．设微粒一旦碰到金属板，它就附在板上不再运动，且其电量同时消失，不影响A 、B 板的电压．己知上述的T 、U 0、l ，q 和m 等各量的值正好满足等式20222163⎪⎭⎫ ⎝⎛=T m q U l 若在交流电压变化的每个周期T 内，平均产主320个上述微粒，试论证在t ＝0到t ＝T ／2这段时间内产主的微粒中，有多少微粒可到达A 板（不计重力，不考虑微粒之间的相互作用）。
第20届复赛一、（15分）图中a 为一固定放置的半径为R的均匀带电球体，O 为其球心．己知取无限远处的电势为零时，球表面处的电势为U =1000V ．在离球心O 很远的O ′点附近有一质子b ，它以 E k ＝2000 eV 的动能沿与O 'O 平行的方向射向a ．以l 表示b 与O 'O 线之间的垂直距离，要使质子b 能够与带电球体a 的表面相碰，试求l 的最大值．把质子换成电子，再求l 的最大值．六、(23分)两个点电荷位于x 轴上，在它们形成的电场中，若取无限远处的电势为零，则在正x 轴上各点的电势如图中曲线所示，当0x →时，电势U →∞：当x →∞时，电势0U →；电势为零的点的坐标0x , 电势为极小值0U -的点的坐标为 0ax （a ＞2）。
试根据图线提供的信息，确定这两个点电荷所带电荷的符号、电量的大小以及它们在x轴上的位置．第19届预赛二、（20分）图预19-2所示电路中，电池的电动势为E ，两个电容器的电容皆为C ，K 为一单刀双掷开关。
开始时两电容器均不带电（1）第一种情况，现将K 与a 接通，达到稳定，此过程中电池内阻消耗的电能等于__________；再将K 与a 断开而与b 接通，此过程中电池供给的电能等于___________。
（2）第二种情况，现将K 与b 接通，达到稳定，此过程中电池内阻消耗的电能等于__________；再将K 与b 断开而与a 接通，此过程中电池供给的电能等于___________。
第19届复赛二、 (18 分) 在图复19-2中，半径为R 的圆柱形区域内有匀强磁场，磁场方向垂直纸面指向纸外，磁感应强度B 随时间均匀变化，变化率/B t K ∆∆=(K 为一正值常量),圆柱形区外空间没有磁场，沿图中AC弦的方向画一直线，并向外延长，弦AC 与半径OA 的夹角/4απ=．直线上有一任意点，设该点与A 点的距离为x ，求从A 沿直线到该点的电动势的大小．四、（18分）有人设计了下述装置用以测量线圈的自感系数．在图复19-4-1中，E 为电压可调的直流电源。
K 为开关，L 为待测线圈的自感系数，L r 为线圈的直流电阻，D 为理想二极管，r 为用电阻丝做成的电阻器的电阻，A 为电流表。
将图复19-4-1中a 、b 之间的电阻线装进图复19-4-2所示的试管1内，图复19-4-2中其它装置见图下说明．其中注射器筒5和试管1组成的密闭容器内装有某种气体（可视为理想气体），通过活塞6的上下移动可调节毛细管8中有色液注的初始位置，调节后将阀门10关闭，使两边气体隔开．毛细管8的内直径为d ．已知在压强不变的条件下，试管中的气体温度升高1K时，需要吸收的热量为q C ，大气压强为p 。
设试管、三通管、注射器和毛细管皆为绝热的，电阻丝的热容不计．当接通电键K 后，线圈L 中将产生磁场，已知线圈中储存的磁场能量212W LI =，I 为通过线圈的电流，其值可通过电流表A 测量，现利用此装置及合理的步骤测量的自感系数L ．1．简要写出此实验的步骤．2．用题中所给出的各已知量（r 、L r 、q C 、p 、d 等）及直接测得的量导出L 的表达式，六、（20分）在相对于实验室静止的平面直角坐标系S 中，有一个光子，沿x 轴正方向射向一个静止于坐标原点O 的电子．在y 轴方向探测到一个散射光子．已知电子的静止质量为0m ，光速为c ,入射光子的能量与散射光子的能量之差等于电子静止能量的1／10．1．试求电子运动速度的大小v ,电子运动的方向与x 轴的夹角θ；电子运动到离原点距离为0L （作为已知量）的A 点所经历的时间t ∆．2．在电子以1中的速度v 开始运动时，一观察者S '相对于坐标系S 也以速度v 沿S 中电子运动的方向运动(即S '相对于电子静止)，试求S '测出的OA 的长度．第18届预赛二、（15分）两块竖直放置的平行金属大平板A 、B ，相距d ，两极间的电压为U 。
一带正电的质点从两板间的M 点开始以竖直向上的初速度0v 运动，当它到达电场中某点N 点时，速度变为水平方向，大小仍为0v ，如图预18－2所示．求M 、N 两点问的电势差．（忽略带电质点对金属板上电荷均匀分布的影响）七、（ 25分）如图预18－7所示，在半径为a 的圆柱空间中（图中圆为其横截面）充满磁感应强度大小为B 的均匀磁场，其方向平行于轴线远离读者．在圆柱空间中垂直轴线平面内固定放置一绝缘材料制成的边长为 1.6L a =的刚性等边三角形框架DEF ∆，其中心O 位于圆柱的轴线上．DE 边上S 点（14DS L =）处有一发射带电粒子的源，发射粒子的方向皆在图预18-7中截面内且垂直于DE 边向下．发射粒子的电量皆为q （＞0），质量皆为m ，但速度v 有各种不同的数值．若这些粒子与三角形框架的碰撞均为完全弹性碰撞，并要求每一次碰撞时速度方向垂直于被碰的边．试问：1．带电粒子速度v 的大小取哪些数值时可使S 点发出的粒子最终又回到S 点？2. 这些粒子中，回到S 点所用的最短时间是多少？第18届复赛四、（22分）如图复18-4所示，均匀磁场的方向垂直纸面向里，磁感应强度B随时间t 变化，0B B kt =-（k 为大于0的常数）．现有两个完全相同的均匀金属圆环相互交叠并固定在图中所示位置，环面处于图中纸面内。