真空中静电场习题详解
《真空中的静电场》选择题解答与分析
12 真空中的静电场 12.1电荷、场强公式1. 如图所示，在直角三角形ABC 的A 点处，有点电荷q 1 = 1.8×10-9C ，B 点处有点电荷q 2 = -4.8×10-9C ，AC = 3cm ，BC = 4cm ，则C 点的场强的大小为(A) 4.5104(N C -1). (B) 3.25104(N C -1). 答案：(B)参考解答：根据点电荷的场强大小的公式，点电荷q 1在C 点产生的场强大小为)C (N 108.1)(4142011-⋅⨯==AC q E πε，方向向下．点电荷q 2在C 点产生的场强大小为)C (N 107.2)(4142022-⋅⨯==AC q E πε，方向向右．C 处的总场强大小为：),C (N 1025.3142221-⋅⨯=+=E E E总场强与分场强E 2的夹角为.69.33arctan 021==E E θ对于错误选择，给出下面的分析：答案(A)不对。
你将)C (N 105.410)7.28.1(14421-⋅⨯=⨯+=+=E E E 作为解答。
错误是没有考虑场强的叠加，是矢量的叠加，应该用),C (N 1025.3142221-⋅⨯=+=E E E进入下一题：2. 真空中点电荷q 的静电场场强大小为2041r qE πε=式中r 为场点离点电荷的距离．当r →0时，E →∞，这一推论显然是没有物理意义的，应如何解释？参考解答：点电荷的场强公式仅适用于点电荷，当r →0时，任何带电体都不能视为点电荷，所以点电荷场强公式已不适用．若仍用此式求场强E ，其结论必然是错误的．当r →0时，需要具体考虑带电体的大小和电荷分布，这样求得的Ｅ就有确定值．进入下一题： 12.2高斯定理1. 根据高斯定理的数学表达式⎰∑⋅=Sq S E 0/d ε可知下述各种说法中，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为零时，闭合面上各点场强不一定处处为零．(C) 闭合面上各点场强均为零时，闭合面内一定处处无电荷．答案：(B) 参考解答：高斯定理的表达式：∑⎰==⋅ni i q s E 101d ε .它表明：在真空中的静电场内，通过任意闭合曲面的电通量等于该闭合面所包围的电荷电量代数和的0/1ε倍。
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
真空中的静电场习题详解
习题一一、选择题1．如图所示，半径为R 的圆环开有一小空隙而形成一圆弧，弧长为L ，电荷Q -均匀分布其上。
空隙长为()L L R ∆∆<<，则圆弧中心O 点的电场强度和电势分别为 [ ] （Ａ）200,44Q L Qi R L R πεπε-∆-； （Ｂ）2200,84Q L Qi R L R πεπε-∆-； （Ｃ）200,44Q L Qi R L Rπεπε∆； （Ｄ）200,44Q L Q Li R L RLπεπε-∆-∆。
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 ∆l 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/Q L L -∆，产生的场强为204Q L i R L πε∆，所以圆弧产生的场强为204OQ LE i R Lπε-∆=；又根据电势叠加原理可得04O Q U Rπε-= .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S 1和S 2，其位置如图所示。
设通过S 1和S 2的电场强度通量分别为1Φ和2Φ，通过整个球面的电场强度通量为S Φ，则［ ］ （A ）120, /S q εΦ>ΦΦ=； （B ）120, 2/S q εΦ<ΦΦ=；（C ）120, /S q εΦ=ΦΦ=； （D ）120, /S q εΦ<ΦΦ=。
答案：D解：由高斯定理知0Φ=S q ε。
由于面积S 1和S 2相等且很小，场强可视为均匀。
根据场强叠加原理，120,0E E =<，所以12Φ0,Φ0=>。
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 [ ]答案：B2∝2∝rRrR解：由高斯定理知均匀带电球体的场强分布为()302041 ()4qrr R R E q r R r πεπε⎧<⎪⎪=⎨⎪>⎪⎩，所以选（B ）。
习题讲解1：真空中的静电场习题讲解
解： (1)取圆环ds 2rdr, dq ds, 则 dE dqx 4 r x
2
3 2 2
E
0
R
2rdrx
4 r 2 x
3 2 2
x (1 ) 2 2 2 R x
E
0
R
2rdrx
4 r 2 x
3 2 2
x (1 ) 2 R2 x2
1 求均匀带电细棒中垂线上距O为y点的场强。 设棒长为 l , 电荷线密度为 解：由对称性可知，选用如图所示的坐标系，中垂面上 一点的场强沿y 方向，在x方向抵消。 y dx
4 0 r l 2 cos dx E y ( p) dE y 2 l 2 4 0 r
解：dq dl q q ad d a 0 0
0
a
dE
1 dq 1 q dE d 2 2 4 0 a 4 0 a 0
根据对称性， O处的电场强度方向向下
0
2
O
d E
d E d E
dE y dE cos E y dE y 1 q
S 上
计算无限大均匀带电平板（厚度为d、密度为 ）的电场。
4
其中
下
E cos dS E cos dS E cos dS
前 后
上
左
E cos dS E cos dS
右
前 E cos dS 后 E cos dS 0 2
解
V0 0 q q VD 4 0 (3l ) 4 0l
C +q A
大学物理第6章真空中的静电场课后习题与答案
第6章真空中的静电场习题及答案1.电荷为q 和2q 的两个点电荷分别置于x1m 和x1m 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 q 位于点电荷 0q 的右侧，它受到的合力才可能为0，所以2qqqq00224(x 1)4(x1) ππ 00故x3222.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2 4 1 π 0 q a 22 cos304 1 π 0 ( q 33qa 2 )3故qq3(2)与三角形边长无关。
3.如图所示，半径为R 、电荷线密度为1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2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dqdl 1，dq 在带电圆环轴 线上x 处产生的场强大小为 dE 4 dq20(xRy2 )根据电荷分布的对称性知，yE0E zdEdEcos x41xdq 1R 3 22 2O(xR) 02xl式中：为dq 到场点的连线与x 轴负向的夹角。
E x4x 220(xR) 3 2dqzx21R R 1 x4x 2R2()3 2 2xR 2( 02 )3 2下面求直线段受到的电场力。
在直线段上取dqdx2，dq受到的电场力大小为Rx12dFxdxEdq32222(xR)0方向沿x轴正方向。
直线段受到的电场力大小为Rlx12FdxdF3202220xR)(11R1121/22R22lR方向沿x轴正方向。
4.一个半径为R的均匀带电半圆环，电荷线密度为。
求：（1）圆心处O点的场强；（2）将此带电半圆环弯成一个整圆后，圆心处O点场强。
第九章 真空中的静电场(答案)
一． 选择题[ B ] 1（基础训练1） 图中所示为一沿x 轴放置的“无限长”分段均匀带电直线，电荷线密度分别为＋λ(x ＜0)和－λ(x ＞0)，则Oxy 坐标平面上点(0，a )处的场强E为(A) 0． (B) i a 02ελπ． (C) i a 04ελπ． (D)()j i a+π04ελ． 【提示】左侧与右侧半无限长带电直线在(0，a )处产生的场强大小E ＋、E －大小为：E E +-==矢量叠加后，合场强大小为：02E aλπε=合，方向如图。
［ B ］ 2（基础训练2） 半径为R 的“无限长”均匀带电圆柱体的静电场中各点的电场强度的大小E 与距轴线的距离r 的关系曲线为：【提示】由场分布的轴对称性，作闭合圆柱面（半径为r ，高度为L ）为高斯面。
据Guass 定理：SE dS=iiq ε∑⎰r R ≤时，有：()22012rL=r E L R λππεπ⎛⎫ ⎪⎝⎭，即：20r =2E R λπε r R >时，有：()012rL=E L πλε ，即：0=2rE λπε ［ C ］ 3（基础训练3） 如图所示，一个电荷为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： (A)06εq ． (B) 012εq． (C) 024εq ． (D) 048εq ．【提示】添加7个与如图相同的小立方体构成一个大立方体，使A 处于大立方体的中心。
则大立方体的外表面构成一个闭合的高斯面。
由Gauss 定理知，通过该高斯面的电通量为qε。
另一方面，该高斯面可看成由24个面积与侧面abcd 相等的面组成，且具有对称性。
所以，通过侧面abcd 的电场强度通量等于24εq ［ D ］ 4（基础训练6） 在点电荷+q 的电场中，若取图中P 点处为电势零点 ， 则M 点的电势为 (A) a q 04επ． (B) a q 08επ． (C) a q 04επ-． (D) a q 08επ-．【提示】200248P a M M aq qU E dl dr r a πεπε-===⎰⎰［ B ］ 5（自测提高6）如图所示，两个同心的均匀带电球面，内球面半径为R 1、带电荷Q 1，外球面半径为R 2、带有电荷Q 2．设无穷远处为电势零点，则在内球面之内、距离球心为r 处的P 点的电势U 为：(A)rQ Q 0214επ+． (B) 20210144R Q R Q εεπ+π． (C) 0． (D) 1014R Q επ． 【提示】根据带电球面在球内外所激发电势的公式，以及电势叠加原理即可知结果。
大学大学物理习题解答参考答案-一、真空中的静电场
20XX年复习资料大学复习资料专业：班级：科目老师：一、日期：真空中的静电场一、 选择题：1．下列几个说法哪一个是正确的？（A ） 电场中某点场强的方向，就是将点电荷放在该点所受电场力的方向。
（B ） 在以点电荷为中心的球面上，由该点电荷所产生的场强处处相同。
（C ） 场强方向可由/F E =q 定出，其中q 为试验电荷的电量，q 可正可负，F 为试验电荷所受的电场力。
（D ） 以上说法都不正确。
[ ]2．关于静电场中某点电势值的正负，下列说法中正确的是：（A ） 电势值的正负取决于置于该点的试验电荷的正负。
（B ） 电势值的正负取决于电场力对试验电荷作功的正负。
（C ） 电势值的正负取决于电势零点的选取。
（D ） 电势值的正负取决于产生电场的电荷的正负。
[ ]3、某电场的电力线分布情况如图所示。
一负电荷从M 点移到N 点。
有人根据这个图作出下列几点结论，其中哪点是正确的？（A ） 电场强度N M E E <。
（B ）电势N M U U <。
（C ）电势能N M W W <。
（D ）电场力的功A>0。
[ ]4、将一个试验电荷q 0 (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 0不是足够小，则(A)F ／q 0 比P 点处原先的场强数值大．(B)F ／q 0 比P 点处原先的场强数值小．(C)F ／q 0 等于原先P 点处场强的数值．(D)F ／q 0 P 点处场强数值关系无法确定，[ ]5、一电偶极子放在均匀电场中，当电偶极矩的方向与场强方向不一致时，其所受的合力F 和合力矩M 为：(A) F ＝0，M ＝0， (B) F ＝0，M ≠0，(C) F ≠0，M ＝0， (D) F ≠0，M ≠0， [ ]6、已知一高斯面所包围的体积内电量代数和∑i q =0，则可肯定：（A ） 高斯面上各点场强均为零。
（B ） 穿过高斯面上每一面元的电通量均为零。
真空中的静电场(1、3)习题难点讲解
d 4 0a
指向 dq
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 解：（1）高斯面为同心球面：
4 r E
2
q
0
（i）当 r R 时，
R
dr r
O
q dV
r
r
0
2 Ar 4 r dr
O
r
P
1. 当半径从r1变到r2时，电能变化为
Q 1 1 1 2 1 2 0 r11 8 0 r2 8 0 r1 8 0 r2 r1 r2 r1 5 108 J Q
2
Q
2
2
2.
r EP E面 E洞 1 2 2 2 0 2 0 R r r 2 0 R 2 r 2
Ar 4
4 r E1
2
1
故
0
Ar 4
Ar 2 E1 er 4 0
（ii）当 r R 时，
R
q dV AR
4
Ar 4 r 2dr 0
R
dr r
O
r
4 r E2
2 r 4 0 r
dq dl ad
ad d dE 2 4 0a 4 0a
指向 dq
rd sin 这一对线元在O点的元 1 rd d dE 2 4 0 r sin 4 0 r sin 场强等值反向，相互抵 dq dl
E2 y (sin 2 sin 1 ) 4 0a 1 , 2
E2 y E2 4 0a 2 0a
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
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
10真空中的静电场二解答
真空中的静电场（二）
第五章 真空中的静电场
5．已知某电场的电场线分布情况如图所示．现观察到 一负电荷从M点移到N点．有人根据这个图作出下列几 点结论，其中哪点是正确的？ (A) 电场强度EM＜EN． (B) 电势M＜N． (C) 电势能WM＜WN． (D) 电场力的功A＞0． 电场线密处,电场强度大. 电场线由高电位指向低电位.
r
S面上各点场强与两带电体均有关.
B
A +q
-q
真空中的静电场（二）
第五章 真空中的静电场
4. 如图，CDEF为一矩形，边长分别为l和2l．在DC延 长线上CA=l处的A点有点电荷+q，在CF的中点B点有点 电荷-q，若使单位正电荷从C点沿CDEF路径运动到F点, 则电场力所作的功等于：
5 1 (A) 4 0l 5 l q
2
dE
s0 E Ex i E y j i 2 0
真空中的静电场（二）
第五章 真空中的静电场
3. 一半径为R的带电球体，其电荷体密度分布为 r= Cr (r≤R,C为常量）r= 0 (r>R) 试求：(1) 带电球体的总电荷； (2) 球内、外各点的电场 强度； (3) 球内、外各点的电势. 解: R R Q rdV r 4r 2 dr 4Cr 3 dr CR 4 1）
真空中的静电场（二）
第五章 真空中的静电场
3. 如图，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．则 (A) 通过S面的电场强度通量为零，S面上各点的场 强为零。 (B) 通过S面的电场强度通量为q/0，S面上场强的 大小为E=q/(40r2)． (C) 通过S面的电场强度通量为(-q/0)，S面上场强 的大小为E=q/(40r2)． (D) 通过S面的电场强度通量为q/0，但S面上各点 S 的场强不能直接由高斯定理求出．
真空中的静电场(含答案,大学物理作业,考研真题)
E
·B ·
A
3、（2018 年南京航空航天大学）真空中一半径为 R 的均匀带电圆盘，电荷面密度为σ，设
无穷远处为电势零点，则圆盘中心 O 点的电势 U=
。（真空的电容率ε0 为已知常数。）
三、计算题
1、（2017 年西南科技大学）如图所示，一半径为 R 的实心带电球体，球体内均匀分布有电荷 q，求：
Q dl R
j
由几何关系 dl Rd ，统一变量，积分得
EO
0
4
Q 2 0 R2
sin d
j
Q 2 2 0 R 2
j
方向沿 y 轴的负方向。在其环心处所放置的电荷 q 受到的电场力的大小为
F
qQ 2 20R2
，方向沿 y 轴的负方向。
第十章 真空中的静电场（2）
一、 选择题
1、B ； 2、D 二 、填空题
班级：
姓名：
学号：
第十章 真空中的静电场（3）
一 、选择题 1、静电场中某点电势的数值等于 (A)正试验电荷 q0 置于该点时具有的电势能； (B) 把正试验电荷 q0 从该点移到电势零点处电场力所作的功； (C) 把单位正电荷从该点移到电势零点处电场力所作的功
(D)把单位正电荷从该点移到电势零点处外力所作的功。
dl
为 dq Q dl ，它在点 O 的电场强度大小为 R
dE
1 4 0
dq R2
R
Oθ
x
dEx
dE dEy
其方向沿圆弧半径指向 O 点。分解 dE ，如图所示。因圆环上电荷对 y 轴呈对称性分布，
9
则有 l dEx 0 ，点 O 的合电场强度为
EO
l dEy
j
第09章真空中的静电场习题解
第9章 真空中的静电场9.1 两个电量都是q +的点电荷分别固定在真空中两点A 、B ，相距2a 。
在它们连线的中垂线上放一个电量为q '的点电荷，q '到A 、B 连线的中点的距离为r 。
求q '所受的静电力，并讨论q '到A 、B 连线的中垂线上哪一点受力最大？若q '在A 、B 的中垂线上某一位置由静止释放，它将如何运动？分别就q '与q 同号和异号两种情况进行讨论。
解： ()12202cos 24qq F F r aαπε'==⨯⨯+()322202qq r r aπε'=+当0dF dr=时，有极值()()()()3222310222222232202302qq r d r a qq r a r r a drr aπεπε⎛⎫'⎪ ⎪ ⎪+'⎡⎤⎝⎭==+-+=⎢⎥⎣⎦+ 即： ()()31222222230r arra+-+=2r ⇒=±受力最大当q 与q '同号沿A B 连线中垂线加速度远离q 直到无穷远。
当q 与q '异号，释放后将以A B 连线的中点为平衡位置，沿A B 连线的中垂线作掁动。
9.7 求半径为R 、带电量为Q 的均匀带电球体内外的场强分布。
解： 高斯定理：0SqE dS ε⋅=∑⎰R r < 33213300413 443rrE r Q Q R Rπππεε⎛⎫⎪⇒==⎪⎪⎝⎭314Rr Q E πε=⇒ 方向沿半径向外R r > 22014E r Q πε⇒⋅=2214rQ E πε=⇒ 方向沿半径向外9.8求半径为R 、面电荷密度为σ的无限长均匀带电圆柱面内外的场强分布。
解： 选取高为h ，同轴封闭圆柱面Ｓ，E呈轴对对称分布。
高斯定理：0SqE dS ε⋅=∑⎰214q r R E r πε<=∑=０1 0E ⇒= 2122qrh Rh r R Eππσεε==∑>02R rEσε⇒=方向沿半径向外9.9半径分别为1R 和2R （21R R >）的一对无限长共轴圆柱面上均匀带电，沿轴线单位长度的电荷分别为1λ、2λ。
1 练习一 真空中的静电场详解
O
x
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 ，产生的 场强为
G −QΔL G Q ΔL G i ，所以圆弧产生的场强为 E i ；又根据电势叠加原理可得 O = 2 4πε 0 R L 4πε 0 R 2 L
3． 如图所示曲线表示一种轴对称性静电场的场强大小 E 的分布， r 表示离对称轴的距离， 可判断这是 的电场。 E
答案：半径为 R 的无限长均匀带电园柱体。 解：由于场强是具有轴对称性静电场，又 r < R 时， E ∝ r ， 可知是无限长均匀带电园柱体的电场。 O
E ∝r
E∝
R
1 r
r
4．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 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
x
解：-q 所受的合力 F，始终指向原点 O，所以-q 从静止释放后，便以 O 点为平衡位置在 竖直方向作来回往返运动——即作周期性振动。 2．如图，在点电荷+Q，-Q产生的电场中，abcd为同一直线上等间距的四个点，若将一点 电荷+q0由b点移到d点，则电场力 [ （A）作正功； （C）不作功; 答案： （A） 解：b 点电势为 U b = （B）作负功； （D）不能确定。 ] a +Q b c -Q d
G 得坐标点（2，3，0）处的场强 E = G G G G 答案： E = 132i + 132 j + 0k
G i+
G j+
G k （SI）
大学物理 第十二章 真空中静电场习题解答
第十二章 真空中静电场习题解答（参考）12．6 一均匀带电的细棒被弯成如图所示的对称形状，试问θ为何值时，圆心O 点处的场强为零．[解答]设电荷线密度为λ，先计算圆弧的电荷在圆心产生的场强． 在圆弧上取一弧元 d s =R d φ， 所带的电量为 d q = λd s ， 在圆心处产生的场强的大小为 2200d d d d 44q s E kr R Rλλϕπεπε===， 由于弧是对称的，场强只剩x 分量，取x 轴方向为正，场强为d E x = -d E cos φ． 总场强为2/20/2cos d 4x E Rπθθλϕϕπε--=⎰2/20/2sin 4Rπθθλϕπε--=0sin 22R λθπε=，方向沿着x 轴正向．再计算两根半无限长带电直线在圆心产生的场强． 根据上一题的公式③可得半无限长带电直线在延长上O 点产生的场强大小为`04E Rλπε=，由于两根半无限长带电直线对称放置，它们在O 点产生的合场强为``02coscos 222x E E R θλθπε==，方向沿着x 轴负向．当O 点合场强为零时，必有`x x E E =，可得 tan θ/2 = 1，因此 θ/2 = π/4， 所以 θ = π/2．12．8 （1）点电荷q 位于一个边长为a 的立方体中心，试求在该点电荷电场中穿过立方体一面的电通量是多少？（2）如果将该场源点电荷移到立方体的的一个角上，这时通过立方体各面的电通量是多少？ [解答]点电荷产生的电通量为图12.6RΦe = q/ε0．（1）当点电荷放在中心时，电通量要穿过6个面，通过每一面的电通量为Φ1 = Φe /6 = q /6ε0．（2）当点电荷放在一个顶角时，电通量要穿过8个卦限，立方体的3个面在一个卦限中，通过每个面的电通量为Φ1 = Φe /24 = q /24ε0；立方体的另外3个面的法向与电力线垂直，通过每个面的电通量为零．12．10 两无限长同轴圆柱面，半径分别为R 1和R 2(R 1 > R 2)，带有等量异号电荷，单位长度的电量为λ和-λ，求（1）r < R 1；（2） R 1 < r < R 2；（3）r > R 2处各点的场强．[解答]由于电荷分布具有轴对称性，所以电场分布也具有轴对称性． （1）在内圆柱面内做一同轴圆柱形高斯面，由于高斯内没有电荷，所以E = 0，（r < R 1）．（2）在两个圆柱之间做一长度为l ，半径为r 的同轴圆柱形高斯面，高斯面内包含的电荷为 q = λl ，穿过高斯面的电通量为d d 2e SSE S E rl Φπ=⋅==⎰⎰E S Ñ，根据高斯定理Φe = q /ε0，所以02E rλπε=， (R 1 < r < R 2)． （3）在外圆柱面之外做一同轴圆柱形高斯面，由于高斯内电荷的代数和为零，所以E = 0，（r > R 2）．12.11 13．9 一厚度为d 的均匀带电无限大平板，电荷体密度为ρ，求板内外各点的场强．[解答]方法一：高斯定理法．（1）由于平板具有面对称性，因此产生的场强的方向与平板垂直且对称于中心面：E = E`． 在板内取一底面积为S ，高为2r 的圆柱面作为高斯面，场强与上下两表面的法线方向平等而与侧面垂直，通过高斯面的电通量为d e SΦ=⋅⎰E S2d d d S S S =⋅+⋅+⋅⎰⎰⎰E S E S E S 1`02ES E S ES =++=，高斯面内的体积为 V = 2rS ，包含的电量为 q =ρV = 2ρrS ， 根据高斯定理 Φe = q/ε0，可得场强为 E = ρr/ε0，(0≦r ≦d /2)．①（2）穿过平板作一底面积为S ，高为2r 的圆柱形高斯面，通过高斯面的电通量仍为 Φe = 2ES ，高斯面在板内的体积为V = Sd ， 包含的电量为 q =ρV = ρSd ，根据高斯定理 Φe = q/ε0，可得场强为 E = ρd /2ε0，(r ≧d /2)． ②方法二：场强叠加法．（1）由于平板的可视很多薄板叠而成的，以r 为界，下面平板产生的场强方向向上，上面平板产生的场强方向向下．在下面板中取一薄层d y ，面电荷密度为d σ = ρd y ，产生的场强为 d E 1 = d σ/2ε0，积分得100/2d ()222rd y dE r ρρεε-==+⎰，③ 同理，上面板产生的场强为/2200d ()222d ry dE r ρρεε==-⎰，④ r 处的总场强为E = E 1-E 2 = ρr/ε0．（2）在公式③和④中，令r = d /2，得E 2 = 0、E = E 1 = ρd /2ε0，E 就是平板表面的场强．平板外的场强是无数个无限薄的带电平板产生的电场叠加的结果，是均强电场，方向与平板垂直，大小等于平板表面的场强，也能得出②式．12．17 电荷Q 均匀地分布在半径为R 的球体内，试证明离球心r （r <R ）处的电势为2230(3)8Q R r U Rπε-=． [证明] 球的体积为343V R π=， 电荷的体密度为 334Q QV R ρπ==． 利用高斯定理的方法可求球内外的电场强度大小为30034QE r r Rρεπε==，（r ≦R ）； 204Q E rπε=，（r ≧R ）．取无穷远处的电势为零，则r 处的电势为d d d RrrRU E r E r ∞∞=⋅=+⎰⎰⎰E l3200d d 44RrRQ Q r r r R rπεπε∞=+⎰⎰230084R rRQQ r R rπεπε∞-=+22300()84Q Q R r RRπεπε=-+2230(3)8Q R r R πε-=．12．21 如图所示，一个均匀带电，内、外半径分别为R 1和R 2的均匀带电球壳，所带电荷体密度为ρ，试计算：（1）A ，B 两点的电势；（2）利用电势梯度求A ，B 两点的场强． [解答]（1）A 点在球壳的空腔内，空腔内的电势处处相等，因此A 点的电势就等于球心O 点的电势．在半径为r 的球壳处取一厚度为d r 的薄壳，其体积为 d V = 4πr 2d r ， 包含的电量为d q = ρd V = 4πρr 2d r ， 在球心处产生的电势为00d d d 4O qU r r r ρπεε==，球心处的总电势为2122210d ()2R O R U r r R R ρρεε==-⎰， 这就是A 点的电势U A ．过B 点作一球面，B 的点电势是球面外的电荷和球面内的电荷共同产生的．球面外的电荷在B 点产生的电势就等于这些电荷在球心处产生的电势，根据上面的推导可得22120()2B U R r ρε=-． 球面内的电荷在B 点产生的电势等于这些电荷集中在球心处在B 点产生的电势．球壳在球面内的体积为3314()3B V r R π=-，包含的电量为 Q = ρV ，这些电荷集中在球心时在B 点产生的电势为332100()43B BBQ U r R r r ρπεε==-． B 点的电势为U B = U 1 + U 2322120(32)6B BR R r r ρε=--．图12.21（2）A 点的场强为0AA AU E r ∂=-=∂． B 点的场强为3120()3B B B B BU R E r r r ρε∂=-=-∂。
第八章 真空中静电场习题解答
所以
Q=
3 q 3
2、线电荷密度为λ的无限长均匀带电线，分别弯成如图(a)和(b)所示的两种形状， 若圆半径为 R，试求(a)、(b)图中 O 点的场强。 解： （a）设 A∞半无限直导线在 O 点产生场强 E1
r
E1 x = E1 y =
λ λ (cos θ 1 − cos θ 2 ) = 4πε 0 R 4πε 0 R λ −λ (sin θ 2 − sin θ 1 ) = 4πε 0 R 4πε 0 R r
dq = λdl = λRdθ
dE =
（λ =
2Q ） πR
λ Rdθ λdθ = 4πε 0 R 2 4πε 0 R π λ dθ Q E y = 2∫ dE cos θ = 2∫02 cos θ = 4πε 0 R ε 0π2R 2
方向沿−y 方向 4、一无限大的均匀带电平板，电荷密
2
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（2） r < R
u = ∫ Edr =
r R
R
r>R
u = ∫ Edr = −
r
7
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大学物理习题解答
13、如图所示，AB=2l，弧 OCD 是以 B 为
——
中心，l为半径的半圆。A 点有点电荷+q，B 点有点电荷-q。 (1)把单位正电荷从 O 点沿弧 OCD 移到 D 点，电场力作了多少功? (2)若把单位负电荷从 D 点沿 AB 的延长线移到无穷远处，电场力作功 又为多少? 解： （1） A 1 = ( U 0 − U D )
2πσ 0 × ρdρ 4πε 0 (ρ 2 +
《大学物理》真空中的静电场练习题及答案解析
《大学物理》真空中的静电场练习题及答案解析一 选择题1. 下列几个说法中哪一个是正确的 （B ）（A ）电场中某点场强的方向，就是将点电荷放在该点所受电场力的方向（B ）电场中某点的场强大小与试验电荷无关。
（C ）场强大小由 E =F /q 可知，某点的场强大小与试验电荷受力成正比，与电量成反比。
（D ）在以点电荷为中心的球面上，由该点电荷所产生的场强处处相同2. 如图所示为一沿 x 轴放置的“无限长”分段均匀带电直线，电荷线密度分别为+λ、-λ，则 oxy坐标平面上点（0，a ）处的场强E 的方向为（ A ）( A )x 正方向 （B ） x 负方向 （C ）y 正方向（D ）y 负方向3.如图所示，一个带电量为q 的点电荷位于正立方体的中心上，则通过其中一侧面的电场强度通量等于：（ B ）（A）04εq (B)06εq (C) 024εq (D) 027εq第2题图 第3题图 4．关于高斯定理0ε∑⎰⎰=⋅=Φi s e q s d E ，下列说法中正确的是（ C ）（A ）如果高斯面无电荷，则高斯面上的电场强度处处为零（B ）如果高斯面上的电场强度处处为零，则高斯面内无电荷（C ）如果高斯面上的电场强度处处为零，则通过高斯面的电通量为零（D ）若通过高斯面的电通量为零，则高斯面上的电场强度处处为零5.如图所示，闭合曲面S 内有一点电荷q ，P 为S 面上一点，在S 面外A 点有一点电荷,q ，将其移到B 点，则（ B ）（A ）通过S 面的电通量不变，P 点的电场强度不变。
（B ）通过S 面的电通量不变，P 点的电场强度变化。
（C ）通过S 面的电通量改变，P 点的电场强度不变。
（D ）通过S 面的电通量改变，P 点的电场强度变化。
6．下列说法中正确的是（ D ）（A ）场强为0的点电势也为0 （B ）场强不为0的点电势也不为0（C ）电势为0的点，则电场强度也一定为0（D ）电势在某一区域为常数，则电场强度在该区域必定为01.B2.A3.B4.C5.D 、6D二 填空题1、在点电荷的q +，q -电场中，作如图所示的三个高斯面，求通过321S S 、、S ，球面的电通量分别为________________、_______________、______________。
10 真空中的静电场习题(二)-答案 (2)
1真空中的静电场习题（二）答案三、计算题1、 (1)带电直线上离中心O 为z’处的电荷元dq=λdz ’在P 点产生的电势)'z z ('dz 41)'z z (dq 41dU 0-=-=λπεπε带电直线在P 点的电势：)'z z ('dz 41dU U 0llLP -==⎰⎰-λπε，lz l z lnl8q U 0P -+=πεP 点的电场强度：zU E ∂∂-=，)l z (4qE 220-=πε，k )l z (4qE 220 -=πε(2)带电直线上离中心O 为z 处的电荷元dq=λdz 在P 点产生的电势2222rz dz 41rz dq 41dU +=+=λπεπε带电直线在P 点的电势：⎰⎰-+==ll220LP rz dz41dU U λπεrr l l lnl4q U 220P ++=πεP 点的电场强度：rU E ∂∂-=，)l r (r 4qE 220+=πε0220r )l r (r 4qE+=πε2.（1） 120ln22212121r r dr rEdr U U r r r r r r πελπελ===-⎰⎰（2）在点电荷的电场中，我们曾取r →∞处的电势为零，是因为电荷分布在有限的空间中；若无限长均匀带电直线附近的电势也这样取，其电场中任一点的电势为无限大，这就无意义了。
本题中带电体为无限长均匀带电直线，电荷分布在无限的空间中，零电势点就不能取无限远处的电势为零。
3、 无穷远处为电势零点，两个电荷构成的电荷系在O 点和D 点的电势为0L 4q L 4q U 00O =-+=πεπεLq Lq Lq U D 00064314πεπεπε-=-+=(1) 单位正电荷从O 沿OCD 移动到D ，电场力做的功：)U U )(1(A P O -+=, L6q A 0πε=(2) 单位负电荷从D 沿AB 延长线移动到无穷远，电场力做的功:)U U )(1(A P ∞--=，)0L6q (A 0---=πε, L6q A 0πε=4. C 、F 两点之间的电势差为5154-⋅=lq U o CF πε将单位正电荷从C 点沿CDEF 路径运动到F 点，电场力所作的功5154-⋅==lq U A o CF πε5、 根据动能定理，静电力对电子做的功等于电子动能的增量: )U U(e mv21B A2-=114q 414q Uo2o1Aπεπε+=，V 63U A -=, 414q 114q U o2o1B πεπε+=，V 153U B =m )U U (e 2v B A -=, s /m 107.8v 6⨯= 6. 20111)ln (2222=-+=++-∂∂-=∂∂-=xyx x x yx xU x E x53)ln (2222=+=++-∂∂-=∂∂-=yx yx y x xU yE y点P （4，3，0）处的电场强度j i j E i E E y x532011+=+=(1)计算题∙∙ABq-q+ODCL L。
大学物理-真空中的静电场习题课和答案解析
基本要求
1、掌握静电场的电场强度和电势的概念以及电场 强度和电势的叠加原理。
2、掌握静电场强度和电势的积分关系，了解场强 与电势的微分关系，能计算一些简单问题中的 场强和电势。
3、理解静电场的规律：高斯定理和环路定理。掌 握用高斯定理计算场强的条件和方法，并能熟 练应用。
1、基本概念： ① 电场强度矢量
圆环上的电荷分布对环心对称，它在环心处的场强为零。
E
E1
Q
16 0 R2
方向竖直向下。
1、在静电场中，下列说法正确的是：
A）带正电荷的导体，其电势一定是正值。 B）等势面上各点的场强一定相等。
√ C）场强为零处，电势也一定为零。 D）场强相等处，电势梯度矢量一定相等。
四、证明题（10分）
有一带电球壳，内、外半径分别为a 和b ，电荷体密度 ρ = A / r ，
解：先计算细绳上的电荷对中心产生的场强。
3R
选细绳的顶端为坐标原点O。X轴向下为正。
在x 处取一电荷元 dq dx Qdx / 3R
R
它在环心处的场强为：
R/2
dq
Qdx
dE1
4 0 (4R
x)2
12 0R(4R
x)2
整个细绳上的电荷在O点处的场强为：
3R
Qdx
Q
E1 0 12 0R(4R x)2 16 0R2
P
P0
E
d
l
P
微分关系E U
③ 电通量
de E d S
e SE d S
④ 电势能
零点
Wa q0 a E d l q0U a
⑤ 电势差 U U ab U a U b
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方向沿 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，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：
（1） ， ， ；
（2） 。
解：（1）根据电场分布的球对称性，可以选以O为球心、半径为r的球面作高斯面，根据高斯定理即可求出： 。
（A） ；（B） ；
（C） ；（D） 。
答案：C
解：由高斯定理知内圆柱面里面各点E＝0，两圆柱面之间 ，则P点的电势为
5．在边长为a的正方体中心处放置一点电荷Q，设无穷远处为电势零点，则在正方体顶角处的电势为
（A） ；（B） ；（C） ；（D） 。
答案：B
解：正方体中心到顶角处的距离 ，由点电荷的电势公式得
答案：
解：设内球上所带电荷为Q，则两球间的电场强度的大小为
( )
两球的电势差
所以
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 。（1）求圆环轴线上离环心O为x处的P点的电势；（2）再应用场强和电势梯度的关系求P点的场强；（3）若令 ，则P点的场强又为多少？
答案：（1） ；
（2） ；
总场强
方向沿x轴，即杆的延长线方向。
2．如图所示，一半径为R的半圆环，右半部均匀带电 ，左半部均匀带电 。问半圆环中心O点的电场强度大小为多少？方向如何？
答案： ，方向水平向左。
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 ，则电荷元在中心O点产生的场强为
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[ ]
答案：B
解：由高斯定理知均匀带电球体的场强分布为 ，所以选（B）。
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，则在内圆柱面里面、距离轴线为r的P点的场强大小和电势分别为[ ]
习题一
一、选择题
1．如图所示，半径为R的圆环开有一小空隙而形成一圆弧，弧长为L，电荷 均匀分布其上。空隙长为 ，则圆弧中心O点的电场强度和电势分别为[]
（Ａ） ；（Ｂ） ；
（Ｃ） ；（Ｄ） 。
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l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 ，产生的场强为 ，所以圆弧产生的场强为 ；又根据电势叠加原理可得
答案： ； 。
解：电场力做功与路径无关。
（1） ， ，
（2）
4．如图所示，两同心带电球面，内球面半径为 ，带电荷 ；外球面半径为 ，带电荷 。设无穷远处电势为零，则在两球面间另一电势为零的球面半径 __________。
答案：10cm
解：半径为R的均匀带电球面的电势分布为 。所以，当 时， 。令 ，得 。
（3）当 ， 。
解：（1）把圆环分成许多小圆环。对半径为y，宽为dy的小圆环，其电量为 ，该带电小圆环在P点产生的电势为
整个园环上的电荷在P点产生的电势
（2） ，方向沿x正向；
（3）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 和 ，通过整个球面的电场强度通量为 ，则［］
（A） ；（B） ；
（C） ；（D） 。
答案：D
解：由高斯定理知 。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， ，所以 。
在空腔内（ ）： ，所以
在带电球层内（ ）： ，
在带电球层外（ ）： ，
（2）空腔内任一点的电势为
还可用电势叠加法求空腔内任一点的电势。在球层内取半径为 的薄球层，其电量为
在球心处产生的电势为
整个带电球层在球心处产生的电势为
因为空腔内为等势区（ ），所以空腔内任一点的电势U为
4．两个带等量异号电荷的均匀带电同心球面，半径分别为 和 。已知两者的电势差为450 V，求内球面上所带的电荷。
5．已知某静电场的电势分布为 ，则场强分布
_______________________________________。
答案：
解：电场强度与电势梯度的关系为 。由此可求得
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杆的一端为d的P点的电场强度。
答案：
解：带电直杆的电荷线密度为 。设坐标原点O在杆的左端，在x处取一电荷元 ，它在P点的场强为
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 和 ，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
为和。
答案： ； 。
解：无限长均匀带电直线，在空间某点产生的场强 ，方向垂直于带电直线沿径向向外（ ）。式中a为该点到带电直线的距离。
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
；
2．一半径为R，长为L的均匀带电圆柱面，其单位长度带有。在带电圆柱的中垂面上有一点P，它到轴线距离为 ，则P点的电场强度的大小：当 时， _____________；当 时， _____________。
答案： ； 。
解：当 时，带电体可视为无限长均匀带电圆柱面；当 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延长线移到无穷远，电场力所做的功为_______________。