大学物理第四章静电场课后习题
《大学物理》静电场习题
1
a r
2
例2 有一瓦楞状直长均匀带电薄板，面电荷 密度为σ,瓦楞的圆半径为 a 试求：轴线中部一 点P 处的电场强度。
a
P. L
解：
y
q dq o
x dqσ L
a
q dE
dl
dq L s dS s Ldl
s dl
E dE
=ρd 1S
0
E2
ε E2
=
ρd 1
20
1.0×10-4×0.3×10-2 = 2×8.85×10-12
=1.69×104 V/m
E3 S
d
d
ρ
（3）
E3
ρd S
ε E3S + E3S = 0
ε E3
=
ρd
20
1.0×10-4×0.5×10-2 = 2×8.85×10-12
=2.83×104 V/m
dx d
7-19 一层厚度为d =0.5cm的无限大平板，均 匀带电，电荷体密度为ρ =1.0×10-4 C/m3 。求: （1）这薄层中央的电场强度； （2）薄层内与其表面相距0.1cm处的电场强
度； （3）薄层外的电场强度。
ρd
解：（1） E1=0
E2
S d1ρ d
ε （2）
E2S
+ E2S
cosq
π
0
=πσε0
=-2.4V/m
例1 设气体放电形成的等离子体在圆柱内的 电荷分布可用下式表示
r
1
0
r a
2
2
式中r是到圆柱轴线的距离， ρ0是轴线处的电 荷体密度，a 是常量。试计算其场强分布。
大学物理：静电场练习题
由对称性可知 U p 0
l
l
l
0
12
的均匀电场！
练: 真空中一半径为R的均匀带电球面，总电量为 Q(Q > 0)。今在球面上挖去非常小块的面积
ΔS (连同电荷)， 且假设
不影响原来的电荷分布， 则挖去ΔS后球心处电场
R
O
S
强度的大小E＝ QS /(16 2 0 R 4 )
其方向为 由圆心O点指向S
解：由场强叠加原理，挖去S 后的电场可以看作
和Φ2 ，通过整个球面的电场强度通量为 ΦS ，则
(C) (A) Φ1 Φ2 , ΦS q / 0
S2
q S1 q
O a 2a X
(B)Φ1 Φ2 , ΦS 2q / 0
(C) Φ1 Φ2 , ΦS q / 0
(D) Φ1 Φ2 , ΦS q / 0
解：由高斯定理 ΦS q / 0
(D) 0
解：过P点作如图同轴圆柱形高斯面S，由高斯定理
SE dS 2rlE 0
R1
所以E＝0。
l
2
1 R2O r P
4. 有两个点电荷电量都是 +q， 相距为2a。今以左边的
点电荷所在处为球心，以a为半径作一球形高斯面，
在球面上取两块相等的小面积 S1 和 S2 , 其位置如图 所示。设通过 S1 和 S 2 的电场强度通量分别为 Φ1
2. 上半部带正电，下半部带负电，线密度为
3. 非均匀带电，线密度为 0sin
y
dq
d o
x
R
dE
思路：叠加法
dq dE E
解：1)
dq Rd
dE
dq
4 0 R 2
;沿径向
大学物理静电场作业(四)习题与解答
1、在间距为d 的平行板电容器中，平行地插入一块厚为d/2的金属大平板，则电容变为原来的 倍，如果插入的是一块厚为d/2，相对介电常数为4r ε=的大介质平板，则电容变为原来的 倍。
平行地插入一块厚为d/2的金属大平板，相当于两平行板间的距离缩小了d/2，则000'2/2SC C d ε==，故电容变为原来的2倍；如果插入的是一块厚为d/3相对介电常数为4r ε=的大介质平板，相当于两个电容器串联，0108/2r SC C d εε==0202/2SC C d ε==1212' 1.6C C C C C C ==+2、如图，110C f μ= 25C f μ= 315C f μ= 100u V =，则此电容器组和的等效电容为 ，电容器1C 的储存的电能为 。
2、解：7.5f μ 0.0125J1C 与2C 并联12'10515C C C f μ=+=+='C 与3C 串联33'1515''7.5'1515C C C f C C μ⨯===++'C 与3C 串联 电容大小相等，所以'C 上分到一般的电压50V ，1C 的储存的电能为262111(1010)500.012522e W C V J -==⨯⨯=3、[ ] 真空中A 、B 两平行板相距为d ，面积均为S ，分别均匀带电q +和q -，不计边缘效应，则两板间的作用力为：(1) 220/4f q d πε=; (2) 20/f q S ε=; (3) 20/2f q S ε=解答：200/2/2f qE q q S q Sεε==⨯=4、[ ]真空中带电的导体球面与均匀带电的介质球体，它们的半径和所带的电量都相同，设带电球面的静电能为1W ，带电球体的静电能为2W ，则: (1) 12W W >; (2) 12W W =; (3) 12W W <解答：设电量为Q ，半径为R. 则均匀带电球面的静电能202222001820'422QR RVE R W dV r dr r πεεερπε∞⎛⎫=== ⎪⎝⎭⎰⎰则均匀带电球体的静电能22200022233220002408202004422323RQ Q Q RRRR VE r R W dV r dr r dr r πεπεπεεεερρππεε∞⎛⎫⎛⎫==+=+= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎰⎰⎰所以12W W <。
大学物理(第四版)课后习题及答案 静电场
证2：如图所示，取无限长带电细线为微元，各微元在点P激发的电场强 度dE在Oxy平面内且对x轴对称，因此，电场在y轴和z轴方向上的分量之 和，即Ey、Ez均为零，则点P的电场强度应为
积分得 电场强度E的方向为带电平板外法线方向。 上述讨论表明，虽然微元割取的方法不同，但结果是相同的。
（2）由于正、负电荷分别对称分布在y轴两侧，我们设想在y轴上能 找到一对假想点，如果该带电环对外激发的电场可以被这一对假想点上 等量的点电荷所激发的电场代替，这对假想点就分别称作正、负等效电 荷中心。等效正负电荷中心一定在y轴上并对中心O对称。由电偶极矩p 可求得正、负等效电荷中心的间距，并由对称性求得正、负电荷中心。 解：（1）将圆环沿y轴方向分割为一组相互平行的元电偶极子，每一元 电偶极子带电
行，对电场强度通量贡献为零。整个高斯面的电场强度通量为 由于，圆柱体电荷均匀分布，电荷体密度，处于高斯面内的总电荷 由高斯定理可解得电场强度的分布， 解：取同轴柱面为高斯面，由上述分析得 题7.16：一个内外半径分别R1为R2和的均匀带电球壳，总电荷为Q1，球 壳外同心罩一个半径为 R3的均匀带电球面，球面带电荷为Q2。求电场 分布。电场强度是否是场点与球心的距离r的连续函数？试分析。
题7.16分析：以球心O为原点，球心至场点的距离r为半径，作同心球面 为高斯面。由于电荷呈球对称分布，电场强度也为球对称分布，高斯面 上电场强度沿径矢方向，且大小相等。因而，在确定高斯面内的电荷 后， 利用高斯定理 即可求的电场强度的分布 解：取半径为r的同心球面为高斯面，由上述分析 r < R1，该高斯面内无电荷，，故
E=0 在距离圆孔较远时x>>r，则 上述结果表明，在x>>r时。带电平板上小圆孔对电场分布的影响可以忽 略不计。 题7.15：一无限长、半径为R的圆柱体上电荷均匀分布。圆柱体单位长 度的电荷为，用高斯定理求圆柱体内距轴线距离为r处的电场强度。
大学物理参考答案(白少民)第4章 静电场
E=
1 q ⋅ 2 πε 0 4a − L2
(2) 在棒的垂直平分线上，离棒 a 处的场强为
E= q 1 ⋅ 2πε 0 a L2 + 4a 2
证明：选棒的中心为坐标原点，沿棒的方向为 x 轴方向，垂直于棒的方向为 y 轴
1 （1） E = 4πε 0
（2） E =
∫
l 2 l − 2
λdx λ 1 l/2 1 q = | −l / 2 = ⋅ 2 2 4πε 0 a − x πε 0 4a − L2 (a − x)
r1 < R < r2 ）的高斯面上任意一点的场强大小由
Q 4πε0 R 2
变至 ______，电势由
Q 变 4πε0 R
至_______，通过这个高斯面的 E 的通量由 Q / ε0 变至______ 。 答：（1）变为 0（高斯面内无电荷，且球对称）；（2）
Q 4πε0 r2
；（3）0
4.4 电势为零的地方，电场强度是否一定为零？电场强度为零的地方，电势是否一定为零？ 分别举例说明之。 答：电势为零的地方，电场强度不一定为零（电势零点可选任一位置）；电场强度为零的地 方，电势也不一定为零。例如导体内电场为零，但电势可以不为零。
7
由于铜的电阻率大于铝的电阻率，所以铜线中的电流小于铝线中的电流。 4.10 电力线(电场线)与电位移线之间有何关系？当电场中有好几种电介质时，
电力线是否连续？为什么？ 电场线和电位移线都是用来形象描述电场分布的，前者与电场强度 E 相对应， 后者与电位移矢量 D 相对应，它们的关系通过介质的性质方程 D = ε0 E + P 相联系。 当电场中有好几种电介质时，电力线是不连续的，这是由于介质极化将在介质的表面
大连理工大学大学物理作业4(静电场四)及答案详解
作业4 静电场四导线穿过外球壳上的绝缘小孔与地连接，外球壳上带有正电荷，则内球壳上[ ]。
.A 不带电荷.B 带正电 .C 带负电荷.D 外表面带负电荷，内表面带等量正电荷答案：【C 】解：如图，由高斯定理可知，内球壳内表面不带电。
否则内球壳内的静电场不为零。
如果内球壳外表面不带电（已经知道内球壳内表面不带电），则两壳之间没有电场，外球壳内表面也不带电；由于外球壳带正电，外球壳外表面带正电；外球壳外存在静电场。
电场强度由内球壳向外的线积分到无限远，不会为零。
即内球壳电势不为零。
这与内球壳接地（电势为零）矛盾。
因此，内球壳外表面一定带电。
设内球壳外表面带电量为q （这也就是内球壳带电量），外球壳带电为Q ，则由高斯定理可知，外球壳内表面带电为q -，外球壳外表面带电为Q q +。
这样，空间电场强度分布r r qr E ˆ4)(201πε=ρρ，（两球壳之间：32R r R <<）r r Qq r E ˆ4)(202πε+=ρρ，（外球壳外：r R <4）其他区域（20R r <<，43R r R <<），电场强度为零。
内球壳电势为041)11(4ˆ4ˆ4)()(403202020214324322=++-=⋅++⋅=⋅+⋅=⋅=⎰⎰⎰⎰⎰∞∞∞R Q q R R q r d r rQq r d r r q r d r E r d r E l d E U R R R R R R R πεπεπεπερρρρρρρρρρ则04432=++-R QR q R q R q ，4324111R R R R Q q +--=由于432R R R <<，0>Q ，所以0<q即内球壳外表面带负电，因此内球壳负电。
2．真空中有一组带电导体，其中某一导体表面某处电荷面密度为σ，该处表面附近的场强大小为E ，则0E σ=。
那么，E 是[ ]。
.A 该处无穷小面元上电荷产生的场 .B 导体上全部电荷在该处产生的场 .C 所有的导体表面的电荷在该处产生的场 .D 以上说法都不对答案：【C 】解：处于静电平衡的导体，导体表面附近的电场强度为0E σ=，指的是：空间全部电荷分布，在该处产生的电场，而且垂直于该处导体表面。
大学物理第四章静电场课后习题概要
b
p
o
x
l
dx
x
kxdx dE 4 0 x b 2 kxdx k bl l E ln 2 0 4 4 0 b l b 0 x b
l
1
1
方向沿x轴的负方向。
练习题4-7 图为两个分别带有电荷的同心球壳系统。 设半径为 R1 和R2 的球壳上分别带有电荷 Q1 和 Q2 ，求： （1）I、II 、III三个区域中的场强；（2）若 Q1 Q2 ， 各区域的电场强度又为多少？画出此时的电场强度分 布曲线。 q内 2 解： s E dS 4r E 0
0 r R1
E1 0
Q1
R1
R1 r R2
r R2
当 Q1 Q2 时
40 r Q1 Q2 E3 40 r 2
2
E2
Q1
Q2
Ⅲ Ⅱ
O Ⅰ
R2
0 r R1
E1 0
R1 r R2
r R2
当 Q1 Q2 时
0 r R1
当 Q1 Q2 时
Q1
R1
R2
O Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Q2
r
练习题4-12 同轴电缆是由两个很长且彼此绝缘的同 轴金属圆柱体构成，如图所示。设内圆柱体的电势 为U1，半径为R1；外圆柱体的电势为U2 ，外圆柱体 的内半径为R2，两圆柱体之间为空气。求两个圆柱 体的空隙中离轴为r处(R1 < r <R2)的电势。
定理可知球外空间的场强E外
(3)因为球表面的场强 E表 变小。
q 4 0 r
2
。由此可知，球
外空间的场强与气球吹大过程无关。
长春工业大学物理答案光静电场c 1-4
练习一 静电场（一）1.如图1-1所示，细绳悬挂一质量为m 的点电荷-q ，无外电场时，-q 静止于A 点，加一水平外电场时，-q 静止于B 点，则外电场的方向为水平向左，外电场在B 点的场强大小为qmg tan2.如图1-2所示，在相距为a 的两点电荷-q 和+4q产生的电场中，场强大小为零的坐标x= 2a 。
3.如图1-3所示，A 、B 为真空中两块平行无限大带电平面，已知两平面间的电场强度大小为0E ，两平面外侧电场强度大小都是0E /3，则A 、B 两平面上的电荷面密度分别为 和 。
4.（3）一点电荷q 在电场中某点受到的电场力，f很大，则该点场强E 的大小：（1）一定很大； （2）一定很小；（3）其大小决定于比值q f /。
5.（2）有一带正电金属球。
在附近某点的场强为E ，若在该点处放一带正电的点电荷q 测得所受电场力为f ，则：（1）E=f/q （2）E>f/q （3）E<f/q6.两个电量都是+q 的点电荷，相距2a 连线中点为o ，求连线中垂线上和。
相距为r 的P 点的场强为E ，r 为多少时P 点的场强最大？解：经过分析，E x ＝0a r dr E d drdE r a qr a q E r r y 220|,0|)(21sin 412222/3220220±=<=+=+=得：由πεθπε7.长L =15cm 直线AB 上，均匀分布电荷线密度λ=5.0⨯10-9c/m 的正电荷，求导线的延长线上与导线B 端相距d=5.0cm 的P 点的场强。
)/(67544120.005.02020C N x dx E x dxdE ===⎰πελλπε 练习二 静电场（二）1.场强为E 的均匀电场与半径为R 的半球面的轴线平行，则通过半球面的电通量Φe=E R 02επ2.边长为L 的正方形盒的表面分别平行于坐标面XY 、YZ 、ZX ，设均匀电场j i E ρρρ65+=，则通过各面电场强度通量的绝对值 ,6,5,022L L X Z Z Y Y X =Φ=Φ=Φ3.如用高斯定理计算：（1）无限长均匀带电直线外一点P的场强（图2-3（a））；（2）两均匀带电同心球面之间任一点P的场强（图2-3（b）），就必须选择高斯面。
大学物理静电场作业题参考答案
解得 q 2l sin 4 0mg tan 7.3.4 长 l =15.0cm的直导线AB上均匀地分布着线密度 =5.0x10-9C·m-1的正电荷．试
求：(1)在导线的延长线上与导线B端相距 a1 =5.0cm处 P 点的场强；(2)在导线的垂直 平分线上与导线中点相距 d2 =5.0cm 处 Q 点的场强．
S
(D) 曲 面 S 的 电 场 强 度 通 量 不 变 ， 曲 面 上 各 点 场 强 变
化．
题 7.1（2）图
[答案 D ]
（3）在电场中的导体内部的 [ ] （A）电场和电势均为零； （B）电场不为零，电势均为零； （C）电势和表面电势相等； （D）电势低于表面电势。 [答案：C]
（4）两个同心均匀带电球面，半径分别为 Ra 和 Rb (Ra＜Rb), 所带电荷分别为 Qa 和
Uo
4U1
4
8.99
109
1.25 5
108 102
8.99 103V
(2)根据电势差的定义，有UO q0 (U UO )
选取无穷远处为电势零点WO q0 (U UO ) 8.99 106 J
电场力做负功，说明实际需要外力克服电场力做功。
题 7.3.11 图 7.3.11 如题7.3.11图所示，在 A ，B 两点处放有电量分别为+ q ,- q 的点电荷，AB
解：如题 7.3.4 图所示
(1) 在带电直线上取线元 dx ，其上电量 dq 在 P 点产生场强为 dEP
1 4π 0
dx (a x)2
EP
dE P
4π 0
l 2 l 2
dx (a x)2
4π 0
[ a
1
l
1 a
大连理工大学大学物理作业4(静电场四)及答案详解
作业４ 静电场四它们离地球很远,内球壳用细导线穿过外球壳上得绝缘小孔与地连接,外球壳上带有正电荷,则内球壳上[ ]。
不带电荷 带正电 带负电荷外表面带负电荷,内表面带等量正电荷答案：【C 】解:如图,由高斯定理可知,内球壳内表面不带电。
否则内球壳内得静电场不为零。
如果内球壳外表面不带电(已经知道内球壳内表面不带电)，则两壳之间没有电场,外球壳内表面也不带电;由于外球壳带正电,外球壳外表面带正电;外球壳外存在静电场。
电场强度由内球壳向外得线积分到无限远,不会为零。
即内球壳电势不为零。
这与内球壳接地(电势为零）矛盾。
因此,内球壳外表面一定带电。
设内球壳外表面带电量为(这也就就是内球壳带电量),外球壳带电为，则由高斯定理可知,外球壳内表面带电为,外球壳外表面带电为。
这样,空间电场强度分布,(两球壳之间：) ,(外球壳外:)其她区域（,）,电场强度为零。
内球壳电势为041)11(4ˆ4ˆ4)()(403202020214324322=++-=⋅++⋅=⋅+⋅=⋅=⎰⎰⎰⎰⎰∞∞∞R Qq R R q r d r rQq r d rr q r d r E r d r E l d E U R R R R R R R πεπεπεπε则,由于,,所以即内球壳外表面带负电,因此内球壳负电。
2.真空中有一组带电导体,其中某一导体表面某处电荷面密度为,该处表面附近得场强大小为,则。
那么,就是［ ］。
该处无穷小面元上电荷产生得场 导体上全部电荷在该处产生得场 所有得导体表面得电荷在该处产生得场 以上说法都不对 答案:【C 】解:处于静电平衡得导体，导体表面附近得电场强度为,指得就是:空间全部电荷分布，在该处产生得电场,而且垂直于该处导体表面。
注意:由高斯定理可以算得，无穷小面元上电荷在表面附近产生得电场为；无限大带电平面产生得电场强度也为,但不就是空间全部电荷分布在该处产生得电场。
3.一不带电得导体球壳半径为，在球心处放一点电荷。
大学物理D-04静电场-参考答案
C)
四、计算题 4.4.1.在 x 轴上，有一点电荷 q1 20 10 C ,位于原点，另一点电荷 q2 50 10 C ，位于 x=-10cm 处。试求 x 轴上任一点的电场强度大小。 解：点电荷 q1 和 q2 将 x 轴分为三个区域
6 6
x 0 ：在此区域，两个点电荷产生的电场强度的方向都沿 x 轴方向，坐标 x 处的场强为：
2
9
解.: （1）
U A U A1 U A 2
1.8 103V
4 r
q1
q2 4 r d
2
B r d/2 d/2 D
C r
q1
q2
B 点的电势为： U B
U B1 U B 2 0
9
故将电荷 q 2 10 C 从 A 点移动到 B 点电场力的功
W A B (U
A
U
B
)q 1 0 .0 6 0 .0 8
2 2
1 1 ( 4 8 .8 5 1 0 9 0 .0 6
6
)
3 .6 1 0
J
(2)C点的电势为 U C
U C1 U C 2
4 r
q2
q1 4 r d
2 2
U A 1.8 103V
x 0.10m ：在此区域，两个点电荷的场强方向相同，都沿 x 轴反方向，坐标 x 处的场强为：
E [
4 0 x
q1
2
q2 2.0 5.0 ] 9.0 104 [ 2 ]V m 1 2 2 4 0 ( x 0.10) x ( x 0.10)
9 9
在 B 点放置点电荷 q2 4.8 10 C 。 4.4.2 在直角三角形 ABC 的 A 点， 放置点电荷 q1 1.8 10 C ， 已知 BC=0.04m，AC=0.03m。试求直角顶点 C 处的电场场强 E 。 解：点电荷 q1 和 q2 在 C 处的电场强度 E1 和 E 2 的方向如图所示，大小为
大学物理(第二版)上册课后习题详解第四章-静电场
11
C m-2。求此系统的电场分
布。 解 如题 4.10 图所示， 三个区域的场强由两平行无限大均匀带 电面产生的场强的叠加，其电场强度分别为
E2
E2
4.10 解图
E2
E1
1 ， E2 2 2 0 2 0
设水平向右的方向为场强的正方向，则 左边区域：
EⅠ E1 E2
题 4.8 图
29
电荷为 Q2。求电场分布规律。 解 因电荷呈球对称分布，电场强度也为球对称分布，取半径为 r 的同心球面为高斯面， 由高斯定理得
2 E dS 4r E
q
0
当 r R1 时，该高斯面内无电荷，
q 0 ，故
Q1 (r 3 R13 ) ，故 3 R2 R13
4.2 一根不导电的细塑料杆，被弯成近乎完整的圆，圆的半径为 0.5m，杆的两端有 2cm 的缝隙， 3.12 10 C 的正电荷均匀地分布在杆上，求圆心处电场的大小和方向。 解 运用叠加原理,可以把带电体看成是一个带正电的整圆环和一段长为 2cm 带负电的 圆弧产生的电场的叠加,而圆环在中心产生的电场为零。所以电场就等于长为 2cm 的带负电 的圆弧产生的电场。由于圆弧长度远小于半径,故可看成是一点电荷,所以
q0 必须在两电荷之间才能平衡，设与 2q 之间的距离为 x ，若合力为零，则有
2qq0 qq0 1 2 4 0 x 4 0 (l x) 2 1
由此可得 x 2 4lx 2l 2 0 ，解此方程可得
x (2 2)l 。只能取负号，所以
x (2 2)l ，为稳定平衡状态。
q ， 2l
x
dx
2l
4.11 解图
大学物理第四章静电场课后习题
E F q0 ，
答：(1)电场强度是反映电场本身性质的物理量，与有 没有试验电荷没有关系。电场力不仅与场强有关，也 与试验电荷量有关，电场强度一定时，只要试验电荷 越大，受力也就越大；而场强为 E F q0 却可以保持不 变。
(2)根据点电荷的场强公式 q E r 2 0 4 0 r 从形式上看，当所考察的场点和点电荷 q 间的距离 r→0时，则按上式，将有E→ ，但这是没有物理意 义的。对这个问题你如何解释? 答： (2) 当带电体 q 的线度远远小于带电体与考察点 的距离r时，带电体才可抽象为点电荷，考察点的场 强才可用点电荷的场强公式计算。当 r → 0 时，带电 体本身的线度不能忽略，因而带电体就不能当成点 电荷， 这时点 电荷的 公式已 失效 ， 也就不 能推论 E→∞。
R2 E dr
r
r R2
Q1 Q2 ( ) 40 r R2 Q1 Q2 dr Q1 Q2 U 3 E dr r r 40 r 2 40 r
1
40 r
Q1
dr 2
Q1 Q2 dr 2 R2 4 r 0
于是，两个圆柱体的空隙中离轴为r处(R1 < r <R2)的 电势为
U 1 U 2 R2 Ur ln U 2 R r ln 2 R1
答：在真空中两个点电荷之间的相互作用是独立的， 不会因为其他带电体的移近而改变。也就是说，只 要这两个点电荷的带电量及距离一定，不管周围有 无其他带电体，其相互作用力是一定的。
思考题4-3 (1)在电场中某一点的场强定义为 若该点没有试验电荷 q0 ，那么该点有无场强？如果电 荷在电场中某点受的电场力很大，该点的电场强度是 否一定很大?
《大学物理》静电场练习题及答案
《大学物理》静电场练习题及答案一、简答题1、为什么在无电荷的空间里电场线不能相交?答案：由实验和理论知道，静电场中任一给定点上，场强是唯一确定的，即其大小和方向都是确定的．用电场线形象描述静电场的空间分布时，电场线上任一点的切线方向表示该点的场强方向．如果在无电荷的空间里某一点上有几条电场线相交的话，则过此交点对应于每一条电场线都可作出一条切线，这意味着交点处的场强有好几个方向，这与静电场中任一给定点场强具有唯一确定方向相矛盾，故无电荷的空间里电场线不能相交．2、简述静电场中高斯定理的文字内容和数学表达式。
答案：在真空中的静电场内，通过任意封闭曲面的电通量等于该封闭曲面所包围的所有电荷电量的代数和的01ε倍。
0ε∑⎰=⋅内S SqS d E3、写出静电场的环路定理，并分别说明其物理意义。
答案：静电场中，电场强度的环流总是等于零(或0l=⋅⎰l d E)，静电场是保守场。
4、感生电场与静电场有哪些区别和联系?5、在电场中某一点的电场强度定义为0q F E=.若该点没有试验电荷，那么该点的电场强度又如何? 为什么?答案： 电场中某一点的电场强度是由该电场自身性质所决定，与这一点有无试验电荷没有任何关系。
6、在点电荷的电场强度公式中，如果0→r ，则电场强度E 将趋于无限大。
对此，你有什么看法? 答案： 这表明，点电荷只是我们抽象出来的一个物理模型，当带电体较小而作用距离较大时使用点电荷模型较为方便、精确。
但当作用距离r 很小时，点电荷模型的误差会变大，这时我们不能再用点电荷的电场强度公式而要采用更精确的模型。
二、选择题1、如图所示，两个同心均匀带电球面，内球面半径为1R 、带有电荷1Q ，外球面半径为2R 、带有电荷2Q ，则在外球面外面、距离球心为r 处的P 点的场强大小E 为 ( A ) A 、20214r Q Q επ+B 、()()2202210144R r Q R r Q -π+-πεε C 、()2120214R R Q Q -+επ D 、2024r Q επ2、A 和B 为两个均匀带电球体，A 带电荷q +，B 带电荷q -，作一与A 同心的球面S 为高斯面，如图所示。
河北科技大学大学物理答案静电场
习 题10-1 在边长为a 的正方形的四角，依次放置点电荷24 q q q -、、和2q ，它的正中放着一个单位正电荷，求这个电荷受力的大小和方向。
解：两个2q 的电荷对中心电荷的作用力大小相等，方向相反，合力为0。
q 对中心电荷的作用力2/4201a qeF πε=，方向背离q 指向中心；q 4-对中心电荷的作用力2/44202a qeF πε=，方向由中心指向q 4-电荷，与1F 同向，所以中心电荷所受的合力 202125a qeF F F πε=+=，方向由中心指向q 4-电荷。
10-2 把某一电荷分成q 与()Q q -，两个部分，且此两部分相隔一定距离，如果使这两部分有最大库仑斥力，则Q 与q 有什么关系？ 解：q 与q Q -为同性电荷，斥力()0420>-=r q Q q F πε，最大时0d d =q F ，2/Q q = 10-5 两根无限长的均匀带电直线相互平行，相距为2a ，线电荷密度分别为l +和l -，求每单位长度的带电直线所受的作用力。
解：线电荷密度为l +直线在距线2a 的地方的场强为al E 04πε=，方向垂直于指向向外，线电荷密度为l -单位长度带电直线所受的作用力==lE F al 024πε，为引力。
10-6把电偶极矩p ql =的电偶极子放在点电荷Q 的电场内，p 的中心O 到Q 的距离为()r r l ?，分别求：(1)p QO P 和(2)p QO ^时电偶极子所受的力F 和力矩M 。
解：（1）p ∥QO 时，电偶极子在Q 位置的场强为3042rpE πε=方向与电偶极矩的方向相同，q 2qq 4q 2因此电荷受的力为3042rQpF πε='，方向与电偶极矩的方向相同。
所以电偶极子所受的力 302r QpF πε=，方向与电偶极矩的方向相反；Q 在电偶极子处的场强204rQ E πε=，方向由Q 指向p ，与p 的方向平行，电偶极子受的力矩0=⨯=E p M 。
大学物理静电场习题课
的电场 Ex
4 0a
(sin 2
sin 1 )
Ey
4 0a
(cos1
cos2 )
特例：无限长均匀带电(dài diàn)直线的
场强
E 20a
（2）一均匀带电圆环轴线上任一点 x处的电场
xq
E
4 0 (
x2
a2
3
)2
i
（3）无限大均匀带电平面的场强
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E 2 0
五、高斯定理可能应用(yìngyòng)的
搞清各种(ɡè zhǒnɡ) 方法的基本解题步 骤
4、q dV Ar 4r 2dr
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6.有一带电球壳，内、外半径分别为a和b，电荷体 密度r = A / r，在球心处有一点电荷Q，证明当A = Q / ( 2pa2 )时，球壳区域内的场强的大小(dàxiǎo) 与r无关．
证：用高斯定理求球壳内场强：
一、一个实验(shíyàn)定律：库仑定F律12
二、两个物理(wùlǐ)概念：场强、电势；
q1q2
4 0r122
e12
三、两个基本定理：高斯定理、环流定理
有源场
E
dS
1
0
qi
LE dl 0
（ qi 所有电荷代数和）
（与
VA VB
B
E
dl等价）
A
（保守场）
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四、电场(diàn c1h.ǎ点n电g)荷强的度电的场计(d算iàn
b
Wab qE dl q(Ua Ub ) qUab (Wb Wa )
a
3. 电势叠加原理
(1)点电荷的电势分布:
q
U P 4 0r
(2)点电荷系的电势分布:
大学物理简明教程第四章习题答案
第四章 电磁学基础静电学部分解：平衡状态下受力分析 +q 受到的力为：20''41r qq F qq πε=ϖ()()24441l q q F q q πε=ϖ处于平衡状态：()04'=+q q qq F F ϖϖ()0441'412020=+l qq r q q πεπε （1） 同理，4q 受到的力为：()()()20'44'41r l q q F q q -=πεϖ()()204441l q q F q q πε=ϖ ()()04'4=+q q q q F F ϖϖ()()()04414'412020=+-l q q r l q q πεπε （2）通过（1）和（2）联立，可得： 3l r =，q q 94'-=解：根据点电荷的电场公式：re r q E ϖϖ2041πε=点电荷到场点的距离为：22l r +22041l r qE +=+πε 两个正电荷在P 点产生的电场强度关于中垂线对称：θcos 2//+=E E0=⊥E22cos lr r +=θ所以：()232202222021412cos 2l r qrlr r l r qE E +=++==+πεπεθqlq+当l r >> 202024121r q r q E πεπε==与点电荷电场分布相似，在很远处，两个正电荷q 组成的电荷系的电场分布，与带电量为2q 的点电荷的电场分布一样。
解：取一线元θλRd dq =，在圆心处产生场强：20204141R Rd R dq dE θλπεπε==分解，垂直x 方向的分量抵消，沿x 方向 的分量叠加：RR Rd dEx00202sin 41πελθθλπεπ==⎰⎰方向：沿x 正方向解：（1）两电荷同号，电场强度为零的点在内侧； （2）两电荷异号，电场强度为零的点在外侧。
解：线密度为λ，分析半圆部分：θλλrd dl dq ==点电荷电场公式：r e r q E ϖϖ2041πε=在本题中： 241rrd E θλπε=电场分布关于x 轴对称：θθλπεθsin 41sin 2r rd E E x ==，0=y E进行积分处理，上限为2π，下限为2π-：rd r r rd E E 000022sin 4sin 41sin πελθθπελθθλπεθππ====⎰⎰⎰方向沿x 轴向右，正方向 分析两个半无限长：)cos (cos 4d sin 4210021θθπελθθπελθθ-===⎰⎰xx dE E x x )sin (sin 4d cos 4120021θθπελθθπελθθ-===⎰⎰xx dE E y yx21πθ=，πθ=2， x E x 04πελ=，xE y 04πελ-= 两个半无限长，关于x 轴对称，在y 方向的分量为0，在x 方向的分量：rr E E x 002422πελπελ=== 在本题中，r 为场点O 到半无限长线的垂直距离。
大学物理 —— 第四章1 静电场
E
Ei
i
Qi
4 0ri 2
ei
场强在坐标轴上的投影
E
E2
Ex Eix
Ey Eiy
e1
Q1
e2
P E1
Ez Eiz
Q2
所以总场强 E E x i E y j Ez k
例2．电偶极子
y
如电图偶已极知矩：qp、-q、q rx0,y >>r0，
求：A点及B点的场强. q
解: ● 强EA分点别：为4设E+0q(和和xq -qEr在20 )A2的i场
•
E
•B
y
r0
Or0
q
•
x
E
EA
• A
E
q
i
4 0 ( x
r0 2
)2
x
EA
1 q
4 0
(x
r0
)2
2
1
E A 4 0
q
( x r0 )
2
2qr0 x3
i
i 2
4 0
1
4 0
2qxr0 x4 (1 r0 )2
2x 2p x3
(1
r0 )2 2x
i
1q
●对B点：E E 4 0 ( y2 r02 )
F q0 比例系数与试验电荷电量无关。
B
1.定义：E
F
q0
Q
q0
A
C
q0
F
q0
电场中某点的电场强度在数值和方向上等于单位
正电荷在该点所受的电场力。单位： NC 1 V m
注意 a.空间是否存在场以及电场的强弱和方向，
与试验电荷 q0 无关，而由场本身决定。
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下列几种说法是否正确，为什么？ （3）穿过高斯面的电通量为零时，高斯面上各点的 电场强度必为零。 （4）高斯面上各点的电场强度为零时，穿过高斯面 的电通量一定为零。 答：（3）错 穿过高斯面的电通量为零时，只说明整个高斯面的 电通量为零。并不一定电场强度处处为零。 （4）对 E = 0，则整个高斯面的 E dS 为零。所以电通量 S φ =0。
El dV dl
（3） 在电场强度为零处，电势是否一定为零？
答：（3）否。因为如果El等于零，则电势梯度为 零，但电势不一定为零。实际例子：两个相同电 荷连线中点处。
练习题 4-4 如图所示，长为 l 的细直线 OA 带电线密度 为 ，求下面两种情况下在线的延长线上距线的端点 O点为b的P点的电场强度： (1) 为常量，且>0；(2) =kx，k为大于零的常量，( 0 x l )。 dx 解： (1) 将带电直线分 b x x 割成无数个线元 dx ， dx 的坐标 是 x 。它 所带的 p o l 电荷元 dq dx ，dq在P 点产生的电场强度的大 小为 1 dx dE 2 4 0 x b
因为所有电荷元产生的场强方向都相同，所以场强的 矢量叠加可用代数方法相加。于是带电直线在 P点产 生的电场强度为
E
l
Байду номын сангаас
1 4 0
E dS EdS E dS ES
S S
完成，进而利用高斯定理求得E。
一段有限长均匀带电直线的电荷分布 及其激发的电场固然具有轴对称性， 如题所示，但当取一同轴的封闭圆柱 面作为高斯面时可以发现，对于该面 上各点处的场强 E 并不具备上述利用 高斯定理求 E 的条件。就是说，对这 个封闭圆柱面，高斯定理成立，但不 能利用它求出场强。当取其他具有轴 对称的封闭曲面时，同样会发现，或 者面上各处的 E 不平行或垂直于面法 线，或者面上各处 E 的大小不等。所 以，对于一段有限长均匀带电直线， 找不到合适的高斯面来求出它的场强。
(2)根据点电荷的场强公式 q E r 2 0 4 0 r 从形式上看，当所考察的场点和点电荷 q 间的距离 r→0时，则按上式，将有E→ ，但这是没有物理意 义的。对这个问题你如何解释? 答： (2) 当带电体 q 的线度远远小于带电体与考察点 的距离r时，带电体才可抽象为点电荷，考察点的场 强才可用点电荷的场强公式计算。当 r → 0 时，带电 体本身的线度不能忽略，因而带电体就不能当成点 电荷， 这时点 电荷的 公式已 失效 ， 也就不 能推论 E→∞。
思考题4-6 一个点电荷q位于一个边长为a的立方体 的中心，通过该立方体各面的电通量是多少？
答：点电荷位于立方体中心时，通过该立方体各面 的电通量都相等，并且等于总通量的1/6。由高斯定 理可知总通量为
S
q E dS
0
于是，通过各面的电通量为
q 6 0
a
q
思考题4-7 一根有限长的均匀带电直线，其电荷分布 及所激发的电场有一定的对称性，如图所示。能否利 用高斯定理算出场强来? 答：否。利用高斯定理求电场强度E， 要求带电体及其激发的电场强度在空 间的分布具有很强的对称性：在所取 的整个高斯面S上或其部分面积上的E， 处处与dS平行，且面上各dS处E的大 小不随dS而变；或者各dS处E的方向 处处与dS垂直，使通过该部分面积的 E通量为零。在这种情况下，通过S面 的E通量可由下列过程
思考题4-9 试利用电场强度与电势的关系式 下列问题：
El
dV dl
分析
（1）在电势不变的空间内，电场强度是否为零？ 答：（1）是。当电势处处相等时，电势沿任何方向 V 的空间变化率为零，由 El d 可知，场强为零。实际 dl 例子：静电平衡的导体内。 （2） 在电势为零处，电场强度是否一定为零？ （2）否。因为电势为零处，电势梯度 不一 定为零，所以El也不一定为零。实际例子：电偶极 子连线中点处。
思考题4-3 (1)在电场中某一点的场强定义为 若该点没有试验电荷 q0 ，那么该点有无场强？如果电 荷在电场中某点受的电场力很大，该点的电场强度是 否一定很大?
E F q0 ，
答：(1)电场强度是反映电场本身性质的物理量，与有 没有试验电荷没有关系。电场力不仅与场强有关，也 与试验电荷量有关，电场强度一定时，只要试验电荷 越大，受力也就越大；而场强为 E F q0 却可以保持不 变。
第四章 静电场
（Electrostatic Field）
思考题4-1 在真空中两个点电荷之间的相互作用力 是否会因为其他带电体的移近而改变。
答：在真空中两个点电荷之间的相互作用是独立的， 不会因为其他带电体的移近而改变。也就是说，只 要这两个点电荷的带电量及距离一定，不管周围有 无其他带电体，其相互作用力是一定的。
思考题4-4 一个均匀带电球形橡皮气球，在其被吹大 的过程中，下列各场点的场强将如何变化？(1)气球内 部；(2)气球外部；(3)气球表面。 答： (1) 因为电荷分布在球面上，球内部无电荷，在 球内取半径为r( r<R )的球形高斯面，由高斯定理可知 球内的场强E内= 0。
(2) 在球外取半径为r ( r>R )的球形高斯面，由高斯
定理可知球外空间的场强E外
(3)因为球表面的场强 E表 变小。
q 4 0 r
2
。由此可知，球
外空间的场强与气球吹大过程无关。
q 4 0 R
2
，在球被吹大的过
程中，R变大，所以，球表面的场强随气球的吹大而
思考题4-5 下列几种说法是否正确，为什么？ （1）高斯面上电场强度处处为零时，高斯面内必 定没有电荷。 （2）高斯面内净电荷数为零时，高斯面上各点的 电场强度必为零。 答：（1）错 因为依高斯定理，E = 0 只说明高斯面内净电荷 数（所有电荷的代数和）为零。 （2）错 高斯面内净电荷数为零，只说明穿过整个高斯面 的电通量为零。并不一定电场强度处处为零。