物理学第三版(刘克哲张承琚)课后习题答案第十章

[物理学10章习题解答]

10-3两个相同的小球质量都是m，并带有等量同号电荷q，各用长为l的丝线悬挂于同一点。由于电荷的斥力作用，使小球处于图10-9所示的位置。如果角很小，试证明两个小球的间距x可近似地表示为

.

解小球在三个力的共同作用下达到平衡，这三个力分别

是重力m g、绳子的张力t和库仑力f。于是可以列出下面的

方程式

,(1)

图10-9

,(2)

(3)

因为角很小，所以

,

.

利用这个近似关系可以得到

,(4)

.(5)

将式(5)代入式(4)，得

,

由上式可以解得

.

得证。

10-4在上题中，如果l = 120 cm，m = kg，x = cm，问每个小球所带的电量q 为多大

解在上题的结果中，将q解出，再将已知数据代入，可得

.

10-5氢原子由一个质子和一个电子组成。根据经典模型，在正常状态下，电子绕核作圆周运动，轨道半径是r0 = 1011m。质子的质量m = 1027kg，电子的质量m = 1031kg，它们的电量为e =1019c。

(1)求电子所受的库仑力；

(2)电子所受库仑力是质子对它的万有引力的多少倍

(3)求电子绕核运动的速率。

解

(1)电子与质子之间的库仑力为

.

(2)电子与质子之间的万有引力为

.

所以

.

(3)质子对电子的高斯引力提供了电子作圆周运动的向心力，所以

,

从上式解出电子绕核运动的速率，为

.

10-6 边长为a的立方体，每一个顶角上放一个电荷q。

(1)证明任一顶角上的电荷所受合力的大小为

.

(2) f的方向如何

解立方体每个顶角上放一个电荷q，由于对称性，每

个电荷的受力情况均相同。对于任一顶角上的电荷，例如b 图10-10

角上的q b ，它所受到的力、和大小也是相等的，即

.

首先让我们来计算的大小。

由图10-10可见，、和对的作用力不产生x方向的分量；

对的作用力f1的大小为

,

f1的方向与x轴的夹角为45。

对的作用力f2的大小为

,

f2的方向与x轴的夹角为0。

对的作用力f3的大小为

,

f3的方向与x轴的夹角为45。

对的作用力f4的大小为

,

f4的方向与x轴的夹角为，。

于是

.

所受合力的大小为

.

(2) f的方向：f与x轴、y轴和z轴的夹角分别为、和，并且

,

.

10-7计算一个直径为cm的铜球所包含的正电荷电量。

解根据铜的密度可以算的铜球的质量

.

铜球的摩尔数为

.

该铜球所包含的原子个数为

.

每个铜原子中包含了29个质子，而每个质子的电量为1019 c，所以铜球所带的正电荷为

.

10-8 一个带正电的小球用长丝线悬挂着。如果要测量与该电荷处于同一水平面内某点的电场强度e，我们就把一个带正电的试探电荷q0 引入该点，测定f/q0。问f/q0是小于、等于还是大于该点的电场强度e

解这样测得的f / q0是小于该点的电场强度e的。因为正试探电荷使带正电的小球向远离试探电荷的方向移动，q0受力f减小了。

10-9根据点电荷的电场强度公式

,

当所考查的点到该点电荷的距离r接近零时，则电场强度趋于无限大，这显然是没有意义的。对此应作何解释

解当r 0时，带电体q就不能再视为点电荷了，只适用于场源为点电荷的场强公式不再适用。这时只能如实地将该电荷视为具有一定电荷体密度的带电体。

10-10离点电荷50 cm处的电场强度的大小为nc1 。求此点电荷的电量。

解由于

,

所以有

.

10-11有两个点电荷，电量分别为107c和108c，相距15 cm。求：

(1)一个电荷在另一个电荷处产生的电场强度；

(2)作用在每个电荷上的力。

解 已知

= 107c 、

= 108c ，它们相距r = 15 cm ，

如图10-11所示。

(1)

在点b 产生的电场强度的大小为

,

方向沿从a 到b 的延长线方向。 在点a 产生的电场强度的大小为

,

方向沿从b 到a 的延长线方向。 (2)

对

的作用力的大小为

,

方向沿从b 到a 的延长线方向。 对

的作用力的大小为

.

方向沿从a 到b 的延长线方向。

10-12 求由相距l 的 q 电荷所组成的电偶极子，在下面的两个特殊空间内产生的电场强度：

(1)轴的延长线上距轴心为r 处，并且r >>l ；

(2)轴的中垂面上距轴心为r 处，并且r >>l 。 解

(1)在轴的延长线上任取一点p ，如图10-12所示，该点距轴心的距离为r 。p 点的电场强度为

.

在r >> l 的条件下，上式可以简化为

图10-11

图10-12

.(1)

令

,(2)

这就是电偶极子的电矩。这样，点p 的电场强度可以表示为

.(3)

(2)在轴的中垂面上任取一点q ，如图10-13所示，该点距轴心的距离为r 。q 点的电场强度为

也引入电偶极子电矩，将点q 的电场强度的大小和方向同时表示出来：

.

10-13 有一均匀带电的细棒，长度为l ，所带总电量为q 。求： (1)细棒延长线上到棒中心的距离为a 处的电场强度，并且a >>l ； (2)细棒中垂线上到棒中心的距离为a 处的电场强度，并且a >>l 。 解

(1)以棒中心为坐标原点建立如图10-14所示的坐标系。在x 轴上到o 点距离为a 处取一点p ，在x 处取棒元d x ，它

所带电荷元为d x ，该棒元到点p 的距离为a x ，它在p 点产生的电场强度为

.

整个带电细棒在p 点产生的电场强度为

图10-13

图10-14