习题一真空中的静电场习题详解
3-1电磁-真空中的静电场 大学物理作业习题解答
dE
zdq 40(z2 r2 )3/2
R cos.ds 40R3
sin cosd 20
d R o
x
故球心o处总场强为:
E
dE
/ 2 sin cos d
0
20
40
4
1-6 均匀带电的无限长细线,弯成如图所示的形状,若点电荷的线
密度为λ,半圆处半径为R,求o点处的电场强度.
解:o电场强是由三部分电荷产生的:
解：作一半径为r的同心球面为高斯面。
当r<R1
当 R1<r<R2
E4r2 0, E 0
R1
r 2r2 sindrdd
E 4r2 R1 0 0
R2
0
1
r
2
A r sindrdd
0 R1 0 0
E
A
r2 R12 20r2
同理，当r>R2
E4r2 1 R2 2 Arsindrdd
0
20
9
1-10 两个无限长的共轴圆柱面，半径分别为R1和R2，面上都均
匀带电，沿轴线单位长度的电量分别为 1和 2 ,求： (1)场强分布；(2)若 1 2,情况如何？画出E－r曲线。
解：由圆柱面的对称性，E的方向为垂直柱面， r
故作一共轴圆柱面为高斯面，由高斯定律得：
R1
高 斯
当
r<R1, 当R1<r<R2 ，
1-12 将q=1.7×10-8库仑的点电荷从电场中的A点移到B点,外力需 做功5.0×10-8焦耳,问A,B俩点间的电势差是多少?哪点电势高?若 设B点的电势为零,A点的电势为多大?
解:(1) AAB=q(VA-VB), WAB=- AAB=+5.0×10-8
真空中的静电场(1、3)习题难点讲解
若球内无空腔，P点的电场为
E1
3 0
r
若空腔内填满体电荷密度为 的电荷，当
其单独存在时，P点的电场为
由电场叠加原理，得
E2
3 0
r
E
E1
E2
3 0
r
r
3 0
a
6.
en E2
h
E1
en
S E dS E1S E2S
(E1 E2 )S
dE 4 0a2 4 0a
dq dl rd sin
dE
1
40r 2
rd sin
d 40r sin
d
4 0a
指向 dq
指向 dq
这一对线元在O点的元 场强等值反向，相互抵 消。故所有电荷在O点 产生的场强为零。
4. 电荷密度为 Ar 的球体的电场
r
dl
R cos 2 R2 sind
40 R3
sin cosd
2 0
dS x d
O
R
E dE
2 sin cosd
2 0 0
1
sin2
2
20 2
0 4 0
3. 两根平行长直线间距为2a一端用半圆形线连起来。全线上均匀 带电。证明在圆心O处的电场强度为零。
0 20a
E2 y
4 0a
(sin 2
sin1 )
1
2
, 2
E2 y 4 0a E2 2 0a
大学物理第6章真空中的静电场课后习题及答案
⼤学物理第6章真空中的静电场课后习题及答案第6章真空中的静电场习题及答案1. 电荷为q +和q 2-的两个点电荷分别置于1=x m 和1-=x m 处。
⼀试验电荷置于x 轴上何处，它受到的合⼒等于零？解：根据两个点电荷对试验电荷的库仑⼒的⼤⼩及⽅向可以断定，只有试验电荷0q 位于点电荷q +的右侧，它受到的合⼒才可能为0，所以200200)1(π4)1(π42-=+x qq x qq εε故 223+=x2. 电量都是q 的三个点电荷，分别放在正三⾓形的三个顶点。
试问：(1)在这三⾓形的中⼼放⼀个什么样的电荷，就可以使这四个电荷都达到平衡(即每个电荷受其他三个电荷的库仑⼒之和都为零)?(2)这种平衡与三⾓形的边长有⽆关系?解：(1) 以A 处点电荷为研究对象，由⼒平衡知，q '为负电荷，所以2220)33(π4130cos π412a q q aq'=εε故 q q 3='(2)与三⾓形边长⽆关。
3. 如图所⽰，半径为R 、电荷线密度为1λ的⼀个均匀带电圆环，在其轴线上放⼀长为l 、电荷线密度为2λ的均匀带电直线段，该线段的⼀端处于圆环中⼼处。
求该直线段受到的电场⼒。
解：先求均匀带电圆环在其轴线上产⽣的场强。
在带电圆环上取dl dq 1λ=，dq 在带电圆环轴线上x 处产⽣的场强⼤⼩为)(4220R x dq dE +=πε根据电荷分布的对称性知，0==z y E E2322)(41 cos R x xdq dE dE x +==πεθ式中：θ为dq 到场点的连线与x 轴负向的夹⾓。
+=23220)(4dq R x xE x πε232210(24R x R x +?=πλπε232201)(2R x xR+=ελ下⾯求直线段受到的电场⼒。
在直线段上取dx dq 2λ=，dq 受到的电场⼒⼤⼩为dq E dF x =dx R x xR 232221)(2+=ελλ⽅向沿x 轴正⽅向。
电场习题及答案
真空静电场(一)一．选择题1. 一均匀带电球面，电荷面密度为σ，球面内电场强度处处为零，球面上面元dS 的一个带电量为dS σ的电荷元，在球面内各点产生的电场强度 [ ]（A ） 处处为零 （B ）不一定都为零 （C ）处处不为零 （D ）无法判断2. 设有一“无限大”均匀带负电荷的平面，取X 轴垂直带电平面，坐标原点位于带电平面上，则其周围空间各点的电场强度E 随距离平面的位置坐标X 变化的关系曲线为（规定场强方向沿X 轴方向为正，反之为负） []3. 下面列出的真空中静电场的场强公式，其中哪个是正确的？ [ ]（A ） 点电荷Q 的电场: 204QE r πε=（B ） 无限长均匀带电直线（线密度λ）的电场： 302E r rλπε= （C ） 无限大均匀带电平面（面密度σ）的电场：02E σε= （D ） 半径为R 的均匀带电球面（面密度σ）外的电场：230R E r r σε= 4. 将一个试验电荷Q （正电荷）放在带有负电荷的大导体附近P 点处，测得它所受的力为F 。
若考虑到电量Q 不是足够小，则 [ ](A) F/Q 比P 点处原先的场强数值大(B) F/Q 比P 点处原先的场强数值小(C) F/Q 与P 处原先的场强数值相等(D) F/Q 与P 处原先的场强数值关系无法确定。
5. 根据高斯定理的数学表达式0s q E dS ε=∑⎰可知下列各种说法中，正确的是 [ ] （A ） 闭合面内的电荷代数和为零时，闭合面上各点场强一定为零（B ） 闭合面内的电荷代数和不为零时，闭合面上各点场强一定处处不为零（C ） 闭合面内的电荷代数和为零时，闭合面上各点场强不一定处处为零（D ） 闭合面上各点场强均为零时，闭合面内一定处处无电荷6. 当带电球面上总的带电量不变，而电荷的分布作任意改变时，这些电荷在球心处产生的电场强度E 和电势U 将 [ ]（A ）E 不变，U 不变； （B ）E 不变，U 改变；（C ）E 改变，U 不变 （D ） E 改变，U 也改变7. 在匀强电场中，将一负电荷从A 移至B ，如图所示，则： [ ]（A ） 电场力作正功，负电荷的电势能减少（B ） 电场力作正功，负电荷的电势能增加（C ） 电场力作负功，负电荷的电势能减少（D ） 电场力作负功，负电荷的电势能增加8. 真空中平行放置两块大金属平板，板面积均为S ，板间距离为d ，（d 远小于板面线度），板上分别带电量＋Q 和－Q ，则两板间相互作用力为 [ ]（A ）2204Q d πε （B ）220Q S ε （C ）2205k Q S ε+ （D ）2202Q S ε 二．填空题1 带有N 个电子的一个油滴，其质量为m ，电子的电量的大小为e ，在重力场中由静止开始下落（重力加速度为g ），下落中穿越一均匀电场区域，欲使油滴在该区域中匀速下落，则电场的方向为________________，大小为____________________。
习题一：真空中的静电场习题详解
dq = ρ ⋅ 4π r 2 dr
5
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1 真空中的静电场习题详解
习题册-下-1
dq 在球心处产生的电势为
dU =
dq ρr d r = 4πε 0 r ε0
整个带电球层在球心处产生的电势为
U 0 = ∫ dU 0 =
ρ ε0
∫
R2
R1
rdr =
ρ
2ε 0
(R
2 2
− R12 )
3 a ，由点电荷的电势公式得 2
（D）
Q 。 12 πε 0 a
U=
Q Q = 4 πε 0 r 2 3 πε 0 a
二、填空题 1．真空中两平行的无限长均匀带电直线，电荷线密度分别为
+λ 2d
d d −λ
− λ 和 λ ，点P1和P2与两带电线共面，位置如图，取向右为坐
标正方向，则P1和P2两点的场强分别 为 答案： E1 = 和 。
a b r P
a b λ λ λ ln ； （B） E = ,U= ln ； 2πε 0 r 2πε 0 r 2πε 0 r b b λ λ λ ln ； （D） E = ,U= ln 。 2πε 0 a 2 πε 0 r 2πε 0 a
λ
λ ，则 P 点的电势为 2πε 0 r
U = ∫ Edr = ∫ 0dr + ∫
4πε 0 d ( L + d )
q
x O L
dq
(L+d-x) d
P dE
x
解：带电直杆的电荷线密度为 λ = q / L 。设坐标原点
O 在杆的左端，在 x 处取一电荷元 dq = λ dx = qdx / L ，它在 P 点的场强为
题解1-真空中的静电场(已修改)
3 2 3 大小： 区：E i i i 2 0 2 0 2 0 2 0 2 区：E i i i 大小： 2 0 2 0 2 0 2 0 2、 E dS Q E 0 S a 0
大小： 2 0
i (i )
杆 0
EP dE
2
i
P
以无穷远处电势为零， P点电势为：
Ld x
U P dU
杆
L
0
(q / L)dx (q / L) L d ln 4 0 ( L d x) 4 0 d 1
2、一电荷面密度为σ 的“无限大”平面，在距离平面 a米远处一点的场强大小的一半是由平面上的一个半径 为R的圆面积范围内的电荷产生的。试求该圆半径的大 小。 解：圆盘在其轴线上P点场强：
根据电势叠加原理，P点处的电势也与电荷在环L上的 分布状况无关，为： dq
UP
4 0 r Nq 4 0 r
L
dq
4 r
0
1
L
R dq
L
r
P
dE
Z
9、C 空间各点处的总场强为：（方法与选择题第5小题 的方法相同）
0 (r R1 ) 2 E Eer er Q1 /(4 0 r ) ( R1 r R2 ) e (Q Q ) /(4 r 2 ) (r R2 ) 2 0 r 1
'
R
dl
R
Rd
d
y
dE
θ位置处的一窄条在轴线上的一点产生的场强为：
' ' dE i sin j cos 2 0 R 2 0 R d d i sin j cos 2 2 2 0 R 2 0 R
7.真空中的静电场 大学物理习题答案
l
xd x
2
k l a ( ln ) 4 0 a la
方向沿 x 轴正向。
7-4 一半径为 R 的绝缘半圆形细棒，其上半段均匀带电量+q，下半段均匀带电量-q，如图 7-4 所示，求半 圆中心处电场强度。 解：建立如图所示的坐标系，由对称性可知，+q 和-q 在 O 点电场强度沿 x 轴的分量之和为零。取长为 dl 的线元，其上所带电量为
大学物理练习册—真空中的静电场
库仑定律 7-1 把总电荷电量为 Q 的同一种电荷分成两部分， 一部分均匀分布在地球上， 另一部分均匀分布在月球上， 24 使它们之间的库仑力正好抵消万有引力， 已知地球的质量 M＝5.98l0 kg， 月球的质量 m=7.34l022kg。 （1）求 Q 的最小值； （2）如果电荷分配与质量成正比，求 Q 的值。 解： （1）设 Q 分成 q1、q2 两部分，根据题意有 k
x
d 时 2
1 E d S 2 E1S 2 xS ， E1 x 1 S 0 0
28
大学物理练习册—真空中的静电场
x
d 时 2
1 d d E d S S 2 2 E 2 S 0 2 2 S ， E 2 0
r R sin ， x R cos
x
d E
sin cos d 2 0
因为球面上所有环带在 O 处产生的电场强度方向相同， E 2 0
2 0
sin cos d i i 4 0
7-6 一无限大均匀带电薄平板，面电荷密度为 ，平板中部有一半径为 R 的圆孔, 如图 7-6 所示。求圆孔 中心轴线上的场强分布。 （提示：利用无穷大板和圆盘的电场及场强叠加原理） 解：利用补偿法，将圆孔看作由等量的正、负电荷重叠而成，即等效为一个 完整的带电无穷大平板和一个电荷面密度相反的圆盘叠加而成。 R 无穷大平板的电场为
大学物理第9章《真空中的静电场》习题解答
dE = k
dq λ ds λ = = dϕ 2 2 r 4πε 0 R 4πε 0 R
R1
R2
∞
=
B 点的电势为
ρ ( R22 − R12 ) ． 2ε 0
∞
∞
U B = ∫ E ⋅ d l = ∫ Ed r
rB rB
R2
=
rB
∫
3 ρ ( R2 − R13 ) ρ R13 dr (r − 2 )dr + ∫ 3ε 0 r 2 3ε 0 r R2
∞
ρ R13 2 2 = (3 R2 − rB − 2 ) ． 6ε 0 rB
4 3 V = π ( R2 − R13 ) 3
包含的电量为 q = ρV 根据高斯定理得可得球壳外的场强为
E=
A 点的电势为
3 q ρ ( R2 − R13 ) ，(R2≦r) = 4πε 0 r 2 3ε 0 r 2
∞
∞
U A = ∫ E ⋅ dl = ∫ Edr
rA rA
3 ρ ( R2 − R13 ) ρ R13 dr = ∫ 0dr + ∫ ( r − 2 )dr + ∫ 3ε 0 r 2 3ε 0 r R2 rA R1
b/2
∫
−σ = ln(b / 2 + a − x ) 2πε 0 =
b/2
−b / 2
σ b ln(1 + ) 2πε 0 a
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O
2a
x
答案：D
解：由高斯定理知 ΦS = q ε0 。由于面积S1和S2相等且很小，场强可视为均匀。根据场强 叠加原理， E1 = 0, E2 < 0 ，所以 Φ1 = 0, Φ2 > 0 。
3．半径为 R 的均匀带电球体的静电场中各点的电场强度的大小 E 与距球心的距离 r 的关 系曲线为 [ ]
( ) U
=U0
=
ρ 2ε 0
R22 − R12
4．两个带等量异号电荷的均匀带电同心球面，半径分别为 R1 = 0.03 m 和 R2 = 0.10 m 。
已知两者的电势差为 450 V，求内球面上所带的电荷。
答案： 2.14 ×10-9 C 解：设内球上所带电荷为 Q，则两球间的电场强度的大小为
E= Q 4πε 0r2
Rdθ
，则电荷元在中心
O
点产生的场强为
dE0
=
1 4πε 0
dq R2
=
1 4πdEOy = 0 。所以
∫ ∫ ∫ E0 =
dEOx =
dE0
cosθ
=
2
π 0
2
Q 2π 2ε0 R2
cosθ dθ
=
Q π 2ε0R2
(sinθ ) π / 2 0
=
π
Q 2ε 0 R2
为
和
。
答案：
E1
=
λ πε 0 d
ir
；
E2
=
−
λ 3πε 0 d
ir
。
2
−λ
d P2 x
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1 真空中的静电场习题详解
习题册-下-1
解：无限长均匀带电直线，在空间某点产生的场强 E = λ ，方向垂直于带电直线沿径 2πε 0 a
向向外（ λ > 0 ）。式中 a 为该点到带电直线的距离。
（Ｂ） −QΔL ir, −Q ； 8π 2ε0R2L 4πε0R
（Ｃ）
QΔL
r i,
Q
；
（Ｄ）
−QΔL
r i,
−QΔL
。
O
x
4πε0R2L 4πε0R
4πε0R2L 4πε0RL
答案：A
解：闭合圆环中心场强为 0，则圆弧产生的场强与空隙在圆心处产生的场强之和为 0。由
于空隙 Δl 非常小，可视为点电荷，设它与圆弧电荷密度相同，则所带电荷为 −QΔL / L ，
由场强叠加原理，P1，P2点的场强为两直线产生的场强的矢量和。在P1点，两场强
方向相同，均沿x轴正向；在P2点，两场强方向相反，所以
E1
=
λ 2πε 0 d
ir
+
λ 2πε 0 d
ir
=
λ πε 0 d
ir
；
E2
=
λ 2πε0 × 3d
ir
−
λ 2πε 0 d
ir
=
−
λ 3πε 0 d
ir
2．一半径为 R，长为 L 的均匀带电圆柱面，其单位长度带有λ。在带电圆柱的中垂面上 有一点 P，它到轴线距离为 r(r > R) ，则 P 点的电场强度的大小：当 r << L 时， E = _____________；当 r >> L 时， E = _____________。
方向沿 − x 方向，即水平向左。
3．图示为一个均匀带电的球层，其电荷体密度为ρ，球层内表面半径 为R1，外表面半径为R2。设无穷远处为电势零点，求该带电系统的场 强分布和空腔内任一点的电势。 答案：
R1 O
R2
（1） E1 = 0
(r
<
R1 )
，
E2
=
ρ (r3 − R13 ) 3ε0r 2
(R1 < r < R2 ) ，
(r < R)
时， U r
=
q1 4πε 0 r
+
q2 4πε 0 r2
。令 U r
=
0 ，得 r
= 10cm 。
5．已知某静电场的电势分布为U = 8x + 12x2 y − 20 y2 ，则场强分布
r E
=
_______________________________________。
( ) 答案：
−− −Q −
−
−
− + + dq
R
dθ
dl+ +
+Q
+
小为多少？方向如何？
−
θ
+
rO
x
dEo
y
4
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1 真空中的静电场习题详解
习题册-下-1
答案： Q ，方向水平向左。 π 2ε0R2
解：本题运用点电荷公式对电荷连续分布的带电体在空间产生的电场进行计算。
如图所示，取电荷元
dq
=
2Q πR
（C） E = 0, U = λ ln b ； 2πε0 a
答案：C
（B） E = λ , U = λ ln b ；
2πε 0 r
2πε0 r
（D） E = λ , U = λ ln b 。
2πε 0 r
2πε0 a
a
b
rP λ
解：由高斯定理知内圆柱面里面各点 E＝0，两圆柱面之间 E = λ ，则 P 点的电势为 2πε 0 r
产生的场强为
QΔL 4πε 0 R 2 L
ir
，所以圆弧产生的场强为
r EO
=
−QΔL 4πε 0 R 2 L
ir
；又根据电势叠加原理
可得 U O
=
−Q 4πε 0 R
. 2．有两个电荷都是＋q的点电荷，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
S2的电场强度通量分别为 Φ1 和 Φ2 ，通过整个球面的电场强度通量为 ΦS ，则［ ］
（A） Φ1 > Φ2 , ΦS = q / ε0 ； （B） Φ1 < Φ2 , ΦS = 2q / ε0 ；
S2
q S1 q
（C） Φ1 = Φ2 , ΦS = q / ε0 ； （D） Φ1 < Φ2 , ΦS = q / ε0 。
( R1 < r < R2 )
两球的电势差
∫ ∫ U12 =
R2 E d r = Q
R1
4πε 0
R2 R1
dr r2
=
Q 4πε 0
⎛ ⎜ ⎝
1 R1
−
1 R2
⎞ ⎟ ⎠
所以
Q = 4πε0 R1R2U12 = 2.14 ×10-9 C R2 − R1
5．一平面圆环，内外半径分别为R1，R2，均匀带电且电荷面密度为 +σ 。（1）求圆环轴
=
q 4πε0 3l
+
−q 4πε 0l
=
−q 6πε 0l
，
UO
=
q 4πε 0l
+
−q 4πε 0l
=
0
，
A
=
Q(U
O
−U
D
)
=
1×
⎛ ⎜ ⎝
0
−
−q 6πε 0l
⎞ ⎟ ⎠
=
q 6πε 0l
（2）
A′
=
Q′(U D
−U∞ )
=
−1×
⎛ ⎜ ⎝
−q 6πε 0l
−
⎞ 0⎟
⎠
=
q 6πε 0l
4．如图所示，两同心带电球面，内球面半径为 r1 = 5cm ，带电荷 q1 = 3×10−8 C ；外球面半径为 r2 = 20cm ， 带电荷 q2 = −6 ×10−8 C 。
C
正电荷从 O 点沿 OCD 移到 D 点，则电场力所做的功为
______________；把单位负电荷从 D 点沿 AB 延长线移 + q
到无穷远，电场力所做的功为_______________。
AO
答案： q ； q 。
2l
6πε0l 6πε 0l
−q
B
D
l
解：电场力做功与路径无关。
（1）U D
r E
=
( −8
−
24xy
)
ir
+
−12x2 + 40 y
rj
解：电场强度与电势梯度的关系为
r E
=
−
∂U
iv − ∂U
vj − ∂U
v k
。由此可求得
∂x ∂y ∂z
( ) r
E
=
(
−8
−
24 xy )
ir
+
−12x2 + 40 y
rj
三、计算题
1．如图所示，真空中一长为 L 的均匀带电细直杆，总电荷为 q，试求在直杆延长线上距
答案： λ ； λL 。 2πε0r 4πε0r2
解：当 r << L 时，带电体可视为无限长均匀带电圆柱面；当 r >> L 时，带电体可视为点 电荷。
3．如图，A 点与 B 点间距离为 2l，OCD 是以 B 为中心，以 l 为半径的半圆路径。 A、B
两处各放有一点电荷，电量分别为＋q 和－q。若把单位
，所以选（B）。 (r > R)
4．如图所示，一半径为 a 的“无限长”圆柱面上均匀带电，其电荷线密度为 。在它外面
同轴地套一半径为 b 的薄金属圆筒，圆筒原先不带电，但与地连接。设地的电势为零，