带电细圆环作用下导体平面上感应电荷的分布
带电细圆环和导体平面周围空间的电场
2. 带电细圆环与接地导体平面在导体平面左侧空间的电势分布
在如图 1(a)所示的笛卡尔直角坐标系中，设均匀带电细圆环带电为正 q ，圆环半径为 R ，圆环所在 平面与无限大接地导体平面的法线成 α 夹角，以圆环圆心为坐标原点 o ， x 轴方向与导体平面法线平行， 既 x 轴垂直于导体平面， 则圆环所在平面与 x 轴负方向夹角为 α ， 圆环圆心到导体平面的距离为 d ， y 轴 在 x 轴和 x 轴在圆环所在平面内的投影所决定的平面内，y 轴和 z 轴所决定一平面与导体平面平行且满足 右手螺旋系。按电磁理论中的镜像法[5]，当该均匀带电圆环在导体平面上产生的感应负电荷在导体处于 静电平衡时， 在导体平面左侧空间产生的作用效果(力学的、 电磁学的)等效于该均匀带电圆环经导体平面 成像于导体平面右侧处的均匀带负电圆环体 − q 在左侧空间产生的作用效果。 分别在带电圆环和像圆环上 任一点 p1 ( − R cos α cos φ1 , R sin α cos φ1 , R sin φ1 ) 、 p2 ( 2d + R cos α cos φ2 , R sin α cos φ2 , R sin φ2 ) 各取微元电荷 其中 φ1 ( 0 ≤ φ1 ≤ 2 π ) 和 φ2 ( 0 ≤ φ2 ≤ 2 π ) 分别是点 p1 和点 p2 在 yoz 平面的投影点与坐标原点 o 的 dq1 、 −dq2 ， 连线与 y 轴正方向的夹角，称其为方位角。取无穷远处电势为零，这两个微元电荷在导体平面左侧空间 任一点 p ( x, y , z ) 产生的电势为：
当 R 较小时，可将(3)式中的函数分别按 R r1 和 R r2 用泰列级数展开，得到：
(3)
4R y 2 + z2 K − 2 2 2 2 2 π 1 3 y + z r1 − 2 R y + z = + 2 r1 4 r13 r12 − 2 R y 2 + z 2 4R y 2 + z2 − K 2 2 r22 − 2 R y 2 + z 2 π1 3 y +z = + 2 r2 4 r23 r22 − 2 R y 2 + z 2
再论带电细圆环与导体球壳系统的场分布
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｗ ｉ ｈ ｔ ｏ ｆｉ ｇ ｓ ｈ ｍｉｒ ｒｉ ｇ ”ｏ ｎ ｆ ｒ ｙ ｃ ａ ｇ ｄ ｒ ｇ ｉ ｏ ｄ ｃ ｉ ｇ ｓ ｈ ｒ ｔ ｄ ｔ ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｏ ｈ ｍａ ｅ ，ｔ ｅ“ ｒ ｏ ｍａ ｅ ｆ ｕ ｉ ｍｌ ｈ ｒ ｅ ｉ ａｃ ｎ ｕ ｔ ｐ ｅ ｅｉ ｓ ｕ — ａ ｏ ｎ ｎ ｎ ｓ ｌｄ ｅ ．Ａｃ ｏ ｄ ｎ Ｏ ｃ ａ ａ ｔ ｒａ ｄ ａ ｄ ｔ ｅｆ ｒ ｌ ｆＬ ｇ ｎ ｒ ｏ ｙ ｏ ａ ，ｓ ａ ｅ ｅｅ ｔｉ ｉｌ ｉｔｉ ｕ ｉ ｎ ｏ ｙ ｔｍ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｒ ｃ ｅ ｎ ｄ ｉ ｖ ｏ ｍｕ ａ ｏ ｅ ｅ ｄ ｅｐ ｌ ｎ ｍｉｌ ｐ ｃ ｌ ｃ ｒｃｆ ｄ ｄ ｓ ｒ ｔ ｆａ ｓ ｓ ｅ ｉ ｅ ｂ ｏ ｃ ｎ ｉｔｎ ｆａ ｃ ａ ｇ ｄ ｒｎ ｎ ｏ ｄ ｃ ｉ ｇ ｓ ｈ ｒ ｓ ｃ ｌ ｕ ａ ｅ ｙ ｓ ｐ ｒ ｏ ｉｉｎ ｐ ｉ ｃｐ ｅ Ｔｈ ｓ ｍｅ ｈ ｄ ｉ ｅ ｓ ｌ ｏ ｓｓ ｉ ｇ ｏ ｈ ｒ ｅ ｉ ｇ ａ ｄ ｃ ｎ ｕ ｔ ｐ ｅ ｅ ｉ ａ ｃ ｌ ｔ ｄ ｂ ｕ ｅ ｐ ｓｔ ｒｎ ｉ ｌ． ｎ ｏ ｉ ｔ ｏ ｓ ａ ｉ ｙ ｕ ｄ ｒｔ ｏ ｎ ｅ ｓｏ ｄ，ａ ｄ ｉ ａ ｐ ｉ ｄ ｔ ｏ ｖ ｎ ｈ ｉ ｔｉ ｕ ｉ ｎ ｏ ｘ ａ ｓ ｍ ｍｅ ｒｃ ｓ ａ ｉ ｆ ｌ ． ｎ ｓ ｐ ｌ Ｏ ｓ ｌ ｉ ｇ ｔ ｅ ｄ ｓ ｒｂ ｔ ｆａ ｉ ｌ ｙ ｅ ｏ ｔ ｉ ｔ ｔ ｉ ｄ ｃ ｅ
和像 电荷共 同产 生 的． 文献 ［ ］ 导 出 了均匀 带 电细 １推
实心导体静电平衡时电荷分布
实心导体静电平衡时电荷分布
在物理学中，实心导体静电平衡时电荷分布是一个重要的概念。
实心导体是指内部没有空洞的导体，通常是一个完全封闭的金属球体或圆柱体。
当一个实心导体处于静电平衡状态时，内部电荷会按照一定的规律分布，这种分布对于导体内部电场的性质和外部电场的影响具有重要意义。
当一个实心导体处于静电平衡时，内部电荷会沿着表面均匀分布。
这是因为在静电平衡条件下，导体内部不存在任何净电荷，所有净电荷都会聚集在导体表面。
这样的分布可以确保导体内部的电场为零，因为内部电荷会互相抵消，不会产生电场。
导体表面的电荷密度是与表面曲率成反比的。
这意味着在一个实心导体球体上，电荷密度在曲率最大的地方会最小，而在曲率最小的地方会最大。
这是由于电荷在导体表面上会受到库仑排斥力的作用，会尽可能远离曲率较大的地方，从而在曲率较小的地方聚集。
实心导体静电平衡时的电荷分布也与导体的形状和大小有关。
在一个圆柱体导体上，电荷会更多地分布在两个端面附近，而在球体上则会更加均匀。
这是因为球体的曲率相对均匀，电荷更容易均匀分布在表面上，而圆柱体的两个端面的曲率更大，电荷会更多地聚集在这些地方。
总的来说，实心导体静电平衡时的电荷分布是一个复杂而有规律的
过程，受到多种因素的影响。
通过研究实心导体的电荷分布规律，可以更好地理解导体内部电场的性质，为静电学和电磁学的研究提供重要参考。
希望通过本文的介绍，读者能对实心导体静电平衡时的电荷分布有更深入的理解。
电场分布与电荷分布的相互关系
电场分布与电荷分布的相互关系电场是物理学中一个非常重要的概念，它描述了电荷周围的物理现象。
电场的产生与电荷的分布紧密相关，通过研究电场分布与电荷分布的相互关系，我们可以深入理解电磁现象的本质。
本文将探讨电场分布与电荷分布的相互关系，为读者带来全新的视角。
在物理学中，电荷是电场的源头。
不同的电荷分布会产生不同的电场分布。
首先，我们来研究一维情况下的电荷分布。
假设有一根细长的导线，上面均匀分布着正电荷。
在导线周围形成的电场是二维平面上的环状电场。
这是因为导线上每一点的电荷与观察点的距离相等，导致电场具有旋转对称性。
这种电场分布在工业中常常用于设计电磁场辐射防护装置。
而在三维情况下，电荷的分布更加复杂。
可以想象一个具有球对称性分布的电荷体，如一个球形导体带电。
在这种情况下，电场分布将具有球对称性。
观察球内部的电场分布会发现，在球心附近的电场较强，随着距离的增加逐渐减弱。
这是因为距离球心越远，离电荷较远的部分对观察点的贡献越小。
这个类型的电场分布在空间中无处不在，例如太阳系中行星的引力场便是球对称的。
除了球对称的电场分布，我们还可以考虑其他形状的电荷分布。
例如，在一个圆环上均匀分布的电荷会形成一个环状电场分布。
这种分布在溶液电沉积等领域中有着广泛的应用。
这个例子揭示了电场分布与电荷分布形状之间的密切联系。
除了电荷的分布形状，电荷的数量也对电场产生显著影响。
在一维情况下，如果有两个相等的正电荷相距较远，它们产生的电场将近似于两个环电场的叠加，且电场会随距离增加而减弱。
这种情况下，电场的分布与电荷分布的相对位置有关，电场的强度在中心点最大，并随着观察点离电荷的距离增加而减小。
在三维情况下，电荷的数量和布局结构对电场分布的影响更加复杂。
如果有不同电荷量的电荷相距较近，它们之间产生的电场将相互干扰。
有时候，电场的分布还受到外部物体的影响。
例如，一个导体球内部充满了正电荷，但在球外部放置一个带电物体会导致电场分布发生变化，并在球内产生电势差。
带电细圆环以及薄圆盘的空间电场分布
带电细圆环以及薄圆盘的空间电场分布孝义市第五中学:蔺金林摘要: 先介绍电位的两种计算方法，一种是用点电荷的电位分布来计算电位（参考点在无穷远时），一种是用电位与场强的积分关系式来计算电位.然后用两种不同的方法求出均匀带电薄圆盘轴线上的电位和电场.根据点电荷电势和电场的叠加原理，导出了均匀带电细圆环电势和电场的级数表达式，再用叠加法推广到均匀带电圆盘周围空间的电场分布（将均匀带电薄圆盘分割成同心的带电圆环,先求出任一带电圆环电位的空间分布,再进行叠加,由点电荷在空间激发电场的电位公式，用两种方法，一种是线电荷元分割法，一种是面电荷元分割法，求出均匀带电圆盘电位的空间分布）.关键词：均匀带电圆环；均匀带电圆盘；电场；电位The Space Distribution Of Electric Field Of Charged Thin RingAs Well As Thin DiscABSTRACT:In this paper, we first introduce two computational methods of the electric potential, one kind is that calculating the electric potential with the point charges’ potential distribution (reference point is in infinite distance), another one is that calculating the electric potential with the electric potential and the field intensity integral relationship. Then extract the spool thread on the even charged thin disc with two different methods. According to the principle of superposition of electric potential and the electric field of the point charges, derive the progression expression of the electric potential and the electric field on the even charged thin ring, again we will use the method of superposition to promote the space distribution of electric field (Divide the even charged thin disc to many a concentric charged rings. Extract first the electric potential spatial distribution no matter where on a charged ring. Again carry on the superposition. From the formula of electric potential stirred up by a point charge, we deduce the space distribution of a uniform charged disc’s electric potential with two methods. One kind is the line charge method, one kind is the surface charge method).KEYWORDS:Even charged ring；Even charged disc；Electric field；Electric potential目录引言 (1)1电位的计算 (2)1.1电位的两种计算方法 (2)1.2均匀带电圆盘轴线上电位 (2)2均匀带电细圆环的电场 (5)2.1均匀带电细圆环的电势 (5)2.2均匀带电细圆环的电场 (6)2.3均匀带电细圆环电场、电势的讨论 (7)3均匀带电薄圆盘的电势 (8)3.1均匀带电薄圆盘的电势（线电荷元分割法） (8)3.2均匀带电薄圆盘的电势（面电荷元分割法） (11)总结 (12)参考文献 (13)引言各种带电体周围空间电场的解是电磁学中经常碰到的问题,其中均匀带电细圆环以及薄圆盘电场的空间分布是一个非常棘手的问题.本文将先讨论均匀带电细圆环空间电场的解,再用叠加法推广到均匀带电圆盘的电场分布.对于均匀带电细圆环周围空间电场的解,近年来,已有文献在用积分方程表示电场解的同时,还用计算机对其进行了数值计算.然而,寻找更易于理解的数学表达式,常常是我们问及,也是我们非常关心的问题.本文先利用点电荷电势的公式及叠加原理导出均匀带电细圆环周围空间电势的级数解,再通过电势与电场的关系得出其电场强度的级数解.均匀细圆环的静电势,由于物理图象清晰,计算简单,在数学物理方法及电动力学教材中多有讨论.在此基础上,很自然地就会要讨论到均匀带电薄圆盘的静电势问题.事实上,在Morse和Feshbach所著的Method of Theoretical Physics[1]一书中就可以找到这个问题.目前,在一些教材中也有所讨论,或者把它列为习题[2-6].但是,这个问题,形似简单,实际上涉及数学物理方法中的一些基本理论,在一些教材中似乎讨论的不够充分,而且不能简单地把无穷多个细圆环叠加起来,就能得到正确的结果.本文将做尽可能详细的分析,并用一种简单而又容易理解的叠加法（在球坐标系中）求出其正确的结果.在电磁学中,对均匀带电圆盘的电场的空间分布问题,一般的教材中只讨论均匀带电圆盘轴线上的分布,而对轴线以外场点的分布没有讨论,本文由电位的定义式,用两种方法求出均匀带电圆盘电位的空间分布.1 电位的计算1.1 电位的两种计算方法当电荷分布已知时，可用如下两种方法计算电位.1、用点电荷的电位公式20044p p p r pQ dr Q U d r r πεπε∞∞=⋅==⎰⎰E l (1.1.1) 计算电位.式中p r 是场点p 与点电荷Q 的距离.接下来我们对电位的计算就用此公式.由场强的迭加原理[7]不难证明电位的迭加原理：n 个点电荷在某点产生的电位等于每个点电荷单独存在时在该点产生的电位的代数和.把激发电场的电荷分为许多点电荷，利用点电荷的电位公式(1.1.1)及电位叠加原理便可求得场中各点的电位.当电荷按体密度ρ连续分布时，可把带电区域分为无限多个无限小体元d τ，其对场点p 贡献的元电位按式(1.1.1)为04d dU rρτπε= (1.1.2) r 是d τ与场点p 的距离.整个带电区域在p 点激发的电位为014d U rρτπε=⎰⎰⎰ (1.1.3) 积分遍及整个带电体积.类似地，当电荷按面密度σ连续分布于某曲面上时，电位公式为014ds U rσπε=⎰⎰ (1.1.4) 积分遍及整个带电曲面.应该注意式(1.1.1)，因而式(1.1.3)及(1.1.4)只对参考点在无限远的情况成立.因此，当参考点不在无限远时，就不宜使用这种方法.2、用电位与场强的积分关系式计算电位使用这种方法时，首先应在欲求电位的点p 与参考点0p 间选择一条适当的曲线，并根据电荷分布求出线上各点场强.由于积分路径的任意性，可以根据具体情况选择一条最便于计算的曲线.1.2 均匀带电圆盘轴线上电位均匀带电圆盘轴线上电位.已知圆盘半径为R ，电荷面密度为σ，参考点在无限远.如下图因参考点在无限远，故可用式(1.1.1)作积分(第一种方法),用极坐标的方法把圆平面分成许多面元,坐标为r ,ϕ的面元的面积为dS rd dr ϕ= (1.2.1)其电量为dq dS rd dr σσϕ==按式(1.1.1)它在轴线上一点p 贡献的电位为dU = (1.2.2) 整个圆盘在p 点贡献的电位为200004)2R U d z πσϕπεσε===⎰⎰⎰⎰ (1.2.3) 其中z 是p 点与圆盘的绝对距离(不论p 点在圆盘的左侧还是右侧,z 恒取正)电位沿圆盘轴线的分布如图(1.2.2)曲线所示,这是一条连续曲线(包括盘心O 点在内).这就说明，虽然场强在带电圆盘面发生突变（一面两侧的场强虽然数值相同，但反向相反，故为突变），但电位在面上却是连续的.也可用第二种方法求解，为zz此可选圆盘轴线为积分路径.可按照点电荷场强公式，它在轴上一点P 贡献的场强（大小）为204rd dr dE lσϕπε= 其中l 是半扇形到点P 的距离.由于电荷分布对称于圆盘轴线OP ，故必存在与所取半扇形对称配置的另一半扇形，两者面积、电量分别相等.虚线半扇形在P 点贡献的场强如图中d 'E 所示.d E 与d 'E 大小相等，与轴线夹角α亦等，两者的合场强必平行于轴线.整个圆盘可分割为一对对这样的半扇形，故P 点的总场强E 亦平行于轴线.因此只须对d E 沿轴线的分量z dE 作积分便可求出E .由图可知220032220cos cos 444()z rd dr rd dr z dE dE l l l zrd dr r z σϕασϕαπεπεσϕπε====+ 对变量r 、ϕ作二重积分得230022200142()R zrdr E d r z πσσϕπεε⎛⎫== ⎝+⎰⎰ (1.2.4) 其中z 为O 与P 间的绝对距离（不论P 点在圆盘的右侧还是左侧，z 恒取正）.再对式(1.2.4)积分，即可求得式(1.2.3).2 均匀带电细圆环的电场2.1 均匀带电细圆环的电势利用上一章介绍的点电荷电势的公式(1.1.1)及叠加原理导出均匀带电细圆环周围空间电势的级数解.如图(2.1.1),设均匀带电细圆环半径为R,其电荷线密度为λ.由对称性可知：其电势与电场必以z 轴对称.因此，只要求得xOz 平面内电势与电场，则整个空间的电势与电场便可知.图中dl 线段电荷在p 点电势为：0014142p dl dU r C A λπεπελ=⋅== 式中012C πε= ,A =, 2222xRB x z R =++ . (2.1.1) 将细圆环视为点电荷的集合，由电势叠加原理，在空间p 点处电势为020*********p C A U C A C A C A d πππππππλλλλθ=⋅⎧=⎨⎩⎧⎫⎪=⎨⎪⎩=⎰⎰⎰⎰⎰⎰ (2.1.2) 其中2πθθ'=-.利用幂级数[8～10]()1234211313513571112242462468x x x x x x -⋅⋅⋅⋅⋅⋅±=++⋅⋅⋅<⋅⋅⋅⋅⋅⋅则式(2.1.2)可变形为如下幂级数的形式:(2.1.1)图 均匀带电细圆环的电势{223320223323332123044455545131351cos cos cos 224246131351sin sin sin 2242462(cos sin )(cos sin )(cos sin )(cos sin )(p n n B U C A B B B B B d C A G B G B G B G B G B G B ππλθθθθθθθλθθθθθθθθ⋅⋅⋅⎧=++++⋅⋅⋅+⎨⋅⋅⋅⎩⋅⋅⋅⎫-+-+⋅⋅⋅⎬⋅⋅⋅⎭=+-++-+++-+⋅⋅⋅+⎰⎰}cos (1)sin )n n n d θθθ+-⋅⋅⋅ (2.1.3)式中：112G = ， 23142G ⋅=⋅ ， 3531642G ⋅⋅=⋅⋅ ， 475318642G ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅ ……(21)(23)312(22)42n n n G n n -⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ n 为正整数.且1B <，即p 点不应在环上.对式(2.1.3)积分,得到:{}246824682468224466881353753222246486413324222p n n n n n U C A G B G B G B G B n n G B n n C A M G B M G B M G B M G B M G B πλπλ⋅⋅⋅⎧=+⋅++++⋅⋅⋅+⎨⋅⋅⋅⎩--⎫⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⎬-⎭=+++++⋅⋅⋅++⋅⋅⋅ (2.1.4)这里：212M = ， 434M = ， 65364M ⋅=⋅ ，8753864M ⋅⋅=⋅⋅ , ……(1)(3)3(2)4n n n M n n -⋅-⋅⋅⋅⋅⋅=⋅-⋅⋅⋅⋅⋅ n 为正偶数.同样1B <.2.2 均匀带电细圆环的电场得到均匀带电细圆环周围空间电势的级数解后,再通过电势与电场的关系,可得出其电场强度的级数解.由电场强度与电势的关系:U =-∇E (2.2.1)不难得到p 点场强.令x z E E =+E i k ，有：{}{}{}242244312244222224422222242(2)22422pn x n n n n n p n n n U AE C M G B M G B M G B x x BC A M G B M G B n M G B x B B U C A B A M G M G B R RnM G B πλπλπλ--∂∂=-=-+++⋅⋅⋅++⋅⋅⋅-∂∂∂⋅++⋅⋅⋅++⋅⋅⋅∂=+-⋅⋅++⋅⋅⋅++⋅⋅⋅ (2.2.2) {}23222442222()2242pz p n n n U zA z E U C A B M G M G B z R Rn M G B πλ-∂=-=+⋅⋅++⋅⋅⋅+∂⋅⋅⋅ (2.2.3) 其中1B <.2.3 均匀带电细圆环电场、电势的讨论1、对于z 轴上的点（0x =，0B =），式(2.1.4)、(2.2.2)、(2.2.3)分别变为:02p U C A λπλππε=== (2.3.1) 0x E = ,322204()z QzE z R πε=+ (2.3.2)式中Q 为圆环上总电荷.这是我们所熟知的结果，此外，若p 点距圆心距离远大于环半R >），p U 近似为式(2.1.4)第一项:2204()p Q U x z πε≈+ (2.3.3) 322204()x xQ E x z πε≈+ 322204()z zQE x z πε≈+ (2.3.4) 此时,p 点电势相当于环上电荷置于圆心处时的点电荷的电势和电场.2、由式(2.1.4)可见,电势较大区域在圆环附近.对于场强，此时由式(2.2.3),0x E =场强方向沿圆环径向.同样，当p 点位于环附近时，222B A =.场强由式(2.2.2)中第一项决定.当p 点距环越远时，场强将会迅速减小.得知:均匀带电细圆环电场主要集中在圆环附近.3 均匀带电薄圆盘的电势3.1 均匀带电薄圆盘的电势（线电荷元分割法）在电磁学中,对均匀带电圆盘的电场的空间分布问题,一般的教材中只讨论均匀带电圆盘轴线上的分布,而对轴线以外场点的分布没有讨论,本章由电位的定义式,用两种方法求出均匀带电圆盘电位的空间分布.如图(3.1.1),将均匀带电薄圆盘分割成同心的带电圆环,先求出任一带电圆环电位的空间分布,再进行叠加,即可求出均匀带电圆盘电位的空间分布.在前面得到均匀带电细圆环的电位分布，得到(2.1.4)式如下：{}246824682468224466881353753222246486413324222p n n n n n U C AG B G B G B G B n n G B n n C AM G B M G B M G B M G B M G B πλπλ⋅⋅⋅⎧=+⋅++++⋅⋅⋅+⎨⋅⋅⋅⎩--⎫⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⎬-⎭=+++++⋅⋅⋅++⋅⋅⋅ 其中012C πε=,A = , 2222xRB x z R =++式中只有A 、B 与坐标量有关,把上式对x 积分,便可得到均匀带电圆盘在xOz 平面上的分布.但计算起来相当麻烦，（计算机可对它进行数值计算）为了便于计算，我们在球坐标系中计算.本节先用线电荷元分割法来求解.已有文献对它进行了计算，但用这种方法把无穷多个细圆环叠加起来，不能得到正确的结果.从根本上说来，这是因为轴定理所处的体系，不仅要求具有轴对称性，而且对源（静电问题中的电荷，引力中的质量，等等）的分布也有一定的限制.源只能分布在作为系统内部界面的球面上.而在本问题中，作为静电势的源的电荷，分布在赤道面上的一个圆形区域内.因此，我们在球坐标系中计算，便可容易得到正确的结果.如图中所示，设均匀带电圆环带电量为dq ,半径为ρ,在环上任取一小线元dl ,dl 到p 点的距离为r ',dl 带电量为:22dq dqdl d ρφπρπρ= 在p 点激发电场的电位为:2001428dq dq d dV d r r φρφπεπρπε'=⋅=⋅'' (3.1.1) 式中222222(cos )(sin )2sin cos()2sin cos()r r r r r r θρθρθαφρρθαφ'=++--=+-- (3.1.2)将(3.1.2)代入(3.1.1)得:208dq dV πε'=228dq V ππε'=⎰(3.1.3)由对称性可知，圆环在p 点的电位V 与p 点的方位角α无关，即可取0α=. 则：2208dq V ππε'=⎰(3.1.4)令2φπψ=- 2d d φψ=- (3.1.5)2cos cos(2)cos 212sin φπψψψ=-=-=-+ (3.1.6)将(3.1.6) (3.1.5)代入(3.1.4)式得：2208dq V ππε'=⎰ (3.1.7)为了计算简便，这里令2224sin 2sin r k r r ρθρρθ=++ (3.1.8) 将(3.1.8)代入(3.1.7)式得：V π'=⎰(3.1.9)又222qdq d d R πρρσπρρπ=⋅=⋅(3.1.10) 将(3.1.10)代入(3.1.9)式积分得：202RV πσπε=⎰⎰ (3.1.11)21sin k-ψ的以π为周期的偶函数，且, 则2222426211313521()()()2224246k k k πππ=⋅⋅⋅⎡⎤=⋅+++⋅⋅⋅⋅⋅⋅⎢⎥⋅⋅⋅⎣⎦⎰⎰ (3.1.12) 将(3.1.8) (3.1.12)代入(3.1.11)得()22000232024301()4sin 2213(4sin )24135(4sin )246R R R R V r r r σθεθθ⎡=⎢⎢⎣⋅⎛⎫+ ⎪⋅⎝⎭⎤⋅⋅⎛⎫⎥++⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⎪⎥⋅⋅⎝⎭⎦⎰⎰⎰⎰sin ln2V r r σθε=-⎣()22023201()4sin 213(4sin )24R R r r θθ+⋅⎛⎫+ ⎪⋅⎝⎭⎰⎰2430135(4sin )246R r θ⎤⋅⋅⎛⎫⎥++⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ⎪⎥⋅⋅⎝⎭⎦⎰ (3.1.13) 20k <讨论：当0θ=时，p 点便在轴线上，这时(3.1.13)式化为)2V r σε=即圆盘在轴线上与盘心相距为r 处p 点的电位,与电磁学中得出的结论相符合.接下来用面电荷元分割法来求均匀带电圆盘的电势.3.2 均匀带电薄圆盘的电势（面电荷元分割法）如图(3.2.1),将坐标原点选在圆心O 上,盘面在xOy 平面内,z 轴沿圆盘轴线,设p 点到圆心的距离为r ,在盘内任取一小面积元ds ：ds dxdy =ds 到圆心的距离为ρ，到空间任一点p 的距离为r '，电荷元带电量为：dq dxdy σ= (3.2.1)电荷元在p 点激发电场的电位为：14dqdV r πε=⋅'(3.2.2) 由图(3.2.1)可知222222(cos )(cos )(sin )2sin cos()r r l r r r θθρθρθαφ'=+=++--r '= (3.2.3)将(3.2.1) (3.2.3)式代入(3.2.2)式得04dV σπε=(3.2.4) 将(3.2.4)式化为极坐标的形式：04dV σπε=4V σπε=⎰根据对称性可知，圆盘电荷在p 点产生的电位V 与p 点的方位角α无关，为简单可取0α=则4V σπε=⎰(3.2.5)令22d d φπψφψ=-=- (3.2.6)2cos cos(2)cos 212sin φπψψψ=-=-=-+ (3.2.7)将(3.2.6) (3.2.7)代入(3.2.5)式得0042V σπεσπε==⎰⎰(3.2.8)令2224sin 2sin r k r r ρθρρθ=++ (3.2.9)将(3.2.9)代入(3.2.8)得：222RV πσπεσπε==⎰⎰(3.2.10)由此看出(3.2.10)与(3.1.11)是相同的.当0θ=时，(3.2.10)式同样可得出均匀带电圆盘轴线上距盘心r 处p 点的电位：)2V r σε=总结求各种带电体周围空间电场的解，可先计算出各种带电体周围空间电位的分布，然后用电位与电场的关系求出其电场分布.而对周围空间电位的计算，用两种方法计算.当参考点在无穷远时，用点电荷的电位分布计算电位；或用电位与场强的积分关系式计算电位.从而通过计算可导出了均匀带电细圆环电势和电场的级数表达式，得知均匀带电细圆环电场主要集中在圆环附近.在此基础上，用叠加法推广到均匀带电圆盘的电场分布（将均匀带电薄圆盘分割成同心的带电圆环,先求出任一带电圆环电位的空间分布,再进行叠加, 由电位的定义式,用两种方法求出均匀带电圆盘电位的空间分布）.致谢：李生莲老师对本文的设计及成稿提出了很好的建议,在此我表示诚挚的谢意！参考文献：[1]Morse P M, Feshbach H. Methods of Theoretical Physics[M]. New York: McGrawHill,1953[2]张连顺姜万禄. 环形线电荷的电场分布[J]. 大学物理,1998,17(8):21～23.[3]程守洙江之永.普通物理学(第二册)[M].北京:人民教育出版社.1982.19～47[4]张之翔编著.电磁学教学札记[M]. 北京: 高等教育出版社,1988.[5]马文蔚. 物理学[M]. 北京: 高等教育出版社,1999.133[6] W⋅R⋅斯迈思著,戴世强译.静电学和电动力学[M]. 北京: 科学出版社,1981.56[7]梁灿彬秦光戎梁竹健. 电磁学[M]. 北京:高等教育出版社,1980.46～48.[8]王竹溪郭敦仁. 特殊函数概念[M]. 北京: 科学出版社,1981.86～91[9]胡嗣柱徐建军. 数学物理方法解题指导[M]. 北京:高等教育出版社,1997.[10]中国矿业学院数学教研室编. 数学手册[M]. 北京: 高等教育出版社,1998.87。
大学物理典型题解析(下)智慧树知到答案2024年哈尔滨工程大学
大学物理典型题解析（下）哈尔滨工程大学智慧树知到答案2024年第一章测试1.关于试验线圈,以下说法正确的是（）。
A:试验线圈是电流极小的线圈 B:试验线圈是线圈所围面积极小的线圈 C:试验线圈是电流极小,线圈所围面积极小的线圈 D:试验线圈是电流足够小,以至于它不影响产生原磁场的电流分布,从而不影响原磁场；同时线圈所围面积足够小,以至于它所处的位置真正代表一点的线圈答案:D2.四条平行的无限长直导线，垂直通过边长为的正方形顶点，每条导线中的电流都是I =20 A，这四条导线在正方形中心O点产生的磁感强度为：( ）。
A:B:C:答案:C3.质子和粒子在同一匀强磁场中作半径相同的圆周运动，由此可知质子的动能和粒子的动能之比为（）A:4:1 B:1:1 C:2:1 D:1:2答案:B4.在半径为R的长直金属圆柱体内部挖去一个半径为r的长直圆柱体，两柱体轴线平行，其间距为，如图．今在此导体上通以电流I，电流在截面上均匀分布，则空心部分轴线上点的磁感强度的大小为（）。
A:C:D:答案:A5.一均匀磁场，其磁感应强度方向垂直于纸面，两带电粒子在该磁场中的运动轨迹如图所示，则( )。
A:两粒子的电荷必然同号 B:两粒子的动量大小必然不同 C:粒子的电荷可以同号也可以异号 D:两粒子的运动周期必然不同答案:A6.在匀强磁场中，有两个平面线圈，其面积，通有电流，它们所受的最大磁力矩之比等于（）。
A:1/4 B:1 C:4 D:2答案:C7.边长为的正方形线圈中通有电流I，此线圈在A点（如图所示）产生的磁感B强度为（）。
A:B:C:D:选项均不正确答案:A8.一平面内，有两条垂直交叉但相互绝缘的导线，流过每条导线的电流的大小相等，其方向如图所示．则（）区域中有某些点的磁感强度B可能为零。
A:仅在象限I． B:仅在象限I，III． C:仅在象限II． D:仅在象限II，IV．答案:D9.无限长直载流导线与正三角形载流线圈在同一平面内，若长直导线固定不动，则载流三角形线圈将（）。
电磁学第六章答案
电磁学第六章答案【篇一：[整理]奥赛金牌题典--高中物理--第六章电磁学方法】/p> a类题：（更换更换p。
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。
图6-1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）为图6-2??q?0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。
（因为在 e0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。
于是有图6-32?r2?1?cos??1q1???2????2?2?02 4?r0qq式中?0为电荷q发出的总电力线条数。
2?r?1?cos??/4?r表示角?内包含的电力线占总22条数的比例（点电荷电力线球对称）。
带电细圆环作用下导体平面上感应电荷的分布
Abstract
Based on the mirror image method of the electromagnetism, the induced charged surface density distribution on the grounding infinite conductor plane under the uniform charged thin ring is calculated with mathematical software. And it draws the images of the induced charge surface density varied with the angle and distance.
1000 σ/(q/2π2) 500 0 0.05 d 0.10 0 -1 1 θ
(c) σ varies with distance in different polar angles (c) 不同极角方向上电荷面密度随距离的分布
(d) σ varies with the distance and the polar angle (d) 电荷面密度随距离和极角的分布
(3)
其中 r = op =
d 2 sec 2 θ + R 2 − 2 Rd tan θ cos φ ， 令 A d 2 sec 2 θ + R 2 、D = 2 Rd tan θ ， 再对(3)式中的变量 φ =
积分可得导体平面上感应负电荷面密度 σ 大小为：
2D 2D E E qd A + D + A− D σ = 2π 2 ( A − D ) A + D ( A + D ) A − D
静电场练习题(1)
静电场练习题1. A 、B 两块水平放置的平行带电金属板之间为匀强电场。
一带负电的微粒在a 点处沿与水平成45°方向射入，以此时刻开始计量。
已知t=0.10S 时微粒到达基轨道的最高点；t=0.30S 时，微粒动能为750ev 。
在以上过程中，微粒一直处于电场中，且未与A 、B 极相碰。
试求此微粒的初始动能。
（300ev ）2. 两块竖直放置的平行金属大平板A 、B ，相距d ，两板间的电压为U ，一带正电的质点从两板间的M 点以竖直向上的初速v 0运动，当它到达电场中的N 点时，速度为水平方向，大小仍为v ０，求Ｍ，Ｎ两点间的电势差。
（2dg U 20v ）3. 质量m=0.1kg ，q=8×10-4c 的带电小球，从x 轴上的A 点斜抛，初速与水平成30°。
当到达最高点B 后，进入有匀强电强的区域（x ≥0的空间），场强E=2.50×103N/C ，与x 轴负方向成θ角，（如图）。
试分析讨论θ角在O —π范围内变化时，带电小球在x ≥O 空间流运的情况，并是性的画出流动轨迹。
4. 地面上有一固定的点电荷Ａ，Ａ的正上方有一个带电质点Ｂ。
已知Ｂ在Ａ的正上方2H 到Ｈ高度间作往复运动，试求Ｂ的最大速度。
（不计阻力） ))12((gH U m -5. 电量为Q 的电荷均匀分布在半径为R 的细圆环上。
今将电量为-q 质量很小，可不计重力的质点，从圆环中心O 处沿与环面垂直的对称轴ox 方向以初速V 0=10m/s 射出，质点可到达的最远点P ，R x p 3=。
为了使该带电质点从O 点射出后，能到达无限远处，其初速应为多大？（s m /210） 6. 如图所示，a 为一固定放置的半径为R 的均匀带电球体，O 为其球心。
已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p ，它以E k ＝2000eV 的动能沿与O O ＇平行的方向射向a 。
大学物理下学期期末总复习 (1)
r 2 (1 2
r1 r2
)
6. 三根长直同轴导体圆柱面A、B和C，半径分别为
Ra、Rb、Rc 圆柱面B 带电荷， A和C都接地(如下图)。
试求: 圆柱面B 的内表面上电荷线密度1和外表面上电荷
线密度2 之比。(08.1)
Rc
解:设圆柱面B 带正电荷，由于
Rb
A和C都接地。 所以， A和C上
Ra
(5). 环行载流螺线管
. 典型例题
1. 如图所示,两根导线沿半径方向引到铁环上的A、B 两点,并在很远处与电源相连,求环中心的磁感应强度.
解: 环中心的磁感应强度为 1、2、3、4、5段载流导线 在此点产生的磁感应强度 的矢量和.
O点在3和4的延长线上,5离O 点可看作无限远,故:
设1圆弧弧长l1,2圆弧弧长l2, 圆的周长为l
方向向上
4、 一长直导线通有电 流I1=20A , 其旁有一载流 直导线ab , 两线共面ab长 为L=9.010-2m , 通以电流 I2=10A , 线段ab垂直于长 直导线 , a端到长直导线
的距离为d=1 10-2m
d
L 9.0102 m
求 1)导线ab所受的力； 2)导线ab所受作用力对O点的力矩.
都将感应等量的负电荷。 由高斯定理分别求得A、B
ABC
E1 E2
和 B、C间场强分布：
B 、A 间的电势差： B 、C 间的电势差：
U BA U BC
Rc Rb
Ra
ABC
E1 E2
稳恒磁场(11-12)主要内容回顾
1. 几个重要的物理量
（1） 磁感应强度Bo （真空中） 有磁介质时的磁感应强度B （总磁场）
描述电磁波的波函数：
大学物理习题答案
大学物理练习册 参考解答第12章 真空中的静电场一、选择题1(D)，2(C)，3(C)，4(A)，5(C)，6(B)，7(C)，8(D)，9(D)，10(B)， 二、填空题(1). 电场强度和电势，0/q F E=，l E q W U aa⎰⋅==00d /(U 0=0).(2). ()042ε/q q +， q 1、q 2、q 3、q 4 ；(3). 0，λ / (2ε0) ； (4). σR / (2ε0) ； (5). 0 ； (6).⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-π00114r r q ε ；(7). －2×103 V ； (8).⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-πa br r q q 11400ε(9). 0，pE sin α ； (10). ()i a x A2+-.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距离为d 的P 点的电场强度．解：设杆的左端为坐标原点O ，x 轴沿直杆方向．带电直杆的电荷线密度为λ=q / L ，在x 处取一电荷元d q = λd x = q d x / L ，它在P 点的场强：()204d d x d L q E -+π=ε()204d x d L L xq -+π=ε总场强为⎰+π=Lx d L xL q E 020)(d 4－ε()d L d q +π=04ε 方向沿x 轴，即杆的延长线方向．2．一个细玻璃棒被弯成半径为R 的半圆形，沿其上半部分均匀分布有电荷+Q ，沿其下半部分均匀分布有电荷－Q ，如图所示．试求圆心O 处的电场强度．解：把所有电荷都当作正电荷处理. 在θ处取微小电荷 d q = λd l = 2Q d θ / π它在O 处产生场强θεεd 24d d 20220R QR q E π=π=L Pd EO按θ 角变化，将d E 分解成二个分量：θθεθd sin 2sin d d 202R QE E x π==θθεθd cos 2cos d d 202RQE E y π-=-= 对各分量分别积分，积分时考虑到一半是负电荷⎥⎦⎤⎢⎣⎡-π=⎰⎰πππθθθθε2/2/0202d sin d sin 2R QE x ＝02022/2/0202d cos d cos 2R QR Q E y εθθθθεππππ-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-π-=⎰⎰ 所以j RQ j E i E E y x202επ-=+= 3. “无限长”均匀带电的半圆柱面，半径为R ，设半圆柱面沿轴线OO'单位长度上的电荷为λ，试求轴线上一点的电场强度．解:设坐标系如图所示．将半圆柱面划分成许多窄条．d l 宽的窄条的电荷线密度为 θλλλd d d π=π=l R取θ位置处的一条，它在轴线上一点产生的场强为θελελd 22d d 020RR E π=π=如图所示. 它在x 、y 轴上的二个分量为：d E x =d E sin θ , d E y =－d E cos θ对各分量分别积分RR E x 02002d sin 2ελθθελππ=π=⎰0d cos 2002=π-=⎰πθθελRE y 场强 i Rj E i E E y x02ελπ=+= 4. 实验表明，在靠近地面处有相当强的电场，电场强度E垂直于地面向下，大小约为100 N/C ；在离地面1.5 km 高的地方，E也是垂直于地面向下的，大小约为25 N/C ． (1) 假设地面上各处E都是垂直于地面向下，试计算从地面到此高度大气中电荷的平均体密度；(2) 假设地表面内电场强度为零，且地球表面处的电场强度完全是由均匀分布在地表面的电荷产生，求地面上的电荷面密度．(已知：真空介电常量0ε＝8.85×10-12 C 2·N -1·m -2) 解：(1) 设电荷的平均体密度为ρ，取圆柱形高斯面如图(1)(侧面垂直底面，底面∆S 平行地面)上下底面处的 场强分别为E 1和E 2，则通过高斯面的电场强度通量为：⎰⎰E·S d ＝E 2∆S -E 1∆S ＝(E 2-E 1) ∆S高斯面S 包围的电荷∑q i ＝h ∆S ρ由高斯定理(E 2－E 1) ∆S ＝h ∆S ρ /ε 0∴ () E E h1201-=ερ＝4.43×10-13 C/m 3(2) 设地面面电荷密度为σ．由于电荷只分布在地表面，所以电力线终止于地面，取高斯面如图(2)由高斯定理 ⎰⎰E·S d =∑i 01q ε-E ∆S =S ∆σε01∴ σ =－ε 0 E ＝－8.9×10-10 C/m 3 5. 一半径为R 的带电球体，其电荷体密度分布为ρ =Ar (r ≤R ) ， ρ =0 (r ＞R )， A 为一常量．试求球体内外的场强分布．解：在球内取半径为r 、厚为d r 的薄球壳，该壳内所包含的电荷为r r Ar V q d 4d d 2π⋅==ρ在半径为r 的球面内包含的总电荷为403d 4Ar r Ar dV q rVπ=π==⎰⎰ρ (r ≤R)以该球面为高斯面，按高斯定理有 0421/4εAr r E π=π⋅得到()0214/εAr E =， (r ≤R )方向沿径向，A >0时向外, A <0时向里．在球体外作一半径为r 的同心高斯球面，按高斯定理有0422/4εAR r E π=π⋅ 得到 ()20424/r AR E ε=， (r >R )方向沿径向，A >0时向外，A <0时向里．6. 如图所示，一厚为b 的“无限大”带电平板 ， 其电荷体密度分布为ρ＝kx (0≤x ≤b )，式中k 为一正的常量．求： (1) 平板外两侧任一点P 1和P 2处的电场强度大小；(2) 平板内任一点P 处的电场强度； (3) 场强为零的点在何处？解： (1) 由对称分析知，平板外两侧场强大小处处相等、方向垂直于平面且背离平面．设场强大小为E ．作一柱形高斯面垂直于平面．其底面大小为S ，如图所示． 按高斯定理∑⎰=⋅0ε/d q S E S，即22d d 12εερεkSbx x kSx S SE b b===⎰⎰得到 E = kb 2 / (4ε0) (板外两侧) (2) 过P 点垂直平板作一柱形高斯面，底面为S ．设该处场强为E '，如图所示．按高斯定理有(2)()022εεkSb xdx kSS E E x==+'⎰得到 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-='22220b x k E ε (0≤x ≤b ) (3) E '=0，必须是0222=-b x ， 可得2/b x =7. 一“无限大”平面，中部有一半径为R 的圆孔，设平面上均匀带电，电荷面密度为σ．如图所示，试求通过小孔中心O 并与平面垂直的直线上各点的场强和电势(选O 点的电势为零)．解：将题中的电荷分布看作为面密度为σ的大平面和面密度为－σ的圆盘叠加的 结果．选x 轴垂直于平面，坐标原点Ｏ在圆盘中心，大平面在x 处产生的场强为ixx E 012εσ=圆盘在该处的场强为i x R x x E ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=2202112εσ ∴ i xR x E E E 220212+=+=εσ该点电势为 ()220222d 2x R R xR x x U x+-=+=⎰εσεσ8. 一半径为R 的“无限长”圆柱形带电体，其电荷体密度为ρ =Ar (r ≤R )，式中A 为常量．试求：(1) 圆柱体内、外各点场强大小分布； (2) 选与圆柱轴线的距离为l (l ＞R ) 处为电势零点，计算圆柱体内、外各点的电势分布．解：(1) 取半径为r 、高为h 的高斯圆柱面(如图所示)．面上各点场强大小为E 并垂直于柱面．则穿过该柱面的电场强度通量为：⎰π=⋅SrhE S E 2d为求高斯面内的电荷，r ＜R 时，取一半径为r '，厚d r '、高h 的圆筒，其电荷为r r Ah V ''π=d 2d 2ρσO R OxP则包围在高斯面内的总电荷为3/2d 2d 32Ahr r r Ah V r Vπ=''π=⎰⎰ρ由高斯定理得 ()033/22εAhr rhE π=π 解出()023/εAr E = (r ≤R )r ＞R 时，包围在高斯面内总电荷为：3/2d 2d 302AhR r r Ah V RVπ=''π=⎰⎰ρ由高斯定理 ()033/22εAhR rhE π=π 解出 ()r AR E 033/ε= (r >R )(2) 计算电势分布 r ≤R 时 ⎰⎰⎰⋅+==l R Rrl rr r AR r r A r E U d 3d 3d 0320εε ()R l AR r R A ln 3903330εε+-=r ＞R 时 rlAR r r AR r E U lrl rln 3d 3d 0303εε=⋅==⎰⎰9．一真空二极管，其主要构件是一个半径R 1＝5×10-4 m 的圆柱形阴极A 和一个套在阴极外的半径R 2＝4.5×10-3 m 的同轴圆筒形阳极B ，如图所示．阳极电势比阴极高300 V ，忽略边缘效应. 求电子刚从阴极射出时所受的电场力．(基本电荷e ＝1.6×10-19 C)解：与阴极同轴作半径为r (R 1＜r ＜R 2 )的单位长度的圆柱形高斯面，设阴极上电荷线密度为λ．按高斯定理有 2πrE = λ/ ε0得到 E = λ / (2πε0r ) (R 1＜r ＜R 2) 方向沿半径指向轴线．两极之间电势差⎰⎰π-=⋅=-21d 2d 0R R B AB A rrr E U U ελ120ln 2R R ελπ-=得到()120/ln 2R R U U A B -=πελ， 所以 ()rR R U U E A B 1/ln 12⋅-=在阴极表面处电子受电场力的大小为 ()()11211/c R R R U U eR eE F A B ⋅-==＝4.37×10-14 N 方向沿半径指向阳极．第13章 静电场中的导体和电解质一、选择题1(D)，2(D)，3(B)，4(A)，5(C)，6(B)，7(C)，8(B)，9(C)，10(B) 二、填空题(1). 4.55×105 C ；(2). σ (x ，y ，z )/ε0，与导体表面垂直朝外(σ > 0) 或 与导体表面垂直朝里(σ < 0). (3). εr ，1， εr ； (4). 1/εr ，1/εr ；(5). σ ，σ / ( ε 0ε r )； (6).Rq 04επ ；(7). P ，－P ，0； (8) (1- εr )σ / εr ； (9). 减小， 减小； (10). 增大，增大.三、计算题1. 一接地的"无限大"导体板前垂直放置一"半无限长"均匀带电直线，使该带电直线的一端距板面的距离为d ．如图所示，若带电直线上电荷线密度为λ，试求垂足O 点处的感生电荷面密度．解：如图取座标，对导体板内O 点左边的邻近一点，半无限长带电直线产生的场强为： ()⎰∞-=dx i dx E 2004/ελπ()d i 04/ελπ-= 导体板上的感应电荷产生的场强为：()0002/εσi E-='由场强叠加原理和静电平衡条件，该点合场强为零，即()[]()02/4/000=--εσελd π ∴ ()d π2/0λσ-=2．半径为R 1的导体球，带电荷q ，在它外面同心地罩一金属球壳，其内、外半径分别为R 2 = 2 R 1，R 3 = 3 R 1，今在距球心d = 4 R 1处放一电荷为Q 的点电荷，并将球壳接地(如图所示)，试求球壳上感生的总电荷．解：应用高斯定理可得导体球与球壳间的场强为 ()304/r r q E επ= (R 1＜r ＜R 2)设大地电势为零，则导体球心O 点电势为： ⎰⎰π==2121200d 4d R R R R r r q r E U ε⎪⎪⎭⎫⎝⎛-π=21114R R qε根据导体静电平衡条件和应用高斯定理可知，球壳内表面上感生电荷应为－q ． 设球壳外表面上感生电荷为Q'．以无穷远处为电势零点，根据电势叠加原理，导体球心O 处电势应为： ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-'+π=1230041R q R q R Q d Q U ε 假设大地与无穷远处等电势，则上述二种方式所得的O 点电势应相等，由此可得Q '=－3Q / 4 ， 故导体壳上感生的总电荷应是－[( 3Q / 4) +q ].3. 一圆柱形电容器，外柱的直径为4 cm ，内柱的直径可以适当选择，若其间充满各向同性的均匀电介质，该介质的击穿电场强度的大小为E 0= 200 KV/cm ．试求该电容器可能承受的最高电压． (自然对数的底e = 2.7183)解：设圆柱形电容器单位长度上带有电荷为λ，则电容器两极板之间的场强分布 为 )2/(r E ελπ= 设电容器内外两极板半径分别为r 0，R ，则极板间电压为⎰⎰⋅π==R rRr rr r E U d 2d ελ 0ln 2r Rελπ= 电介质中场强最大处在内柱面上，当这里场强达到E 0时电容器击穿，这时应有 002E r ελπ=，000ln r RE r U = 适当选择r 0的值，可使U 有极大值，即令0)/ln(/d d 0000=-=E r R E r U ，得 e R r /0=，显然有22d d r U < 0，故当 e R r /0= 时电容器可承受最高的电压 e RE U /0max = = 147 kV.4. 如图所示，一圆柱形电容器，内筒半径为R 1，外筒半径为R 2 (R 2＜2 R 1)，其间充有相对介电常量分别为εr 1和εr 2＝εr 1 / 2的两层各向同性均匀电介质，其界面半径为R ．若两种介质的击穿电场强度相同，问：(1) 当电压升高时，哪层介质先击穿？(2) 该电容器能承受多高的电压？解：(1) 设内、外筒单位长度带电荷为＋λ和－λ．两筒间电位移的大小为 D ＝λ / (2πr ) 在两层介质中的场强大小分别为E 1 = λ / (2πε0 εr 1r )， E 2 = λ / (2πε0 εr 2r ) 在两层介质中的场强最大处是各层介质的内表面处，即E 1M = λ / (2πε0 εr 1R 1)， E 2M = λ / (2πε0 εr 2R ) 可得 E 1M / E 2M = εr 2R / (εr 1R 1) = R / (2R 1)已知 R 1＜2 R 1， 可见 E 1M ＜E 2M ，因此外层介质先击穿． (2) 当内筒上电量达到λM ，使E 2M ＝E M 时，即被击穿，λM = 2πε0 εr 2RE M 此时．两筒间电压(即最高电压)为：r r r r U R R r M RR r M d 2d 221201012⎰⎰+=επελεπελ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=R R R R RE r r M r 22112ln 1ln 1εεε5. 两根平行“无限长”均匀带电直导线，相距为d ，导线半径都是R (R << d )．导线上电荷线密度分别为+λ和-λ．试求该导体组单位长度的电容．解：以左边的导线轴线上一点作原点，x 轴通过两导线并垂直于导线．两导线间x 处的场强为 x E 02ελπ=)(20x d -π+ελ两导线间的电势差为⎰--+π=Rd Rx xd x U d )11(20ελ O R 1R 2Rεr 2εr 1xx R d -R+λO-λ)ln (ln 20R d R R R d ---π=ελRRd -π=ln 0ελ 设导线长为L 的一段上所带电量为Q ，则有L Q /=λ，故单位长度的电容U LU Q C /)/(λ==RR d -π=lnε6．圆柱形电容器是由半径为a 的圆柱形导体和与它同轴的内半径为b (b ＞a )的导体圆筒构成，其间充满了相对介电常量为εr 的各向同性的均匀电介质．设圆柱导体单位长度带电荷为λ，圆筒上为－λ，忽略边缘效应．求电介质中的电极化强度P 的大小及介质内、外表面上的束缚电荷面密度σˊ．解：由D的高斯定理求出介质内的电位移大小为D = λ / (2πr ) (a ＜r ＜b ) 介质内的场强大小为E = D / (ε0εr ) = λ / (2πε0εr r ) (a ≤r ≤b ) 电极化强度 P = ε0χe E ()rr r ελεπ-=21 (a ≤r ≤b )内外表面上束缚电荷面密度a aP ='σcos180°＝()ar r ελεπ--21b bP ='σcos 0°＝()br r ελεπ-217. 一个圆柱形电容器，内圆柱半径为R 1，外圆柱半径为R 2，长为L (L >>R 2－R 1)，两圆筒间充有两层相对介电常量分别为εr 1和εr 2的各向同性均匀电介质，其界面半径为R ，如图所示．设内、外圆筒单位长度上带电荷(即电荷线密度)分别为λ和－λ，求： (1) 电容器的电容． (2) 电容器储存的能量．解：(1) 根据有介质时的高斯定理可得两筒之间的电位移的大小为D = λ / (2πr ) 介质中的场强大小分别为E 1 = D / (ε0εr 1) = λ / (2πε0εr 1r ) E 2 = D / (ε0εr 2) = λ / (2πε0εr 2r )两筒间电势差⎰⎰⋅+⋅=21221d d R RR R r E r E UR R R R r r 220110ln π2ln π2εελεελ+=()()[]21021122/ln /ln r r r r R R R R εεεεελπ+=电容 ()()R R R R L U QC r r r r /ln /ln 22112210εεεεε+π== (2) 电场能量 2102112224ln ln2r r r r R R R RL CQ W εεεεελπ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+==1r 28. 如图所示，一平板电容器，极板面积为S ，两极板之间距离为d ，其间填有两层厚度相同的各向同性均匀电介质，其介电常量分别为ε1和ε2．当电容器带电荷±Q 时，在维持电荷不变下，将其中介电常量为ε1的介质板抽出，试求外力所作的功．解：可将上下两部分看作两个单独的电容器串联，两电容分别为d S C 112ε= ，d SC 222ε=串联后的等效电容为 ()21212εεεε+=d SC带电荷±Q 时，电容器的电场能量为 ()S d Q C Q W 21212242εεεε+== 将ε1的介质板抽去后，电容器的能量为 ()S d Q W 202024εεεε+='外力作功等于电势能增加，即 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-'=∆=102114εεS d Q W W W A .第14章 稳恒电流的磁场一、选择题1(B)，2(A)，3(D)，4(C)，5(B)，6(D)，7(B)，8(C)，9(D)，10(A) 二、填空题(1). 最大磁力矩，磁矩 ; (2). πR 2c ； (3). )4/(0a I μ； (4).RIπ40μ ；(5). μ0i ，沿轴线方向朝右. ； (6). )2/(210R rI πμ， 0 ; (7). 4 ; (8).BIR 2，沿y 轴正向；(9). ωλB R 3π，在图面中向上； (10). 正，负.三 计算题1. 将通有电流I 的导线在同一平面内弯成如图所示的形状，求D 点的磁感强度B的大小．解：其中3/4圆环在D 处的场 )8/(301a I B μ=AB 段在D 处的磁感强度 )221()]4/([02⋅π=b I B μ BC 段在D 处的磁感强度 )221()]4/([03⋅π=b I B μ1B 、2B、3B 方向相同，可知D 处总的B 为)223(40baI B +ππ=μ2. 半径为R 的导体球壳表面流有沿同一绕向均匀分布的面电流，通过垂直于电流方向的每单位长度的电流为K ．求球心处的磁感强度大小．解：如图 θd d d KR s K I == 2/32220])cos ()sin [(2)sin (d d θθθμR R R I B += 32302d sin RKR θθμ=θθμd sin 2120K =⎰π=020d sin 21θθμK B ⎰π-=00d )2cos 1(41θθμK π=K 041μ3. 如图两共轴线圈，半径分别为R 1、R 2，电流为I 1、I 2．电流的方向相反，求轴线上相距中点O 为x 处的P 点的磁感强度．解：取x 轴向右，那么有2/322112101])([2x b R I R B ++=μ沿x 轴正方向 2/322222202])([2x b R I R B -+=μ 沿x 轴负方向21B B B -=[2μ=2/32211210])([x b R I R ++μ]])([2/32222220x b R I R -+-μ若B > 0，则B 方向为沿x 轴正方向．若B < 0，则B的方向为沿x 轴负方向．4．一无限长圆柱形铜导体(磁导率μ0)，半径为R ，通有均匀分布的电流I ．今取一矩形平面S (长为1 m ，宽为2 R )，位置如右图中画斜线部分所示，求通过该矩形平面的磁通量．解：在圆柱体内部与导体中心轴线相距为r 处的磁感强度的大小，由安培环路定 律可得：)(220R r r RIB ≤π=μ因而，穿过导体内画斜线部分平面的磁通Φ1为⎰⎰⋅==S B S B d d 1 Φr r RI Rd 2020⎰π=μπ=40Iμ在圆形导体外，与导体中心轴线相距r 处的磁感强度大小为 )(20R r rIB >π=μ因而，穿过导体外画斜线部分平面的磁通Φ2为⎰⋅=S B d 2Φr r I R Rd 220⎰π=μ2ln 20π=Iμ穿过整个矩形平面的磁通量 21ΦΦΦ+=π=40I μ2ln 20π+Iμ5. 一半径为 4.0 cm 的圆环放在磁场中，磁场的方向对环而言是对称发散的，如图所示．圆环所在处的磁感强度的大小为0.10 T ，磁场的方向与环面法向成60°角．求当圆环中通有电流I =15.8 A 时，圆环所受磁力的大小和方向．解：将电流元I d l 处的B分解为平行线圈平面的B 1和垂直线圈平面的B 2两分量，则 ︒=60sin 1B B ； ︒=60cos 2B B 分别讨论线圈在B 1磁场和B 2磁场中所受的合力F 1与F 2．电流元受B 1的作用力l IB lB I F d 60sin 90sin d d 11︒=︒=方向平行圆环轴线．因为线圈上每一电流元受力方向相同，所以合力⎰=11d F F ⎰π︒=Rl IB 20d 60sin R IB π⋅︒=260sin = 0.34 N ，方向垂直环面向上．电流元受B 2的作用力l IB lB I F d 60cos 90sin d d 22︒=︒= 方向指向线圈平面中心． 由于轴对称，d F 2对整个线圈的合力为零，即02=F ． 所以圆环所受合力 34.01==F F N ， 方向垂直环面向上．6. 如图所示线框，铜线横截面积S = 2.0 mm 2，其中OA 和DO ＇两段保持水平不动，ABCD 段是边长为a 的正方形的三边，它可绕OO ＇轴无摩擦转动．整个导线放在匀强磁场B 中，B 的方向竖直向上．已知铜的密度ρ = 8.9×103kg/m 3，当铜线中的电流I =10 A 时，导线处于平衡状态，AB 段和CD段与竖直方向的夹角α =15°．求磁感强度B 的大小．解：在平衡的情况下，必须满足线框的重力矩与线框所受的磁力矩平衡(对OO ＇轴而言)．重力矩 αραρsin sin 2121gSa a a gS a M +⋅= αρsin 22g Sa =磁力矩 ααcos )21sin(222B Ia BIa M =-π=B 2d l平衡时 21M M =所以 αρsin 22g Sa αcos 2B Ia =31035.9/tg 2-⨯≈=I g S B αρ T7. 半径为R 的半圆线圈ACD 通有电流I 2，置于电流为I 1的无限长直线电流的磁场中，直线电流I 1恰过半圆的直径，两导线相互绝缘．求半圆线圈受到长直线电流I 1的磁力．解：长直导线在周围空间产生的磁场分布为 )2/(10r I B π=μ取xOy 坐标系如图，则在半圆线圈所在处各点产生的磁感强度大小为： θμsin 210R I B π=， 方向垂直纸面向里，式中θ 为场点至圆心的联线与y 轴的夹角．半圆线圈上d l 段线电流所受的力为：l B I B l I F d d d 22=⨯= θθμd sin 2210R R I I π=θsin d d F F y =．根据对称性知： F y =0d =⎰y F θcos d d F F x = ，⎰π=0x x dF F ππ=2210I I μ2210I I μ=∴半圆线圈受I 1的磁力的大小为： 2210I I F μ=，方向：垂直I 1向右．8. 如图所示．一块半导体样品的体积为a ×b ×c ．沿c 方向有电流I ，沿厚度a 边方向加有均匀外磁场B (B的方向和样品中电流密度方向垂直)．实验得出的数据为 a ＝0.10 cm 、b ＝0.35 cm 、c ＝1.0 cm 、I ＝1.0 mA 、B ＝3.0×10-1 T ，沿b 边两侧的电势差U ＝6.65 mV ，上表面电势高．(1) 问这半导体是p 型(正电荷导电)还是n 型(负电荷导电)？(2) 求载流子浓度n 0 (即单位体积内参加导电的带电粒子数)．解：(1) 根椐洛伦兹力公式：若为正电荷导电，则正电荷堆积在上表面，霍耳电场的方向由上指向下，故上表面电势高，可知是p 型半导体。
均匀带电圆环的电场分布
均匀带电圆环的电场分布人民教育出版社出版的普通高中《物理》必修第三册第九章第三节“静电场及其应用”提到“一个半径为R的均匀带电球壳（球体）在球外部产生的电场，与一个位于球心、电荷量相等的点电荷在同一点产生的电场相同”[1]，但教材并未给出球壳内场强的分布情况。
郭今戈讨论认为“均匀带电球壳内部任意一点的电场强度均为零”[2]。
近年来，基于这个结论命制的高考物理试题时常出现，如2014年山东卷第19题，2021年江苏卷第10题等。
笔者在实际教学過程中发现，部分学生经常错误地将这个结论直接迁移到均匀带电圆环，认为“电荷均匀分布的细圆环，环内任意一点的场强也处处为零”。
文献[2]只讨论了均匀带电圆环在垂直环面且过中心的轴线上的电场强度分布特征，而没有讨论环面内任意点的场强。
利用电荷分布的对称性，可以分析得出圆环圆心处的场强为零，但环面内其他点的场强实际并不为零。
针对学生这个认识误区，笔者分别采用等效法、微元法和Desmos 软件定量计算三种方法，抽丝剥茧，由定性分析到定量计算，从不同角度分析讨论了均匀带电圆环在环平面内的电场分布特点，帮助学生突破该认识误区。
1 妙用等效，逆向证明笔者先从学生的错误认知出发，引导学生进行如下思考：均匀带电球壳内部场强处处为零，所以球壳内任一直径上各点的场强自然也为零。
若要使得均匀带电圆环内任一直径上的场强也处处为零，那么带电圆环的电荷分布与均匀带电球壳的电荷分布是否存在某种等效关系呢？从球壳与圆环的几何对称性特点出发，引导学生作如下操作：用与直径AB垂直的平面分割均匀带电球壳，可以得到无数细圆环带（图1）。
由于圆环带上的电荷相对于直径AB对称分布，所以可以得出结论“每个均匀带电圆环带在过环心且垂直环面的轴线AB上的任意一点M 的电场强度方向一定沿轴线AB”。
对于半径与球壳相同的圆环来说，如果环上电荷分布关于直径AB是对称的，那么关于直径AB对称的两个带电弧线微元P 和P在M处产生的电场场强矢量和一定也沿AB方向（图2）。
均匀带电细圆环的电势和电场强度的空间分布
均匀带电细圆环的电势和电场强度的空间分布电场理论是物理学中非常重要的一部分，而均匀带电细圆环是电场问题中的经典模型之一。
具体到这个问题本身，我们需要关注的是该圆环在空间中的电势和电场强度的分布规律。
通过对这一问题的深入探讨，我们可以更好地理解电荷和电场之间的相互作用规律，从而探求物质世界中微观粒子行为的奥秘。
我们来分析均匀带电细圆环的电势分布。
在距离圆环轴线的位置点上，圆环的电势可以表示为：\[V =\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{qR^2}{(z^2+R^2)^{\frac{3}{2}}}\]其中，\(V\) 表示电势，\(\epsilon_0\) 是真空介电常数，\(q\) 是圆环上的电荷量，\(R\) 是圆环的半径，\(z\) 是观察点到圆环轴线的距离。
从这个公式可以看出，均匀带电细圆环的电势分布与观察点到圆环轴线的距离 \(z\) 有关。
当 \(z\) 较小时，电势随之而增加；当 \(z\) 较大时，电势则呈现迅速衰减的趋势。
这种分布规律反映了电场在空间中的分布特点。
我们还可以推导出圆环中心的电势为零，这与电势的参考点选取有关。
接下来，我们来看均匀带电细圆环的电场强度分布。
在圆环轴线上某一点的电场强度大小可以表示为：\[E =\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{2qz}{(z^2+R^2)^{\frac{3}{2}}}\]这个公式告诉我们，均匀带电细圆环的电场强度与电荷量 \(q\)、观察点到圆环轴线的距离 \(z\) 以及圆环半径 \(R\) 相关。
当观察点距离轴线较近时，电场强度随之增大；而当距离较远时，电场强度则迅速减小至零。
这种分布规律与电场中极化电荷的排列方式密切相关，能够帮助我们更好地认识电场的物理本质。
均匀带电细圆环的电势和电场强度的空间分布呈现出一种随距离变化的规律。
在靠近圆环轴线的位置，电势和电场强度都具有较大的数值；而随着观察点与圆环的距离增加，电势和电场强度会逐渐减小。
大学物理习题答案解析第五章
第二篇 电磁学求解电磁学问题的基本思路和方法本书电磁学部分涉及真空中和介质中的静电场和恒定磁场、电磁感应和麦克斯韦电磁场的基本概念等内容，涵盖了大学物理课程电磁学的核心内容.通过求解电磁学方面的习题，不仅可以使我们增强对有关电磁学基本概念的理解，还可在处理电磁学问题的方法上得到训练，从而感悟到麦克斯韦电磁场理论所体现出来的和谐与美.求解电磁学习题既包括求解一般物理习题的常用方法，也包含一些求解电磁学习题的特殊方法.下面就求解电磁学方面的方法择要介绍如下.1.微元法在求解电场强度、电势、磁感强度等物理量时，微元法是常用的方法之一.使用微元法的基础是电场和磁场的叠加原理.依照叠加原理，任意带电体激发的电场可以视作电荷元d q 单独存在时激发电场的叠加，根据电荷的不同分布方式，电荷元可分别为体电荷元ρd V 、面电荷元σd S 和线电荷元λd l .同理电流激发的磁场可以视作为线电流元激发磁场的叠加.例如求均匀带电直线中垂线上的电场强度分布.我们可取带电线元λd l 为电荷元，每个电荷元可视作为点电荷，建立坐标，利用点电荷电场强度公式将电荷元激发的电场强度矢量沿坐标轴分解后叠加统一积分变量后积分，就可以求得空间的电场分布.类似的方法同样可用于求电势、磁感应强度的分布. 此外值得注意的是物理中的微元并非为数学意义上真正的无穷小，而是测量意义上的高阶小量.从形式上微元也不仅仅局限于体元、面元、线元，在物理问题中常常根据对称性适当地选取微元.例如，求一个均匀带电圆盘轴线上的电场强度分布，我们可以取宽度为d r 的同心带电圆环为电荷元，再利用带电圆环轴线上的电场强度分布公式，用叠加的方法求得均匀带电圆盘轴线上的电场强度分布.2.对称性分析对称性分析在求解电磁场问题时是十分重要的.通过分析场的对称性，可以帮助我们了解电磁场的分布，从而对求解电磁学问题带来极大方便.而电磁场的对称性有轴对称、面对称、球对称等.下面举两个例子.在利用高斯定律求电场强度的分布时，需要根据电荷分布的对称性选择适当的高斯面，使得电场强度在高斯面上为常量或者电场强度通量为零，就能够借助高斯定律求得电场强度的分布.相类似在利用安培环路定律求磁感强度的分布时，依照电流分布的对称性，选择适当的环路使得磁感强度在环路上为常量或者磁场环流为零，借助安培环路定律就可以求出磁感强度的分布.3.补偿法补偿法是利用等量异号的电荷激发的电场强度，具有大小相等方向相反的特性；或强度相同方向相反的电流元激发的磁感强度，具有大小相等方向相反这一特性，将原来对称程度较低的场源分解为若干个对称程度较高的场源，再利用场的叠加求得电场、磁场的分布.例如在一个均匀带电球体内部挖去一个球形空腔，显然它的电场分布不再呈现球对称.为了求这一均匀带电体的电场分布，我们可将空腔带电体激发的电场视为一个外半径相同的球形带电体与一个电荷密度相同且异号、半径等于空腔半径的小球体所激发电场的矢量和.利用均匀带电球体内外的电场分布，即可求出电场分布.4.类比法 在电磁学中，许多物理量遵循着相类似的规律，例如电场强度与磁场强度、电位移矢量与磁感强度矢量、电偶αr l λεE l l cos d π4122/2/0⎰-=极子与磁偶极子、电场能量密度与磁场能量密度等等.他们尽管物理实质不同，但是所遵循的规律形式相类似.在分析这类物理问题时借助类比的方法，我们可以通过一个已知物理量的规律去推测对应的另外一个物理量的规律.例如我们在研究L C 振荡电路时，我们得到回路电流满足的方程显然这个方程是典型的简谐振动的动力学方程，只不过它所表述的是含有电容和自感的电路中，电流以简谐振动的方式变化罢了.5.物理近似与物理模型几乎所有的物理模型都是理想化模型，这就意味着可以忽略影响研究对象运动的次要因素，抓住影响研究对象运动的主要因素，将其抽象成理想化的数学模型.既然如此，我们在应用这些物理模型时不能脱离建立理想化模型的条件与背景.例如当带电体的线度远小于距所考察电场这一点的距离时，一个带电体的大小形状可以忽略，带电体就可以抽象为点电荷.但是一旦去研究带电体临近周围的电场分布时，将带电体当作点电荷的模型就失效了.在讨论物理问题时一定要注意物理模型的适用条件.同时在适用近似条件的情况下，灵活应用理想化模型可大大简化求解问题的难度.电磁学的解题方法还有很多，我们希望同学们通过练习自己去分析、归纳、创新和总结.我们反对在学习过程中不深入理解题意、不分析物理过程、简单教条地将物理问题分类而“套”公式的解题方法.我们企盼同学们把灵活运用物理基本理论求解物理问题当成是一项研究课题，通过求解问题在学习过程中自己去领悟、体会，通过解题来感悟到用所学的物理知识解决问题后的愉悦和快乐，进一步加深理解物理学基本定律，增强学习新知识和新方法的积极性.01d d 22=+i LCt i第五章 静 电 场5 －1 电荷面密度均为＋σ的两块“无限大”均匀带电的平行平板如图(A )放置，其周围空间各点电场强度E (设电场强度方向向右为正、向左为负)随位置坐标x 变化的关系曲线为图(B )中的( )分析与解 “无限大”均匀带电平板激发的电场强度为，方向沿带电平板法向向外，依照电场叠加原理可以求得各区域电场强度的大小和方向.因而正确答案为(B ).5 －2 下列说法正确的是( )(A )闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面内一定没有电荷(B )闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面内电荷的代数和必定为零(C )闭合曲面的电通量为零时，曲面上各点的电场强度必定为零(D )闭合曲面的电通量不为零时，曲面上任意一点的电场强度都不可能为零分析与解 依照静电场中的高斯定理，闭合曲面上各点电场强度都为零时，曲面内电荷的代数和必定为零，但不能肯定曲面内一定没有电荷；闭合曲面的电通量为零时，表示穿入闭合曲面的电场线数等于穿出闭合曲面的电场线数或没有电场线穿过闭合曲面，不能确定曲面上各点的电场强度必定为零；同理闭合曲面的电通量不为零，也不能推断曲面上任意一点的电场强度都不可能为零，因而正确答案为(B ).5 －3 下列说法正确的是( )(A ) 电场强度为零的点，电势也一定为零(B ) 电场强度不为零的点，电势也一定不为零(C ) 电势为零的点，电场强度也一定为零(D ) 电势在某一区域内为常量，则电场强度在该区域内必定为零分析与解 电场强度与电势是描述电场的两个不同物理量，电场强度为零表示试验电荷在该点受到的电场力为零，电势为零表示将试验电荷从该点移到参考零电势点时，电场力作功为零.电场中一点的电势等于单位正电荷从该点沿任意路径到参考零电势点电场力所作的功；电场强度等于负电势梯度.因而正确答案为(D ).*5 －4 在一个带负电的带电棒附近有一个电偶极子，其电偶极矩p 的方向如图所示.当电偶极子被释放后，该电偶极子将( )(A ) 沿逆时针方向旋转直到电偶极矩p 水平指向棒尖端而停止(B ) 沿逆时针方向旋转至电偶极矩p 水平指向棒尖端，同时沿电场线方向朝着棒尖端移动(C ) 沿逆时针方向旋转至电偶极矩p 水平指向棒尖端，同时逆电场线方向朝远离棒尖端移动(D ) 沿顺时针方向旋转至电偶极矩p 水平方向沿棒尖端朝外，同时沿电场线方向朝着棒尖端移动2εσ分析与解 电偶极子在非均匀外电场中，除了受到力矩作用使得电偶极子指向电场方向外，还将受到一个指向电场强度增强方向的合力作用，因而正确答案为(B ).5 －5 精密实验表明，电子与质子电量差值的最大范围不会超过±10－21 e ，而中子电量与零差值的最大范围也不会超过±10－21e ，由最极端的情况考虑，一个有8 个电子，8 个质子和8 个中子构成的氧原子所带的最大可能净电荷是多少？ 若将原子视作质点，试比较两个氧原子间的库仑力和万有引力的大小. 分析 考虑到极限情况， 假设电子与质子电量差值的最大范围为2×10－21 e ，中子电量为10－21 e ，则由一个氧原子所包含的8 个电子、8 个质子和8个中子可求原子所带的最大可能净电荷.由库仑定律可以估算两个带电氧原子间的库仑力，并与万有引力作比较.解 一个氧原子所带的最大可能净电荷为二个氧原子间的库仑力与万有引力之比为显然即使电子、质子、中子等微观粒子带电量存在差异，其差异在±10－21e 范围内时，对于像天体一类电中性物体的运动，起主要作用的还是万有引力. 5 －6 1964年，盖尔曼等人提出基本粒子是由更基本的夸克构成，中子就是由一个带 的上夸克和两个带的下夸克构成.若将夸克作为经典粒子处理(夸克线度约为10－20 m)，中子内的两个下夸克之间相距2.60×10－15 m .求它们之间的相互作用力.解 由于夸克可视为经典点电荷，由库仑定律F 与径向单位矢量e r 方向相同表明它们之间为斥力.5 －7 质量为m ，电荷为－e 的电子以圆轨道绕氢核旋转，其动能为E ｋ .证明电子的旋转频率满足其中ε0 是真空电容率，电子的运动可视为遵守经典力学规律.分析 根据题意将电子作为经典粒子处理.电子、氢核的大小约为10－15 m ，轨道半径约为10－10 m ，故电子、氢核都可视作点电荷.点电荷间的库仑引力是维持电子沿圆轨道运动的向心力，故有由此出发命题可证.()e q 21max 10821-⨯⨯+=1108.2π46202max <<⨯==-Gmεq F F g e e 32e 31-()r r r r e εr q q εe e e F N 78.3π41π412202210===4320232me E εk =v 2202π41r e εr m =v证 由上述分析可得电子的动能为电子旋转角速度为由上述两式消去r ，得5 －8 在氯化铯晶体中，一价氯离子Cl －与其最邻近的八个一价铯离子Cs +构成如图所示的立方晶格结构.(1) 求氯离子所受的库仑力；(2) 假设图中箭头所指处缺少一个铯离子(称作晶格缺陷)，求此时氯离子所受的库仑力.分析 铯离子和氯离子均可视作点电荷，可直接将晶格顶角铯离子与氯离子之间的库仑力进行矢量叠加.为方便计算可以利用晶格的对称性求氯离子所受的合力.解 (1) 由对称性，每条对角线上的一对铯离子与氯离子间的作用合力为零，故F 1 ＝0.(2) 除了有缺陷的那条对角线外，其它铯离子与氯离子的作用合力为零，所以氯离子所受的合力F 2 的值为F 2 方向如图所示.5 －9 若电荷Q 均匀地分布在长为L 的细棒上.求证：(1) 在棒的延长线，且离棒中心为r 处的电场强度为(2) 在棒的垂直平分线上，离棒为r 处的电场强度为 若棒为无限长(即L →∞)，试将结果与无限长均匀带电直线的电场强度相比较.re εm E K 202π8121==v 3022π4mr εe ω=432022232π4me E εωK ==v N 1092.1π3π4920220212⨯===aεe r εq q F 2204π1Lr Q εE -=2204π21L r r Q εE +=分析 这是计算连续分布电荷的电场强度.此时棒的长度不能忽略，因而不能将棒当作点电荷处理.但带电细棒上的电荷可看作均匀分布在一维的长直线上.如图所示，在长直线上任意取一线元d x ，其电荷为d q ＝Q d x /L ，它在点P 的电场强度为整个带电体在点P 的电场强度接着针对具体问题来处理这个矢量积分.(1) 若点P 在棒的延长线上，带电棒上各电荷元在点P 的电场强度方向相同，(2) 若点P 在棒的垂直平分线上，如图(A )所示，则电场强度E 沿x 轴方向的分量因对称性叠加为零，因此，点P 的电场强度就是证 (1) 延长线上一点P 的电场强度，利用几何关系 r ′＝r －x 统一积分变量，则电场强度的方向沿x 轴. (2) 根据以上分析，中垂线上一点P 的电场强度E 的方向沿y 轴，大小为利用几何关系 sin α＝r /r ′， 统一积分变量，则当棒长L →∞时，若棒单位长度所带电荷λ为常量，则P 点电场强度r r q εe E 20d π41d '=⎰=E E d ⎰=LE i E d ⎰⎰==Ly E αE j j E d sin d ⎰'=L r πεq E 202d ()220022204π12/12/1π4d π41L r Q εL r L r L εQ x r L x Q εE L/-L/P -=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--=-=⎰E r εq αE L d π4d sin 2⎰'=22x r r +='()2203/22222041π2d π41L r r εQ r x L xrQ εE L/-L/+=+=⎰此结果与无限长带电直线周围的电场强度分布相同［图(B )］.这说明只要满足r 2/L 2 ＜＜1，带电长直细棒可视为无限长带电直线. 5 －10 一半径为R 的半球壳，均匀地带有电荷，电荷面密度为σ，求球心处电场强度的大小.分析 这仍是一个连续带电体问题，求解的关键在于如何取电荷元.现将半球壳分割为一组平行的细圆环，如图所示，从教材第5 －3 节的例1 可以看出，所有平行圆环在轴线上P 处的电场强度方向都相同，将所有带电圆环的电场强度积分，即可求得球心O 处的电场强度.解 将半球壳分割为一组平行细圆环，任一个圆环所带电荷元，在点O 激发的电场强度为由于平行细圆环在点O 激发的电场强度方向相同，利用几何关系，统一积分变量，有积分得 5 －11 水分子H 2O 中氧原子和氢原子的等效电荷中心如图所示，假设氧原子和氢原子等效电荷中心间距为r 0 .试计算在分子的对称轴线上，距分子较远处的电场强度.rελL r L Q r εE l 0220π2 /41/π21lim =+=∞→θθR δS δq d sin π2d d 2⋅==()i E 3/2220d π41d r x qx ε+=θR x cos =θR r sin =()θθθεδθθR πδR θR πεr x q x πεE d cos sin 2 d sin 2cos 41d 41d 02303/2220=⋅=+=02/004d cos sin 2εδθθθεδE π⎰==分析 水分子的电荷模型等效于两个电偶极子，它们的电偶极矩大小均为，而夹角为2θ.叠加后水分子的电偶极矩大小为，方向沿对称轴线，如图所示.由于点O 到场点A 的距离x ＞＞r 0 ，利用教材第5 －3 节中电偶极子在延长线上的电场强度可求得电场的分布.也可由点电荷的电场强度叠加，求电场分布.解1 水分子的电偶极矩在电偶极矩延长线上解2 在对称轴线上任取一点A ，则该点的电场强度由于 代入得 测量分子的电场时， 总有x ＞＞r 0 ， 因此， 式中，将上式化简并略去微小量后，得 5 －12 两条无限长平行直导线相距为r 0 ，均匀带有等量异号电荷，电荷线密度为λ.(1) 求两导线构成的平面上任一点的电场强度( 设该点到其中一线的垂直距离为x )；(2) 求每一根导线上单位长度导线受到另一根导线上电荷作用的电场力.00er P =θer P cos 20=302π41x p εE =θer θP P cos 2cos 200==30030030cos π1cos 4π412π41x θer εx θer εx p εE ===+-+=E E E 2020π42π4cos 2cos 2x εe r εθer E βE E -=-=+θxr r x r cos 202022-+=rθr x βcos cos 0-=()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--+-=23/20202001cos 2cos π42x θxr r x θr x εe E ()⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-≈⎪⎭⎫ ⎝⎛-≈-+x θr x x θr x θxr r x cos 2231cos 21cos 2033/2033/20202300cos π1x θe r εE =分析 (1) 在两导线构成的平面上任一点的电场强度为两导线单独在此所激发的电场的叠加.(2) 由F ＝q E ，单位长度导线所受的电场力等于另一根导线在该导线处的电场强度乘以单位长度导线所带电量，即：F ＝λE .应该注意：式中的电场强度E 是另一根带电导线激发的电场强度，电荷自身建立的电场不会对自身电荷产生作用力. 解 (1) 设点P 在导线构成的平面上，E ＋、E －分别表示正、负带电导线在P 点的电场强度，则有(2) 设F ＋、F －分别表示正、负带电导线单位长度所受的电场力，则有 显然有F ＋＝F －，相互作用力大小相等，方向相反，两导线相互吸引.5 －13 如图为电四极子，电四极子是由两个大小相等、方向相反的电偶极子组成.试求在两个电偶极子延长线上距中心为z 的一点P 的电场强度(假设z ＞＞d ).分析 根据点电荷电场的叠加求P 点的电场强度.解 由点电荷电场公式，得()i i E E E x r x r ελx r x ελ-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=+=+-00000π211π2i E F 00π2r ελλ==-+i E F 002π2r ελλ-=-=+-考虑到z ＞＞d ，简化上式得 通常将Q ＝2qd 2 称作电四极矩，代入得P 点的电场强度5 －14 设匀强电场的电场强度E 与半径为R 的半球面的对称轴平行，试计算通过此半球面的电场强度通量.分析 方法1：由电场强度通量的定义，对半球面S 求积分，即 方法2：作半径为R 的平面S ′与半球面S 一起可构成闭合曲面，由于闭合面内无电荷，由高斯定理这表明穿过闭合曲面的净通量为零，穿入平面S ′的电场强度通量在数值上等于穿出半球面S 的电场强度通量.因而解1 由于闭合曲面内无电荷分布，根据高斯定理，有依照约定取闭合曲面的外法线方向为面元d S 的方向，解2 取球坐标系，电场强度矢量和面元在球坐标系中可表示为① ()()k k k E 202020π41π412π41d z q εd z q εz q ε++-+=()()k k k E 42022220222206π4...321...32112π4/11/1112π4z qd εq z d z d z d z d z z εq z d z d z z εq =⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-+++++-=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+-=k E 403π41zQ ε=⎰⋅=S S d s E Φ∑⎰==⋅01d 0q εS S E ⎰⎰'⋅-=⋅=S S S E S E Φd d ⎰⎰'⋅-=⋅=S S S E S E Φd d E R πR E 22πcos π=⋅⋅-=Φ()r θθθE e e e E sin sin cos sin cos ++=5 －15 边长为a 的立方体如图所示，其表面分别平行于Oxy 、Oyz 和Ozx 平面，立方体的一个顶点为坐标原点.现将立方体置于电场强度 (k ，E 1 ，E 2 为常数)的非均匀电场中，求电场对立方体各表面及整个立方体表面的电场强度通量.解 如图所示，由题意E 与Oxy 面平行，所以任何相对Oxy 面平行的立方体表面，电场强度的通量为零，即.而考虑到面CDEO 与面ABGF 的外法线方向相反，且该两面的电场分布相同，故有同理因此，整个立方体表面的电场强度通量5 －16 地球周围的大气犹如一部大电机，由于雷雨云和大气气流的作用，在晴天区域，大气电离层总是带有大量的正电荷，云层下地球表面必然带有负电荷.晴天大气电场平均电场强度约为，方向指向地面.试求地球表面单位面积所带的电荷(以每平方厘米的电子数表示).分析 考虑到地球表面的电场强度指向地球球心，在大气层中取与地球同心的球面为高斯面，利用高斯定理可求得高斯面内的净电荷.解 在大气层临近地球表面处取与地球表面同心的球面为高斯面，其半径(为地球平均半径).由高斯定理r θθR e S d d sin d 2=ER θθER θθER SS2π0π2222πdsin d sin dd sin sin d ===⋅=⎰⎰⎰⎰S E Φ()12E kx E +E =i +j 0==DEFG OABC ΦΦ()[]()2221ABGF d a E dS E kx E =⋅++=⋅=⎰⎰j j i S E Φ22a E ABGF CDEO -=-=ΦΦ()[]()2121AOEF d a E dS E E -=-⋅+=⋅=⎰⎰i j i S E Φ()[]()()2121BCDG d a ka E dS E ka E Φ+=⋅++=⋅=⎰⎰i j i S E 3ka ==∑ΦΦ1m V 120-⋅E R R ≈E R ∑⎰=-=⋅q εR E E 021π4d S E地球表面电荷面密度单位面积额外电子数5 －17 设在半径为R 的球体内，其电荷为球对称分布，电荷体密度为k 为一常量.试分别用高斯定理和电场叠加原理求电场强度E 与r 的函数关系.分析 通常有两种处理方法：(1) 利用高斯定理求球内外的电场分布.由题意知电荷呈球对称分布，因而电场分布也是球对称，选择与带电球体同心的球面为高斯面，在球面上电场强度大小为常量，且方向垂直于球面，因而有根据高斯定理，可解得电场强度的分布. (2) 利用带电球壳电场叠加的方法求球内外的电场分布.将带电球分割成无数个同心带电球壳，球壳带电荷为，每个带电球壳在壳内激发的电场，而在球壳外激发的电场由电场叠加可解得带电球体内外的电场分布解1 因电荷分布和电场分布均为球对称，球面上各点电场强度的大小为常量，由高斯定理得球体内(0≤r ≤R )∑--⨯-=-≈=2902cm 1006.1π4/E εR q σE 25cm 1063.6/-⨯=-=e σn ()()R r ρkr ρ>=≤≤= 0R r 02Sπ4d r E ⋅=⋅⎰S E ⎰⎰=⋅V ρεd 1d 0S E r r ρq ''⋅=d π4d 20d =E rrεqe E 20π4d d =()()()()R r r r Rr>=≤≤=⎰⎰d R r 0d 0E E E E ⎰⎰=⋅V ρεd 1d 0S E ()4202πd π41π4r εk r r kr εr r E r==⎰球体外(r ＞R )解2 将带电球分割成球壳，球壳带电由上述分析，球体内(0≤r ≤R )球体外(r ＞R )5 －18 一无限大均匀带电薄平板，电荷面密度为σ，在平板中部有一半径为r 的小圆孔.求圆孔中心轴线上与平板相距为x 的一点P 的电场强度.分析 用补偿法求解利用高斯定理求解电场强度只适用于几种非常特殊的对称性电场.本题的电场分布虽然不具有这样的对称性，但可以利用具有对称性的无限大带电平面和带电圆盘的电场叠加，求出电场的分布.若把小圆孔看作由等量的正、负电荷重叠而成，挖去圆孔的带电平板等效于一个完整的带电平板和一个带相反电荷(电荷面密度σ′＝－σ)的小圆盘.这样中心轴线上的电场强度等效于平板和小圆盘各自独立在该处激发电场的矢量和. 解 由教材中第5 －4 节例4 可知，在无限大带电平面附近为沿平面外法线的单位矢量；圆盘激发的电场它们的合电场强度为()r εkr r e E 024=()4202πd π41π4r εk r r kr εr r E R==⎰()r εkR r e E 024=r r r k V ρq '''==d π4d d 2()r r rεkr r r r r k εr e e E 0222004d π4π41=''⋅'=⎰()r r Rr εkR r r r πr k πεr e e E 20222004d 441=''⋅'=⎰n εσe E 012=n e n r x x εσe E ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+--=220212在圆孔中心处x ＝0，则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.5 －19 在电荷体密度为ρ 的均匀带电球体中，存在一个球形空腔，若将带电体球心O 指向球形空腔球心O ′的矢量用a 表示(如图所示).试证明球形空腔中任一点的电场强度为分析 本题带电体的电荷分布不满足球对称，其电场分布也不是球对称分布，因此无法直接利用高斯定理求电场的分布，但可用补偿法求解.挖去球形空腔的带电球体在电学上等效于一个完整的、电荷体密度为ρ 的均匀带电球和一个电荷体密度为－ρ、球心在O ′的带电小球体(半径等于空腔球体的半径).大小球体在空腔内P 点产生的电场强度分别为E 1 、E 2 ，则P 点的电场强度 E ＝E 1 ＋E 2 . 证 带电球体内部一点的电场强度为所以 ， 根据几何关系，上式可改写为n rx x εσe E E E 22212+=+=n nεσx r εσe e E 02202/112≈+=a E 03ερ=r E 03ερ=r E 013ερ=2023r E ερ-=()210213r r E E E -=+=ερa r r =-21a E 03ερ=5 －20 一个内外半径分别为R 1 和R 2 的均匀带电球壳，总电荷为Q 1 ，球壳外同心罩一个半径为R 3 的均匀带电球面，球面带电荷为Q 2 .求电场分布.电场强度是否为离球心距离r 的连续函数？ 试分析.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出电场强度的分布.解 取半径为r 的同心球面为高斯面，由上述分析r ＜R 1 ，该高斯面内无电荷，，故 R 1 ＜r ＜R 2 ，高斯面内电荷 故 R 2 ＜r ＜R 3 ，高斯面内电荷为Q 1 ，故r ＞R 3 ，高斯面内电荷为Q 1 ＋Q 2 ，故电场强度的方向均沿径矢方向，各区域的电场强度分布曲线如图(B )所示.在带电球面的两侧，电场强度的左右极限不同，电场强度不连续，而在紧贴r ＝R 3 的带电球面两侧，电场强度的跃变量这一跃变是将带电球面的厚度抽象为零的必然结果，且具有普遍性.实际带电球面应是有一定厚度的球壳，壳层内外的电场强度也是连续变化的，本题中带电球壳内外的电场，在球壳的厚度变小时，E 的变化就变陡，最后当厚度趋于零时，E 的变化成为一跃变.5 －21 两个带有等量异号电荷的无限长同轴圆柱面，半径分别为R 1 和R 2 ＞R 1 )，单位长度上的电荷为λ.求离轴线为r 处的电场强度：(1) r ＜R 1 ，(2) R 1 ＜r ＜R 2 ，(3) r ＞R 2 .24d r πE ⋅=⎰S E ∑q ∑⎰=/d εq S E ∑=⋅02/π4εq r E 0=∑q 01=E ()31323131R R R r Q q --=∑()()23132031312π4r R R εR r Q E --=2013π4r εQ E =20214π4r εQ Q E +=230234π4ΔεσR εQ E E E ==-=分析 电荷分布在无限长同轴圆柱面上，电场强度也必定沿轴对称分布，取同轴圆柱面为高斯面，只有侧面的电场强度通量不为零，且，求出不同半径高斯面内的电荷.即可解得各区域电场的分布.解 作同轴圆柱面为高斯面，根据高斯定理r ＜R 1 ，在带电面附近，电场强度大小不连续，电场强度有一跃变 R 1 ＜r ＜R 2 ，r ＞R 2，在带电面附近，电场强度大小不连续，电场强度有一跃变这与5 －20 题分析讨论的结果一致.5 －22 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.⎰⋅=rL E d π2S E ∑q ∑=⋅0/π2εq rL E 0=∑q 01=E L λq =∑rελE 02π2=0=∑q 03=E 000π2π2ΔεσrL εL λr ελE ===分析 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 所受的合力为零解得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？)外力所作的功为解2 与解1相同，在任一点电荷所受合力均为零时，并由电势 的叠加得Q 1 、Q 3 在点O 的电势将Q 2 从点O 推到无穷远处的过程中，外力作功比较上述两种方法，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.5 －23 已知均匀带电长直线附近的电场强度近似为l E d 02⎰∞=Q W ()0202V Q V V Q W =-=∞()02π4π420312021=+d εQ Q d εQ Q Q Q Q 414132-=-=()2/322031π2yd εQ E E E yy y +=+=()dεQ y y d εQ Q Q W y 022/322002π8d π241d =+⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⋅-='⎰⎰∞∞l E Q Q 412-=dεQd εQ d εQ V 003010π2π4π4=+=dεQ V Q W 0202π8=-='。
电磁场与电磁波课后答案__谢处方
题图
（2）由
得到 故
又由于 由以上两式解得
， 故下极板的自由电荷面密度为 上极板的自由电荷面密度为
题图
即
所以 介质板左表面的束缚电荷面密度
介质板右表面的束缚电荷面密度 在介电常数为的无限大均匀介质中，开有如下的空腔，求各腔中的和：
（1）平行于的针形空腔； （2）底面垂直于的薄盘形空腔； （3）小球形空腔（见第四章题）。 解 （1）对于平行于的针形空腔，根据边界条件，在空腔的侧面上，有。故在针形空
＝
＋
题 3. 3 图
在区域中，由高斯定律，可求得大、小圆柱中的正、负电荷在点产生的电场分别为 点处总的电场为 在且区域中，同理可求得大、小圆柱中的正、负电荷在点产生的电场分别为
点处总的电场为 在的空腔区域中，大、小圆柱中的正、负电荷在点产生的电场分别为
点处总的电场为 半径为的球中充满密度的体电荷，已知电位移分布为 其中为常数，试求电荷密度。
所以 故在中点处，有
（3）
令 ，有
即
故解得
题图
一条扁平的直
导体带，宽为，中心线
与轴重合，通过的电流为。证明在第一象限内的磁感
应强度为 ， 式中、和如题图所示。
解 将导体带划分为无数个宽度为的细条带，每
一细条带的电流。由安培环路定理，可得位于处的细
条带的电流在点处的磁场为
则
所以
题图
如题图所示，有一个电矩为的电偶极子，位于坐标原点上，另一个电矩为的电偶极子， 位于矢径为的某一点上。试证明两偶极子之间相互作用力为
静电场习题课1
2.两条无限长平行直导线相距为 0,均匀带有等量异号电荷,电 两条无限长平行直导线相距为r 均匀带有等量异号电荷, 两条无限长平行直导线相距为 .(1) 荷线密度为λ.( )求两导线构成的平面上任一点的电场强度 设该点到其中一线的垂直距离为x);( );(2) (设该点到其中一线的垂直距离为 );( )求每一根导线上 单位长度导线受到另一根导线上电荷作用的电场力. 单位长度导线受到另一根导线上电荷作用的电场力. 分析: 分析 : ( 1 ) 在两导线构成的平面上 任一点的电场强度为两导线单独在 此所激发的电场的叠加. 此所激发的电场的叠加. (2)由F = qE,单位长度导线所受 , 的电场力等于另一根导线在该导线 o 处的电场强度来乘以单位长度导线 所带电的量, 应该注意: 所带电的量,即:F = λE应该注意: 应该注意 式中的电场强度E是除去自身电荷 式中的电场强度 是除去自身电荷 外其它电荷的合电场强度. 外其它电荷的合电场强度.
= r0 λ i 2πε 0 x ( r0 x )
λ
E
E+
λ
p
o
分别表示正, (2)设F+,F-分别表示正,负带电 导线单位长度所受的电场力, 导线单位长度所受的电场力,则有
x
x
r0
λ2 F+ = λE = i 2πε0r0
λ2 F = λE+ = i 2πε0r0
相互作用力大小相等, 相互作用力大小相等,方向相 两导线相互吸引. 反,两导线相互吸引.
b2 x =0 2
2
x=
b , ( 0 ≤ x ≤ b) 2
6
6.在一半径为 的金属球A外面套有一个同心的金属球壳 6.在一半径为R1 =6.0 cm的金属球 外面套有一个同心的金属球壳 在一半径为 的金属球 B.已知球壳 的内,外半径分别为 2 =8.0 cm,R3 =10.0 cm.设 的内, .已知球壳B的内 外半径分别为R , . 带有总电荷Q 球壳B带有总电荷 带有总电荷Q 球A带有总电荷 A= 3.0×10-8C ,球壳 带有总电荷 B= 2.0×10-8C. 带有总电荷 × × . 和球壳B的电势 (l)求球壳 内,外表面上所带的电荷以及球 和球壳 的电势; )求球壳B内 外表面上所带的电荷以及球A和球壳 的电势; 接地然后断开, 接地, 和球壳B (2)将球壳 接地然后断开,再把金属球 接地,求球 和球壳 )将球壳B接地然后断开 再把金属球A接地 求球A和球壳 外表面上所带的电荷以及球A和球壳 的电势. 和球壳B的电势 内,外表面上所带的电荷以及球 和球壳 的电势. 分析:( )根据静电感应和静电平衡 分析:(1) :( 时导体表面电荷分布的规律,电荷Q 时导体表面电荷分布的规律,电荷 A 均匀分布在球A表面 球壳B内表面带 表面, 均匀分布在球 表面,球壳 内表面带 电荷电荷-QA ,
再论带电细圆环与导体球壳系统的场分布
再论带电细圆环与导体球壳系统的场分布贾秀敏【期刊名称】《浙江大学学报（理学版）》【年(卷),期】2011(038)002【摘要】With the method of images, the “mirror image” of a uniformly charged ring in a conducting sphere is studied. According to character and additive formula of Legendre polynomial, space electric field distribution of a system consisting of a charged ring and conducting sphere is calculated by superposition principle. This method is easily understood, and is applied to solving the distribution of axial symmetric static field.%通过电像法给出了带电细圆环在导体球壳内的"镜像",再根据(连带)勒让德多项式的性质和加法公式,利用叠加原理计算出了带电细圆环与导体球壳系统的空间场分布,该方法简便易懂,适用于求解轴对称性稳恒场的分布.【总页数】3页(P182-184)【作者】贾秀敏【作者单位】河北科技大学,理学院,河北,石家庄,050018【正文语种】中文【中图分类】O441【相关文献】1.均匀带电细圆环电场分布的近似解析解 [J], 盛忠志;牟群英;罗勇锋;杨恶恶2.带电细圆环与导体球壳系统的场分布 [J], 李秀燕;陈赐海3.带电椭圆环导体的电势和电场分布新解 [J], 张秀梅;张晶4.带电细圆环作用下导体平面上感应电荷的分布 [J], 廖其力;余艳;邓娅;谢国亚;张珠峰;5.用电势能法求带电细圆环与导体球的作用力 [J], 廖其力; 邓娅; 余艳; 谢国亚; 张珠峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
大学物理第8章恒定磁场总结及练习题
大学物理第8章恒定磁场总结及练习题 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第8章 恒定磁场一、基本要求掌握磁感强度矢量的概念；理解毕奥-萨伐尔定律、磁场的高斯定理、安培环路定理，能计算一些简单问题的磁感强度；理解洛伦兹力公式，能分析点电荷在均匀磁场中的受力和运动；理解安培定律，能计算简单几何形状载流导体在均匀磁场中所受的力（或力矩）．了解介质的磁化现象及其微观解释，了解各向同性介质中磁场强度和磁感强度的关系与区别． 二、基本内容1．基本概念运动电荷（电流）产生磁场；描述磁场的基本物理量：磁感强度，磁通量；磁场对电流的安培力、磁场对运动电荷的洛伦兹力．2．毕奥-萨伐尔定律20d π4d re l I B r⨯=μ 它是求解磁场的基本规律，从该定律可以直接得到在直电流的延长线和反向延长线上各点的磁感应强度为零．从电流元的磁场出发，得到计算线电流产生磁场的方法：⎰⎰⨯==)(20)(d π4d L rL r e l I B Bμ 应用上式在教材中导出了一些电流产生磁场的计算公式，包括：一段直电流在空间任意一点的磁场，无限长载流直导线在空间任意一点的磁场，圆电流在圆心处的磁场，一段载流圆弧在圆心处的磁场，无限长螺线管内部和两端磁感强度．这些计算公式在求解问题时可以直接使用．3．磁场的叠加原理∑==+++=N i i B B B B B 1n 21该原理表明多个电流在空间某点产生的磁场，等于各电流单独存在时在该点处产生的磁场的矢量和．将磁场的计算公式和叠加原理结合使用，可以求解多个电流在空间某点产生的磁场．在计算中首先应该将复杂的电流分成计算公式已知的电流段，然后分段计算，最后求出矢量和．4．磁场中的高斯定理0d =⋅⎰SS B该定理表明：磁场是无源场，磁感线是无头无尾的闭合曲线．应用该定理求解均匀磁场中非闭合曲面的通量时，可以作平面，使平面和曲面形成闭合曲面，由于闭合曲面的通量为零，即曲面的通量等于平面通量的负值，从而达到以平代曲的目的．5．安培环路定理⎰∑==⋅LN i i I μl B 10d该定理表明：磁场是有旋场，磁场是非保守场．应用该定理时，首先应该注意穿过以L 为边界的任意曲面的电流的正负；其次应该知道环流为零，环路上各点的磁感强度不一定为零．在应用定理求解具有轴对称电流分布的磁场和均匀磁场的磁感应强度时，要根据电流的对称性和磁场的性质选择合适的环路L ．6．安培定律B l I F⨯=d d该定律是计算磁场对电流的作用的基本定律．一段载流导线在磁场中受到的安培力为⎰⎰⨯==)()(d d L L B l I F F应用上式时，应该注意电流上各点的磁场是否均匀及磁场力的分布特点．如果电流上各点的磁场相等，并且是一段直电流，可以先求出导线所在处的磁场，然后用公式ϕsin IBL f =求出结果；如果电流上各点所受的磁场力的大小不同但方向相同，可以先在电流上取一小线段l d ，求出l d 段电流所受的磁力，然后通过标量积分得结果．7．洛伦兹力B q F ⨯=v洛伦兹力方向始终与电荷运动方向垂直，对运动电荷不做功．质量为m ，电量为q 的粒子以速率v 垂直进入磁场B时，粒子作匀速率圆周运动：运动半径：qBm R v=，运动周期：qBmT π2=． 三、例题详解8-1、一半径cm 0.1=R 的无限长1/4圆柱形金属薄片，沿轴向通有电流A 0.10=I 的电流，设电流在金属片上均匀分布，试求圆柱轴线上任意一点P的磁感强度．解：取l d 段，其中电流为πd 2πd 2π21d d θI R θIR R l I I ===在P 点θμθμμd d 222d d 2000RII R RIB π=π⋅π=π=选坐标如图RI B 20x d sin d π-=θθμ，R I B 20yd cos d π-=θθμ R IR IB 202/π020x d sin π-=π-=⎰μθθμ RIRI B 202/π020y d cos π-=π-=⎰μθθμ T 108.12)(4202/12y 2x -⨯=π=+=RIB B B μ方向1/tan x y ==B B α，︒=225α，α为B与x 轴正向的夹角．8-2、电流均匀地流过无限大平面导体薄板，面电流密度为j ，设板的厚度可以忽略不计，试用毕奥-萨伐尔定律求板外任意一点的磁感强度．解：如图，从上向下看，在垂直于j 的l d 长度内流过电流为I d ，I d 在P 点产生的磁场：r)I/(μB π2d d 0=，l j I d d = )2/(d d 0r l j B π=μ由对称性的分析可知0d //=⎰Bθμθcos π2d cos d d 0rlj B B ==⊥∵22x l r +=；22/cos x l x +=θ ∴j x l l jxB B 022021d π2d μμ=+==⎰⎰+∞∞-⊥8-3、将通有电流A 0.5=I 的无限长导线折成如图形状，已知半圆环的半径为m 10.0=R ．求圆心O 点的磁感强度．（H/m 10π470-⨯=μ）解：O 处总cd bc ab B B B B ++=，方向垂直指向纸里 而)sin (sin 4120ab ββμ-π=aIB∵02=β，π-=211β，R a = ∴)4/(0ab R I B π=μ 又)4/(0bc R I B μ=因O 在cd 延长线上0cd =B ，所以)4/()4/(00cd bc ab R I R I B B B B μμ+π=++=8-4、如图所示为两条穿过y 轴且垂直于x-y 平面的平行长直导线的正视图，两条导线皆通有电流I ，但方向相反，它们到x 轴的距离皆为a ．（1）推导出x 轴上P 点处的磁感强度)(x B的表达式． （2）求P 点在x 轴上何处时，该点的B 取得最大值．解：（1）利用安培环路定理可求得1导线在P 点产生的磁感强度的大小为：2/122001)(122x a IrIB +⋅π=π=μμ2导线在P 点产生的磁感强度的大小为：2/122002)(122x a Ir IB +⋅π=π=μμ1B 、2B的方向如图所示．P 点总磁感强度θθcos cos 212x 1x x B B B B B +=+= 02y 1y y =+=B B B)()(220x a Ia x B +π=μ，i x a Ia x B )()(220+π=μ（2）当0d )(d =xx B ，0d )(d 22≤x x B 时，)(x B 最大．由此可得：0=x 处，)(x B 有最大值．8-5、已知空间各处的磁感强度B都沿x 轴正方向，而且磁场是均匀的，T 1=B ．求下列三种情形中，穿过一面积为2m 2的平面的磁通量．（1）平面与yz 平面平行； （2）平面与xz 平面平行；（3）平面与y 轴平行，又与x 轴成︒45角．解：（1）平面法线与x 轴平行，有Wb 2±==⋅S Bm Φ（2）平面与xz 坐标面平行，则其法线与B垂直，有0==⋅S B m Φ（3）与x 轴夹角为︒45的平面，其法线与B的夹角为︒45或︒135故有Wb 41.145cos =︒==⋅BS S Bm Φ或Wb 41.1135cos -=︒==⋅BS S Bm Φ8-6、一无限长圆柱形铜导体（磁导率0μ），半径为R ，通有均匀分布的电流I ．今取一矩形平面S （长为1m ，宽为2R ），位置如右图中阴影部分所示，求通过该矩形平面的磁通量．解：在圆柱体内部与导体中心轴线相距为r 处的磁感强度的大小，由安培环路定律可得：)(220R r rR IB ≤π=μ因而，穿过导体内画斜线部分平面的磁通1Φ为π=π===⎰⎰⎰⋅4d 2d d 00201Ir r RIS B S B RμμΦ在圆形导体外，与导体中心轴线相距r 处的磁感强度大小为)(20R r rIB >π=μ因而，穿过导体外画斜线部分平面的磁通2Φ为2ln 2d 2d 0202π=π==⎰⎰⋅Ir rIS B RRμμΦ穿过整个矩形平面的磁通量2ln 240021π+π=+=IIμμΦΦΦ．8-7、如图所示，一个带有正电荷q 的粒子，以速度v平行于一均匀带电的长直导线运动，该导线的线电荷密度为λ，并载有传导电流I ．试问粒子要以多大的速度运动，才能使其保持在一条与导线距离为r 的平行直线上？解：依据无限长带电和载流导线的电场和磁场知：r r E 0π2)(ελ=（方向沿径向向外） rIr B π2)(0μ=（方向垂直纸面向里）运动电荷受力F （大小）为：v rIq r q F π2π200μελ-=此力方向为沿径向（或向里，或向外）为使粒子继续沿着原方向平行导线运动，径向力应为零，0π2π200=-=v rIq r q F μελ则有I 00μελ=v ．8-8、如图所示，载有电流1I 和2I 的长直导线ab 和cd 相互平行，相距为r 3，今有载有电流3I 的导线r MN =，水平放置，且其两端MN 分别与1I 、2I 的距离都是r ，ab 、cd 和MN 共面，求导线MN 所受的磁力大小和方向．解：载流导线MN 上任一点处的磁感强度大小为：)2(π2)(π22010x r I x r I B --+=μμMN 上电流元x I d 3所受磁力：x x r I x r I I x B I F d ])2(π2)(π2[d d 201033--+==μμI 1I 2)(2ln 2]2ln 2ln [22ln 2ln 2d 22d 2d ])2(2)(2[21302130213002300130020103I I II I Ir r I r r I I x x r I I x x r I I xx r I x r I I F r rr-π=-π=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+π=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-π-+π=-π-+π=⎰⎰⎰μμμμμμμ 若12I I >，则F 的方向向下，12I I <，则F的方向向上．8-9、半径为R 的半圆线圈ACD 通有电流2I ，置于电流为1I 的无限长直线电流的磁场中，直线电流1I 恰过半圆的直径，两导线相互绝缘．求半圆线圈受到长直线电流1I 的磁力．解：长直导线在周围空间产生的磁场分布为)π2/(10r I B μ=取o-xy 坐标系如图，则在半圆线圈所在处各点产生的磁感强度大小为：θμsin π210R I B =，方向垂直纸面向里，式中θ为场点至圆心的联线与y 轴的夹角．半圆线圈上段线l d 电流所受的力为：θθμd sin 2d d d 21022R R I I l B I B l I F π==⨯=θcos d d y F F =，根据对称性知：0d y y ==⎰F F θsin d d x F F =，2ππ2d 210210π0x x I I I I F F μμ===⎰∴半圆线圈受1I 的磁力的大小为：2210I I F μ=，方向：垂直1I 向右．8-10、一平面线圈由半径为0．2m 的1/4圆弧和相互垂直的二直线组成，通以电流2A ，把它放在磁感强度为0．5T 的均匀磁场中，求：（1）线圈平面与磁场垂直时（如图），圆弧AC 段所受的磁力．（2）线圈平面与磁场成60°角时，线圈所受的磁力矩．2I 1B解：（1）圆弧AC 所受的磁力：在均匀磁场中AC 通电圆弧所受的磁力与通有相同电流的AC 直线所受的磁力相等，故有N 283.02===RB I F F AC AC方向：与AC 直线垂直，与OC 夹角45°，如图．（2）磁力矩：线圈的磁矩为n n IS p2m 102-⨯π==本小问中设线圈平面与B 成60°角，则m p与B 成30°角，有力矩m N 1057.130sin 2m m ⋅⨯=︒=⨯=-B p B p M方向：力矩M 将驱使线圈法线转向与B平行．8-11、一通有电流1I （方向如图）的长直导线，旁边有一个与它共面通有电流2I （方向如图）每边长为a 的正方形线圈，线圈的一对边和长直导线平行，线圈的中心与长直导线间的距离为a 23（如图），在维持它们的电流不变和保证共面的条件下，将它们的距离从a 23变为a 25，求磁场对正方形线圈所做的功．解：如图示位置，线圈所受安培力的合力为])(π2π2[10102a x I xI aI F +-=μμ方向向右，从a x =到a x 2=磁场所作的功为)3ln 2ln 2(π2d )11(π22102210-=+-=⎰I aI x a x x I aI W aaμμ8-12、横截面为矩形的环形螺线管，圆环内外半径分别为1R 和2R ，芯子材料的磁导率为μ，导线总匝数为N ，绕得很密，若线圈通电流I ，求．（1）芯子中的B 值和芯子截面的磁通量． （2）在1R r <和2R r >处的B 值．解：（1）在环内作半径为r 的圆形回路，由安培环路定理得NI r B μ=π⋅2，)2/(r NI B π=μ在r 处取微小截面r b S d d =，通过此小截面的磁通量r b rNIS B d 2d d π==μΦ穿过截面的磁通量12ln2d 2d R R NIbr b rNIS B Sπ=π==⎰μμΦ （2）同样在环外（1R r <和2R r >）作圆形回路，由于0=∑i II I 2b02=π⋅r B∴0=B四、习题精选8-1、四条皆垂直于纸面的载流细长直导线，每条中的电流皆为I ．这四条导线被纸面截得的断面，如图所示，它们组成了边长为2a 的正方形的四个角顶，每条导线中的电流流向亦如图所示．则在图中正方形中心点O 的磁感强度的大小为（A ）I aB π=02μ． （B ）I a B 2π=02μ．（C ）B =0． （D ）I aB π=0μ．［ ］8-2、无限长直导线在P 处弯成半径为R 的圆，当通以电流I 时，则在圆心O 点的磁感强度大小等于（A ）RIπ20μ． （B ）RI40μ． （C ）0．（D ）)11(20π-R Iμ． （E ）)11(40π+R I μ．［ ］8-3、一载有电流I 的细导线分别均匀密绕在半径为R 和r 的长直圆筒上形成两个螺线管，两螺线管单位长度上的匝数相等．设R =2r ，则两螺线管中的磁感强度大小R B 和r B 应满足：（A ）r R 2B B =．（B ）r R B B =． （C ）r R 2B B =．（D ）r R 4B B =．［ ］8-4、如图所示，电流从a 点分两路通过对称的圆环形分路，汇合于b 点．若ca 、bd 都沿环的径向，则在环形分路的环心处的磁感强度（A ）方向垂直环形分路所在平面且指向纸内． （B ）方向垂直环形分路所在平面且指向纸外． （C ）方向在环形分路所在平面，且指向b ．IaP（D ）方向在环形分路所在平面内，且指向a ． （E ）为零． ［ ］8-5、在真空中有一根半径为R 的半圆形细导线，流过的电流为I ，则圆心处的磁感强度为（A ）RI π40μ． （B ）RI π20μ． （C ）0． （D ）RI 40μ．［ ］8-6、无限长载流空心圆柱导体的内外半径分别为a 、b ，电流在导体截面上均匀分布，则空间各处的B的大小与场点到圆柱中心轴线的距离r 的关系定性地如图所示．正确的图是［ ］8-7、在磁感强度为B的均匀磁场中作一半径为r 的半球面S ，S 边线所在平面的法线方向单位矢量n与B的夹角为θ，则通过半球面S 的磁通量（取弯面向外为正）为（A ）B r 2π． （B ）B r 22π． （C ）θsin π2B r -． （D ）θcos π2B r -．［ ］8-9、取一闭合积分回路L ，使三根载流导线穿过它所围成的面．现改变三根导线之间的相互间隔，但不越出积分回路，则（A ）回路L 内的I ∑不变，L 上各点的B不变．（B ）回路L 内的I ∑不变，L 上各点的B改变．（C ）回路L 内的I ∑改变，L 上各点的B不变．（D ）回路L 内的I ∑改变，L 上各点的B改变．［ ］8-10、一匀强磁场，其磁感强度方向垂直于纸面（指向如图），两带电粒子在该磁场中的运动轨迹如图所示，则（A ）两粒子的电荷必然同号． （B ）粒子的电荷可以同号也可以异号． （C ）两粒子的动量大小必然不同． （D ）两粒子的运动周期必然不同．［ ］8-11、图为四个带电粒子在O 点沿相同方向垂直于磁感线射入均匀磁场后的偏转轨迹的照片．磁场方向垂直纸面向外，轨迹所对应的四个粒子的质量相等，电荷大小也相等，则其中动能最大的带负电的粒子的轨迹是（A ）Oa ． （B ）Ob ． （C ）Oc ． （D ）Od ．［ ］8-12、一运动电荷q ，质量为m ，进入均匀磁场中，（A ）其动能改变，动量不变． （B ）其动能和动量都改变． （C ）其动能不变，动量改变． （D ）其动能、动量都不变．［ ］8-13、A 、B 两个电子都垂直于磁场方向射入一均匀磁场而作圆周运动．A 电子的速率是B 电子速率的两倍．设A R ，B R 分别为A 电子与B 电子的轨道半径；A T ，B T 分别为它们各自的周期．则（A ）2:B A =R R ，2:B A =T T ． （B ）2/1:B A =R R ，1:B A =T T ． （C ）1:B A =R R ，2/1:B A =T T ．（D ）2:B A =R R ，1:B A =T T ．［ ］O8-14、长直电流2I 与圆形电流1I 共面，并与其一直径相重合如图（但两者间绝缘），设长直电流不动，则圆形电流将（A ）绕2I 旋转．（B ）向左运动．（C ）向右运动．（D ）向上运动．（E ）不动．［ ］8-15、在匀强磁场中，有两个平面线圈，其面积212A A =，通有电流212I I =，它们所受的最大磁力矩之比21/M M 等于（A ）1． （B ）2． （C ）4． （D ）1/4．［ ］8-16、两个同心圆线圈，大圆半径为R ，通有电流1I ；小圆半径为r ，通有电流2I ，方向如图．若R r <<（大线圈在小线圈处产生的磁场近似为均匀磁场），当它们处在同一平面内时小线圈所受磁力矩的大小为（A ）RrI I 22210πμ． （B ）RrI I 22210μ． （C ）rRI I 22210πμ． （D ）0．［ ］8-17、如图，匀强磁场中有一矩形通电线圈，它的平面与磁场平行，在磁场作用下，线圈发生转动，其方向是（A ）ab 边转入纸内，cd 边转出纸外． （B ）ab 边转出纸外，cd 边转入纸内． （C ）ad 边转入纸内，bc 边转出纸外． （D ）ad 边转出纸外，bc 边转入纸内．［ ］8-18、关于稳恒电流磁场的磁场强度H，下列几种说法中哪个是正确的？（A ）H仅与传导电流有关．（B ）若闭合曲线内没有包围传导电流，则曲线上各点的H必为零．I 1（C ）若闭合曲线上各点H均为零，则该曲线所包围传导电流的代数和为零．（D ）以闭合曲线Ｌ为边缘的任意曲面的H通量均相等．［ ］8-19、磁介质有三种，用相对磁导率r μ表征它们各自的特性时： （A ）顺磁质0r >μ，抗磁质0r <μ，铁磁质1r >>μ． （B ）顺磁质1r >μ，抗磁质1r =μ，铁磁质1r >>μ． （C ）顺磁质1r >μ，抗磁质1r <μ，铁磁质1r >>μ． （D ）顺磁质0r <μ，抗磁质1r <μ，铁磁质0r >μ．［ ］8-20、顺磁物质的磁导率：（A ）比真空磁导率略小． （B ）比真空磁导率略大． （C ）远小于真空磁导率． （D ）远大于真空磁导率．［ ］8-21、电流元l Id 在磁场中某处沿直角坐标系的x 轴方向放置时不受力，把电流元转到y 轴正方向时受到的力沿z 轴反方向，该处磁感强度B指向______________方向．8-22、半径为R 的细导线环中的电流为I ，那么离环上所有点的距离皆等于r 的一点处的磁感强度大小为=B ____________．（R r ≥）8-23、在一根通有电流I 的长直导线旁，与之共面地放着一个长、宽各为a 和b 的矩形线框，线框的长边与载流长直导线平行，且二者相距为b ，如图所示．在此情形中，线框内的磁通量=Φ______________．y xzO8-24、一个密绕的细长螺线管，每厘米长度上绕有10匝细导线，螺线管的横截面积为10cm 2．当在螺线管中通入10A 的电流时，它的横截面上的磁通量为___________．（真空磁导率m/A T 10π470⋅⨯=-μ）8-25、已知三种载流导线的磁感线的方向如图，则相应的电流流向在图（1）中为由________向________； 图（2）中为由________向________； 图（3）中为由________向________．8-26、两根长直导线通有电流I ，图示有三种环路；在每种情况下，⎰⋅Ll Bd 等于：____________________________________（对环路a ）． ____________________________________（对环路b ）． ____________________________________（对环路c ）．8-27、一长直螺线管是由直径mm 2.0=d 的漆包线密绕而成．当它通以A 5.0=I 的电流时，其内部的磁感强度=B ______________．（忽略绝缘层厚度）（270N/A 10π4-⨯=μ）8-28、有一长直金属圆筒，沿长度方向有横截面上均匀分布的稳恒电流I 流通．筒内空腔各处的磁感强度为________________，筒外空间中离轴线r 处的磁感强度为_____________．ef图(1)图(2)图(3)8-29、两个带电粒子，以相同的速度垂直磁感线飞入匀强磁场，它们的质量之比是1∶4，电荷之比是1∶2，它们所受的磁场力之比是______________，运动轨迹半径之比是_______________．8-30、电子在磁感强度为B的均匀磁场中沿半径为R 的圆周运动，电子运动所形成的等效圆电流强度=I _____________；等效圆电流的磁矩=m p __________．已知电子电荷为e ，电子的质量为e m ．8-31、有半导体通以电流I ，放在均匀磁场B 中，其上下表面积累电荷如图所示．试判断它们各是什么类型的半导体？是_______型，_______型8-32、电子以速率m/s 105=v 与磁力线成交角︒=30θ飞入匀强磁场中，磁场的磁感强度T 2.0=B ，那么作用在电子上的洛伦兹力=F _____________________．（基本电荷C 106.119-⨯=e ）8-33、如图，一根载流导线被弯成半径为R 的1/4圆弧，放在磁感强度为B 的均匀磁场中，则载流导线ab 所受磁场的作用力的大小为____________，方向__________．8-34、如图，半圆形线圈（半径为R ）通有电流I ．线圈处在与线圈平面平行向右的均匀磁场B中．线圈所受磁力矩的大小为__________，方向为____________．把线圈绕OO' 轴转过角度____________时，磁力矩恰为IB零．8-35、在磁场中某点放一很小的试验线圈．若线圈的面积增大一倍，且其中电流也增大一倍，该线圈所受的最大磁力矩将是原来的______________倍．8-36、有一流过电流A 10=I 的圆线圈，放在磁感强度等于0．015T 的匀强磁场中，处于平衡位置．线圈直径cm 12=d ．使线圈以它的直径为轴转过角2/π=α时，外力所必需作的功=W _______，如果转角π2=α，必需作的功=W ________．8-37、如图所示，一根通电流I 的导线，被折成长度分别为a 、b ，夹角为120°的两段，并置于均匀磁场B 中，若导线的长度为b 的一段与B平行，则a ，b 两段载流导线所受的合磁力的大小为_____________．8-38、如图所示，在真空中有一半圆形闭合线圈，半径为a ，流过稳恒电流I ，则圆心O 处的电流元l I d 所受的安培力Fd 的大小为___________，方向__________．8-39、长直电缆由一个圆柱导体和一共轴圆筒状导体组成，两导体中有等值反向均匀电流I 通过，其间充满磁导率为μ的均匀磁介质．介质中离中心轴距离为r 的某点处的磁场强度的大小H =_____________，磁感强度的大小B =__________．8-40、一个单位长度上密绕有n 匝线圈的长直螺线管，每匝线圈中通有强度为I 的电流，管内充满相对磁导率为r μ的磁介质，则管内中部附近磁感强度B =______________，磁场强度H =_______________．II d8-41、如图所示，半径为R ，线电荷密度为0λ（00>λ）的均匀带电的圆线圈，绕过圆心与圆平面垂直的轴以角速度ω转动，求轴线上任一点的B的大小及其方向．8-42、在一半径cm 0.1=R 的无限长半圆筒形金属薄片中，沿长度方向有横截面上均匀分布的电流A 0.5=I 通过．试求圆柱轴线任一点的磁感强度．（270N/A 10π4-⨯=μ）8-43、如图所示，一无限长载流平板宽度为a ，线电流密度（即沿x 方向单位长度上的电流）为，求与平板共面且距平板一边为b 的任意点P 的磁感强度．8-44、如图所示，有两根平行放置的长直载流导线．它们的直径为a ，反向流过相同大小的电流I ，电流在导线内均匀分布．试在图示的坐标系中求出x 轴上两导线之间区域]25,21[a a 内磁感强度的分布．8-45、一无限长载有电流I 的直导线在一处折成直角，P 点位于导线所在平面内，距一条折线的延长线和另一条导线的距离都为a ，如图．求P 点的磁感强度B．y ORωO bxaPδI a aI xO2a8-46、半径为R 的均匀环形导线在b 、c 两点处分别与两根互相垂直的载流导线相连接，已知环与二导线共面，如图所示．若直导线中的电流强度为I ，求：环心O 处磁感强度的大小和方向．8-47、已知真空中电流分布如图，两个半圆共面，且具有公共圆心，试求O 点处的磁感强度．8-48、如图两共轴线圈，半径分别为R 1、R 2，电流为I 1、I 2．电流的方向相反，求轴线上相距中点O 为x 处的P 点的磁感强度．8-49、已知载流圆线圈中心处的磁感强度为B 0，此圆线圈的磁矩与一边长为a 通过电流为I 的正方形线圈的磁矩之比为2∶1，求载流圆线圈的半径．8-50、已知均匀磁场，其磁感强度B=2．0Wb ⋅m -2，方向沿x 轴正向，如图所示．试求：（1）通过图中abOc 面的磁通量； （2）通过图中bedO 面的磁通量； （3）通过图中acde 面的磁通量．8-51、一根很长的圆柱形铜导线均匀载有10A 电流，在导线内部作一平面S ，S 的一个边是导线的中心轴线，另一边是S 平面与导线表面的交线，如图所示．试计算通过沿导线长度方向长为1m 的一段S 平面的磁通量．（真空的磁导率0=4×10-7T ·m/A ，铜的相对磁导率r ≈1）8-52、如图所示，一半径为R 的均匀带电无限长直圆筒，面电荷密度为．该筒以角速度绕其轴线匀速旋转．试求圆筒内部的磁感强度．x y za b cOe d B30 cm30 cm 40 cm 50 cmSRωσ8-53、在B=0．1T 的均匀磁场中，有一个速度大小为v=104m/s 的电子沿垂直于B 的方向通过某点，求电子的轨道半径和旋转频率．（基本电荷e=1．60×1019C ，电子质量m e =9．11×1031kg ）8-54、两长直平行导线，每单位长度的质量为m=0．01kg/m ，分别用l=0．04m 长的轻绳，悬挂于天花板上，如截面图所示．当导线通以等值反向的电流时，已知两悬线张开的角度为2=10°，求电流I ．（tg5°＝0．087，0=4×10-7N ⋅A -2）8-55、通有电流Ｉ的长直导线在一平面内被弯成如图形状，放于垂直进入纸面的均匀磁场B 中，求整个导线所受的安培力（R 为已知）．8-56、如图所示线框，铜线横截面积S=2．0mm 2，其中OA 和DO ＇两段保持水平不动，ABCD 段是边长为a 的正方形的三边，它可绕OO ＇轴无摩擦转动．整个导线放在匀强磁场B 中，B 的方向竖直向上．已知铜的密度=8．9×103kg/m 3，当铜线中的电流I=10AI θ Iθ ⊗ ⊙l lR I⊗⊗BOBADCO ＇ααB时，导线处于平衡状态，AB 段和CD 段与竖直方向的夹角=15°．求磁感强度B 的大小．8-57、已知半径之比为2∶1的两载流圆线圈各自在其中心处产生的磁感强度相等，求当两线圈平行放在均匀外场中时，两圆线圈所受力矩大小之比．8-1 单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做 。
大学物理第8章恒定磁场总结及练习题
第8章 恒定磁场一、基本要求掌握磁感强度矢量的概念；理解毕奥-萨伐尔定律、磁场的高斯定理、安培环路定理，能计算一些简单问题的磁感强度；理解洛伦兹力公式，能分析点电荷在均匀磁场中的受力和运动；理解安培定律，能计算简单几何形状载流导体在均匀磁场中所受的力（或力矩）．了解介质的磁化现象及其微观解释，了解各向同性介质中磁场强度和磁感强度的关系与区别．二、基本内容1．基本概念运动电荷（电流）产生磁场；描述磁场的基本物理量：磁感强度，磁通量；磁场对电流的安培力、磁场对运动电荷的洛伦兹力．2．毕奥-萨伐尔定律20d π4d re l I B r⨯=μ ,它是求解磁场的基本规律，从该定律可以直接得到在直电流的延长线和反向延长线上各点的磁感应强度为零．从电流元的磁场出发，得到计算线电流产生磁场的方法：⎰⎰⨯==)(20)(d π4d L rL r e l I B Bμ 应用上式在教材中导出了一些电流产生磁场的计算公式，包括：一段直电流在空间任意一点的磁场，无限长载流直导线在空间任意一点的磁场，圆电流在圆心处的磁场，一段载流圆弧在圆心处的磁场，无限长螺线管内部和两端磁感强度．这些计算公式在求解问题时可以直接使用．3．磁场的叠加原理∑==+++=N i i B B B B B 1n 21该原理表明多个电流在空间某点产生的磁场，等于各电流单独存在时在该点处产生的磁场的矢量和．将磁场的计算公式和叠加原理结合使用，可以求解多个电流在空间某点产生的磁场．在计算中首先应该将复杂的电流分成计算公式已知的电流段，然后分段计算，最后求出矢量和．4．磁场中的高斯定理0d =⋅⎰SS B.该定理表明：磁场是无源场，磁感线是无头无尾的闭合曲线．应用该定理求解均匀磁场中非闭合曲面的通量时，可以作平面，使平面和曲面形成闭合曲面，由于闭合曲面的通量为零，即曲面的通量等于平面通量的负值，从而达到以平代曲的目的．5．安培环路定理⎰∑==⋅LN i i I μl B 10d该定理表明：磁场是有旋场，磁场是非保守场．应用该定理时，首先应该注意穿过以L 为边界的任意曲面的电流的正负；其次应该知道环流为零，环路上各点的磁感强度不一定为零．在应用定理求解具有轴对称电流分布的磁场和均匀磁场的磁感应强度时，要根据电流的对称性和磁场的性质选择合适的环路L ．6．安培定律B l I F⨯=d d该定律是计算磁场对电流的作用的基本定律．一段载流导线在磁场中受到的安培力为⎰⎰⨯==)()(d d L L B l I F F]应用上式时，应该注意电流上各点的磁场是否均匀及磁场力的分布特点．如果电流上各点的磁场相等，并且是一段直电流，可以先求出导线所在处的磁场，然后用公式ϕsin IBL f =求出结果；如果电流上各点所受的磁场力的大小不同但方向相同，可以先在电流上取一小线段l d ，求出l d 段电流所受的磁力，然后通过标量积分得结果．7．洛伦兹力B q F⨯=v洛伦兹力方向始终与电荷运动方向垂直，对运动电荷不做功．质量为m ，电量为q 的粒子以速率v 垂直进入磁场B 时，粒子作匀速率圆周运动：运动半径：qB m R v =，运动周期：qBmT π2=．三、例题详解8-1、一半径cm 0.1=R 的无限长1/4圆柱形金属薄片，沿轴向通有电流A 0.10=I 的电流，设电流在金属片上均匀分布，试求圆柱轴线上任意一点P 的磁感强度．解：取l d 段，其中电流为 πd 2πd 2π21d d θI R θIR R l I I ===在P 点θμθμμd d 222d d 2000RII R R I B π=π⋅π=π=选坐标如图RI B 20x d sin d π-=θθμ，R I B 20y d cos d π-=θθμ RIR I B 202/π020x d sin π-=π-=⎰μθθμ R I R I B 202/π020y d cos π-=π-=⎰μθθμ【T 108.12)(4202/12y 2x -⨯=π=+=RIB B B μ/方向1/tan x y ==B B α，︒=225α，α为B与x 轴正向的夹角．8-2、电流均匀地流过无限大平面导体薄板，面电流密度为j ，设板的厚度可以忽略不计，试用毕奥-萨伐尔定律求板外任意一点的磁感强度．解：如图，从上向下看，在垂直于j 的l d 长度内流过电流为I d ，I d 在P 点产生的磁场： r)I/(μB π2d d 0=，l j I d d =)2/(d d 0r l j B π=μ`由对称性的分析可知0d //=⎰B θμθcos π2d cos d d 0rlj B B ==⊥∵22x l r +=；22/cos x l x +=θ ∴j xl l jxB B 022021d π2d μμ=+==⎰⎰+∞∞-⊥8-3、将通有电流A 0.5=I 的无限长导线折成如图形状，已知半圆环的半径为m 10.0=R ．求圆心O 点的磁感强度．（H/m 10π470-⨯=μ）解：O 处总cd bc ab B B B B ++=，方向垂直指向纸里 而)sin (sin 4120ab ββμ-π=aIB∵02=β，π-=211β，R a =∴)4/(0ab R I B π=μ 又)4/(0bc R I B μ=因O 在cd 延长线上0cd =B ，所以 )4/()4/(00cd bc ab R I R I B B B B μμ+π=++=8-4、如图所示为两条穿过y 轴且垂直于x-y 平面的平行长直导线的正视图，两条导线皆通有电流I ，但方向相反，它们到x 轴的距离皆为a ．（1）推导出x 轴上P 点处的磁感强度)(x B的表达式．（2）求P 点在x 轴上何处时，该点的B 取得最大值．解：（1）利用安培环路定理可求得1导线在P 点产生的磁感强度的大小为： 2/122001)(122x a Ir I B +⋅π=π=μμ 2导线在P 点产生的磁感强度的大小为：）：2/122002)(122x a IrIB +⋅π=π=μμ …1B 、2B的方向如图所示．P 点总磁感强度θθcos cos 212x 1x x B B B B B +=+= 02y 1y y =+=B B B)()(220x a Ia x B +π=μ，i x a Ia x B )()(220+π=μ （2）当0d )(d =xx B ，0d )(d 22≤x x B 时，)(x B 最大．由此可得：0=x 处，)(x B 有最大值．8-5、已知空间各处的磁感强度B都沿x 轴正方向，而且磁场是均匀的，T 1=B ．求下列三种情形中，穿过一面积为2m 2的平面的磁通量．（1）平面与yz 平面平行；~（2）平面与xz 平面平行；（3）平面与y 轴平行，又与x 轴成︒45角．解：（1）平面法线与x 轴平行，有Wb 2±==⋅S Bm Φ（2）平面与xz 坐标面平行，则其法线与B垂直，有0==⋅S B m Φ（3）与x 轴夹角为︒45的平面，其法线与B的夹角为︒45或︒135故有Wb 41.145cos =︒==⋅BS S B m Φ或Wb 41.1135cos -=︒==⋅BS S Bm Φ8-6、一无限长圆柱形铜导体（磁导率0μ），半径为R ，通有均匀分布的电流I ．今取一矩形平面S （长为1m ，宽为2R ），位置如右图中阴影部分所示，求通过该矩形平面的磁通量．解：在圆柱体内部与导体中心轴线相距为r 处的磁感强度的大小，由安培环路定律可得： )(220R r r R IB ≤π=μ因而，穿过导体内画斜线部分平面的磁通1Φ为 π=π===⎰⎰⎰⋅4d 2d d 00201I r r R I S B S B R μμΦ 在圆形导体外，与导体中心轴线相距r 处的磁感强度大小为 )(20R r rIB >π=μ因而，穿过导体外画斜线部分平面的磁通2Φ为%2ln 2d 2d 0202π=π==⎰⎰⋅Ir rIS B RRμμΦ穿过整个矩形平面的磁通量2ln 240021π+π=+=IIμμΦΦΦ．·8-7、如图所示，一个带有正电荷q 的粒子，以速度v平行于一均匀带电的长直导线运动，该导线的线电荷密度为λ，并载有传导电流I ．试问粒子要以多大的速度运动，才能使其保持在一条与导线距离为r 的平行直线上解：依据无限长带电和载流导线的电场和磁场知： r r E 0π2)(ελ=（方向沿径向向外） rIr B π2)(0μ=（方向垂直纸面向里）运动电荷受力F （大小）为：v rIq r q F π2π200μελ-=此力方向为沿径向（或向里，或向外）为使粒子继续沿着原方向平行导线运动，径向力应为零， 0π2π200=-=v rIq r q F μελ则有I 00μελ=v ．8-8、如图所示，载有电流1I 和2I 的长直导线ab 和cd 相互平行，相距为r 3，今有载有电流3I 的导线r MN =，水平放置，且其两端MN 分别与1I 、2I 的距离都是r ，ab 、cd 和MN 共面，求导线MN 所受的磁力大小和方向．解：载流导线MN 上任一点处的磁感强度大小为：【)2(π2)(π22010x r I x r I B --+=μμMN 上电流元x I d 3所受磁力：x x r I x r I I x B I F d ])2(π2)(π2[d d 201033--+==μμ )(2ln 2]2ln 2ln [22ln 2ln 2d 22d 2d ])2(2)(2[21302130213002300130020103I I II I Ir r I r r I I x x r I I x x r I I xx r I x r I I F r rr-π=-π=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+π=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-π-+π=-π-+π=⎰⎰⎰μμμμμμμ 若12I I >，则F 的方向向下，12I I <，则F的方向向上．8-9、半径为R 的半圆线圈ACD 通有电流2I ，置于电流为1I 的无限长直线电流的磁场中，直线电流1I 恰过半圆的直径，两导线相互绝缘．求半圆线圈受到长直线电流1I 的磁力．…I 1I 22I 1解：长直导线在周围空间产生的磁场分布为)π2/(10r I B μ=取o-xy 坐标系如图，则在半圆线圈所在处各点产生的磁感强度大小为：θμsin π210R I B =，方向垂直纸面向里，…式中θ为场点至圆心的联线与y 轴的夹角．半圆线圈上段线l d 电流所受的力为：θθμd sin 2d d d 21022R R I I l B I B l I F π==⨯=θcos d d y F F =，根据对称性知：0d y y ==⎰F F θsin d d x F F =，2ππ2d 210210π0x x I I I I F F μμ===⎰∴半圆线圈受1I 的磁力的大小为： 2210I I F μ=，方向：垂直1I 向右．8-10、一平面线圈由半径为0．2m 的1/4圆弧和相互垂直的二直线组成，通以电流2A ，把它放在磁感强度为0．5T 的均匀磁场中，求：（1）线圈平面与磁场垂直时（如图），圆弧AC 段所受的磁力． （2）线圈平面与磁场成60°角时，线圈所受的磁力矩．解：（1）圆弧AC 所受的磁力：在均匀磁场中AC 通电圆弧所受的磁力与通有相同电流的AC 直线所受的磁力相等，故有N 283.02===RB I F F AC AC方向：与AC 直线垂直，与OC 夹角45°，如图．（2）磁力矩：线圈的磁矩为n n IS p2m 102-⨯π==—本小问中设线圈平面与B 成60°角，则m p与B 成30°角，有力矩 m N 1057.130sin 2m m ⋅⨯=︒=⨯=-B p B p M方向：力矩M 将驱使线圈法线转向与B平行．8-11、一通有电流1I （方向如图）的长直导线，旁边有一个与它共面通有电流2I （方向如图）每边长为a 的正方形线圈，线圈的一对边和长直导线平行，线圈的中心与长直导线间的距离为a 23（如图），在维持它们的电流不变和保证共面的条件下，将它们的距离从a 23变为a 25，求磁场对正方形线圈所做的功．解：如图示位置，线圈所受安培力的合力为 ])(π2π2[10102a x I xI aI F +-=μμ~方向向右，从a x =到a x 2=磁场所作的功为；BI I 2)3ln 2ln 2(π2d )11(π22102210-=+-=⎰I aI x a x x I aI W aaμμ8-12、横截面为矩形的环形螺线管，圆环内外半径分别为1R 和2R ，芯子材料的磁导率为μ，导线总匝数为N ，绕得很密，若线圈通电流I ，求．（1）芯子中的B 值和芯子截面的磁通量． （2）在1R r <和2R r >处的B 值．解：（1）在环内作半径为r 的圆形回路，由安培环路定理得|NI r B μ=π⋅2，)2/(r NI B π=μ在r 处取微小截面r b S d d =，通过此小截面的磁通量 r b rNIS B d 2d d π==μΦ穿过截面的磁通量 12ln2d 2d R R NIbr b rNIS B Sπ=π==⎰μμΦ （2）同样在环外（1R r <和2R r >）作圆形回路，由于0=∑i I02=π⋅r B ∴0=B!四、习题精选8-1、四条皆垂直于纸面的载流细长直导线，每条中的电流皆为I ．这四条导线被纸面截得的断面，如图所示，它们组成了边长为2a 的正方形的四个角顶，每条导线中的电流流向亦如图所示．则在图中正方形中心点O 的磁感强度的大小为（A ）I aB π=02μ． （B ）I a B 2π=02μ．（C ）B =0． （D ）I aB π=0μ．［ ］{8-2、无限长直导线在P 处弯成半径为R 的圆，当通以电流I 时，则在圆心O 点的磁感强度大小等于 （A ）RIπ20μ． （B ）RI40μ． （C ）0．（D ）)11(20π-R Iμ． （E ）)11(40π+R I μ．［ ］8-3、一载有电流I 的细导线分别均匀密绕在半径为R 和r 的长直圆筒上形成两个螺线管，两螺线管bIaP单位长度上的匝数相等．设R =2r ，则两螺线管中的磁感强度大小R B 和r B 应满足：（A ）r R 2B B =．（B ）r R B B =． （C ）r R 2B B =．（D ）r R 4B B =．}［ ］8-4、如图所示，电流从a 点分两路通过对称的圆环形分路，汇合于b 点．若ca 、bd 都沿环的径向，则在环形分路的环心处的磁感强度（A ）方向垂直环形分路所在平面且指向纸内． （B ）方向垂直环形分路所在平面且指向纸外． （C ）方向在环形分路所在平面，且指向b ． （D ）方向在环形分路所在平面内，且指向a ． （E ）为零．、［ ］8-5、在真空中有一根半径为R 的半圆形细导线，流过的电流为I ，则圆心处的磁感强度为 （A ）RI π40μ． （B ）RI π20μ． （C ）0． （D ）RI 40μ．［ ］8-6、无限长载流空心圆柱导体的内外半径分别为a 、b ，电流在导体截面上均匀分布，则空间各处的B的大小与场点到圆柱中心轴线的距离r 的关系定性地如图所示．正确的图是 ［ ］8-7、在磁感强度为B 的均匀磁场中作一半径为r 的半球面S ，S 边线所在平面的法线方向单位矢量n与B的夹角为θ，则通过半球面S 的磁通量（取弯面向外为正）为（A ）B r 2π． （B ）B r 22π．@（C ）θsin π2B r -． （D ）θcos π2B r -．［ ］8-9、取一闭合积分回路L ，使三根载流导线穿过它所围成的面．现改变三根导线之间的相互间隔，但不越出积分回路，则（A ）回路L 内的I ∑不变，L 上各点的B不变．（B ）回路L 内的I ∑不变，L 上各点的B改变．（C ）回路L 内的I ∑改变，L 上各点的B不变．（D ）回路L 内的I ∑改变，L 上各点的B改变． ［ ］8-10、一匀强磁场，其磁感强度方向垂直于纸面（指向如图），两带电粒子在该磁场中的运动轨迹如图所示，则（A ）两粒子的电荷必然同号． （B ）粒子的电荷可以同号也可以异号． （C ）两粒子的动量大小必然不同． （D ）两粒子的运动周期必然不同．［ ］！8-11、图为四个带电粒子在O 点沿相同方向垂直于磁感线射入均匀磁场后的偏转轨迹的照片．磁场方向垂直纸面向外，轨迹所对应的四个粒子的质量相等，电荷大小也相等，则其中动能最大的带负电的粒子的轨迹是（A ）Oa ． （B ）Ob ． （C ）Oc ． （D ）Od ．［ ］8-12、一运动电荷q ，质量为m ，进入均匀磁场中，（A ）其动能改变，动量不变． （B ）其动能和动量都改变． （C ）其动能不变，动量改变． （D ）其动能、动量都不变．［ ］8-13、A 、B 两个电子都垂直于磁场方向射入一均匀磁场而作圆周运动．A 电子的速率是B 电子速率的两倍．设A R ，B R 分别为A 电子与B 电子的轨道半径；A T ，B T 分别为它们各自的周期．则 |（A ）2:B A =R R ，2:B A =T T ． （B ）2/1:B A =R R ，1:B A =T T ．（C ）1:B A =R R ，2/1:B A =T T ．（D ）2:B A =R R ，1:B A =T T ．［ ］8-14、长直电流2I 与圆形电流1I 共面，并与其一直径相重合如图（但两者间绝缘），设长直电流不动，则圆形电流将（A ）绕2I 旋转．（B ）向左运动．（C ）向右运动．（D ）向上运动．（E ）不动．［ ］8-15、在匀强磁场中，有两个平面线圈，其面积212A A =，通有电流212I I =，它们所受的最大磁力矩之比21/M M 等于~OI 1>（A ）1． （B ）2． （C ）4． （D ）1/4．［ ］8-16、两个同心圆线圈，大圆半径为R ，通有电流1I ；小圆半径为r ，通有电流2I ，方向如图．若R r <<（大线圈在小线圈处产生的磁场近似为均匀磁场），当它们处在同一平面内时小线圈所受磁力矩的大小为（A ）Rr I I 22210πμ． （B ）Rr I I 22210μ． （C ）rR I I 22210πμ． （D ）0．［ ］8-17、如图，匀强磁场中有一矩形通电线圈，它的平面与磁场平行，在磁场作用下，线圈发生转动，其方向是（A ）ab 边转入纸内，cd 边转出纸外． （B ）ab 边转出纸外，cd 边转入纸内． （C ）ad 边转入纸内，bc 边转出纸外． （D ）ad 边转出纸外，bc 边转入纸内．［ ］8-18、关于稳恒电流磁场的磁场强度H，下列几种说法中哪个是正确的（A ）H仅与传导电流有关．）（B ）若闭合曲线内没有包围传导电流，则曲线上各点的H必为零．（C ）若闭合曲线上各点H均为零，则该曲线所包围传导电流的代数和为零．（D ）以闭合曲线Ｌ为边缘的任意曲面的H通量均相等． ［ ］8-19、磁介质有三种，用相对磁导率r μ表征它们各自的特性时： （A ）顺磁质0r >μ，抗磁质0r <μ，铁磁质1r >>μ． （B ）顺磁质1r >μ，抗磁质1r =μ，铁磁质1r >>μ． （C ）顺磁质1r >μ，抗磁质1r <μ，铁磁质1r >>μ．`（D ）顺磁质0r <μ，抗磁质1r <μ，铁磁质0r >μ．［ ］8-20、顺磁物质的磁导率：（A ）比真空磁导率略小． （B ）比真空磁导率略大． （C ）远小于真空磁导率． （D ）远大于真空磁导率．［ ］8-21、电流元l I d 在磁场中某处沿直角坐标系的x 轴方向放置时不受力，把电流元转到y 轴正方向时受到的力沿z 轴反方向，该处磁感强度B指向______________方向．8-22、半径为R 的细导线环中的电流为I ，那么离环上所有点的距离皆等于r 的一点处的磁感强度大小为=B ____________．（R r ≥）8-23、在一根通有电流I 的长直导线旁，与之共面地放着一个长、宽各为a 和b 的矩形线框，线框的长边与载流长直导线平行，且二者相距为b ，如图所示．在此情形中，线框内的磁通量=Φ______________．8-24、一个密绕的细长螺线管，每厘米长度上绕有10匝细导线，螺线管的横截面积为10cm 2．当在螺线管中通入10A 的电流时，它的横截面上的磁通量为___________．（真空磁导率m/A T 10π470⋅⨯=-μ），8-25、已知三种载流导线的磁感线的方向如图，则相应的电流流向在 图（1）中为由________向________； 图（2）中为由________向________； 图（3）中为由________向________．8-26、两根长直导线通有电流I ，图示有三种环路；在每种情况下，⎰⋅Ll Bd 等于：____________________________________（对环路a ）．…____________________________________（对环路b ）． ____________________________________（对环路c ）．8-27、一长直螺线管是由直径mm 2.0=d 的漆包线密绕而成．当它通以A 5.0=I 的电流时，其内部的磁感强度=B ______________．（忽略绝缘层厚度）（270N/A 10π4-⨯=μ）8-28、有一长直金属圆筒，沿长度方向有横截面上均匀分布的稳恒电流I 流通．筒内空腔各处的磁感强度为________________，筒外空间中离轴线r 处的磁感强度为_____________．<ef图(1)图(2)图(3)y xzO8-29、两个带电粒子，以相同的速度垂直磁感线飞入匀强磁场，它们的质量之比是1∶4，电荷之比是1∶2，它们所受的磁场力之比是______________，运动轨迹半径之比是_______________．~8-30、电子在磁感强度为B的均匀磁场中沿半径为R 的圆周运动，电子运动所形成的等效圆电流强度=I _____________；等效圆电流的磁矩=m p __________．已知电子电荷为e ，电子的质量为e m ．8-31、有半导体通以电流I ，放在均匀磁场B 中，其上下表面积累电荷如图所示．试判断它们各是什么类型的半导体是_______型，_______型8-32、电子以速率m/s 105=v 与磁力线成交角︒=30θ飞入匀强磁场中，磁场的磁感强度T 2.0=B ，那么作用在电子上的洛伦兹力=F _____________________．（基本电荷C 106.119-⨯=e ）？8-33、如图，一根载流导线被弯成半径为R 的1/4圆弧，放在磁感强度为B 的均匀磁场中，则载流导线ab 所受磁场的作用力的大小为____________，方向__________．8-34、如图，半圆形线圈（半径为R ）通有电流I ．线圈处在与线圈平面平行向右的均匀磁场B中．线圈所受磁力矩的大小为__________，方向为____________．把线圈绕OO' 轴转过角度____________时，磁力矩恰为零．8-35、在磁场中某点放一很小的试验线圈．若线圈的面积增大一倍，且其中电流也增大一倍，该线圈所受的最大磁力矩将是原来的______________倍．8-36、有一流过电流A 10=I 的圆线圈，放在磁感强度等于0．015T 的匀强磁场中，处于平衡位置．线圈直径cm 12=d ．使线圈以它的直径为轴转过角2/π=α时，外力所必需作的功=W _______，如果转角π2=α，必需作的功=W ________．!IB8-37、如图所示，一根通电流I 的导线，被折成长度分别为a 、b ，夹角为120°的两段，并置于均匀磁场B 中，若导线的长度为b 的一段与B平行，则a ，b 两段载流导线所受的合磁力的大小为_____________．8-38、如图所示，在真空中有一半圆形闭合线圈，半径为a ，流过稳恒电流I ，则圆心O 处的电流元l I d 所受的安培力Fd 的大小为___________，方向__________．8-39、长直电缆由一个圆柱导体和一共轴圆筒状导体组成，两导体中有等值反向均匀电流I 通过，其间充满磁导率为μ的均匀磁介质．介质中离中心轴距离为r 的某点处的磁场强度的大小H =_____________，磁感强度的大小B =__________．!8-40、一个单位长度上密绕有n 匝线圈的长直螺线管，每匝线圈中通有强度为I 的电流，管内充满相对磁导率为r μ的磁介质，则管内中部附近磁感强度B =______________，磁场强度H =_______________．8-41、如图所示，半径为R ，线电荷密度为0λ（00>λ）的均匀带电的圆线圈，绕过圆心与圆平面垂直的轴以角速度ω转动，求轴线上任一点的B的大小及其方向．；8-42、在一半径cm 0.1=R 的无限长半圆筒形金属薄片中，沿长度方向有横截面上均匀分布的电流A 0.5=I 通过．试求圆柱轴线任一点的磁感强度．（270N/A 10π4-⨯=μ）8-43、如图所示，一无限长载流平板宽度为a ，线电流密度（即沿x 方向单位长度上的电流）为，求与平板共面且距平板一边为b 的任意点P 的磁感强度．、a bI120°BO IaI dy ORωO bxaPδ8-44、如图所示，有两根平行放置的长直载流导线．它们的直径为a ，反向流过相同大小的电流I ，电流在导线内均匀分布．试在图示的坐标系中求出x 轴上两导线之间区域]25,21[a a 内磁感强度的分布．】8-45、一无限长载有电流I 的直导线在一处折成直角，P 点位于导线所在平面内，距一条折线的延长线和另一条导线的距离都为a ，如图．求P 点的磁感强度B．'8-46、半径为R 的均匀环形导线在b 、c 两点处分别与两根互相垂直的载流导线相连接，已知环与二导线共面，如图所示．若直导线中的电流强度为I ，求：环心O 处磁感强度的大小和方向．\8-47、已知真空中电流分布如图，两个半圆共面，且具有公共圆心，试求O 点处的磁感强度．)8-48、如图两共轴线圈，半径分别为R 1、R 2，电流为I 1、I 2．电流的方向相反，求轴线上相距中点O 为x 处的P 点的磁感强度．?8-49、已知载流圆线圈中心处的磁感强度为B 0，此圆线圈的磁矩与一边长为a 通过电流为I 的正方形线圈的磁矩之比为2∶1，求载流圆线圈的半径．8-50、已知均匀磁场，其磁感强度B=2．0Wb ⋅m -2，方向沿x 轴正向，如图所示．试求：（1）通过图中abOc 面的磁通量； （2）通过图中bedO 面的磁通量；·（3）通过图中acde 面的磁通量．8-51、一根很长的圆柱形铜导线均匀载有10A 电流，在导线内部作一平面S ，S 的一个边是导线的中心轴线，另一边是S 平面与导线表面的交线，如图所示．试计算通过沿导线长度方向长为1m 的一段S 平面的磁通量．!（真空的磁导率=4×10-7T ·m/A ，铜的相对磁导率r≈1）8-52、如图所示，一半径为R 的均匀带电无限长直圆筒，面电荷密度为．该筒以角速度绕其轴线匀速旋转．试求圆筒内部的磁感强度．:8-53、在B=0．1T 的均匀磁场中，有一个速度大小为v=104m/s 的电子沿垂直于B的方向通过某点，求电子的轨道半径和旋转频率．（基本电荷e=1．60×1019C ，电子质量m e =9．11×1031kg ）*x y za b cOe d B30 cm30 cm 40 cm 50 cmSRωσ8-54、两长直平行导线，每单位长度的质量为m=0．01kg/m ，分别用l=0．04m 长的轻绳，悬挂于天花板上，如截面图所示．当导线通以等值反向的电流时，已知两悬线张开的角度为2=10°，求电流I ．（tg5°＝0．087，0=4×10-7N ⋅A -2）-8-55、通有电流Ｉ的长直导线在一平面内被弯成如图形状，放于垂直进入纸面的均匀磁场B 中，求整个导线所受的安培力（R 为已知）．?8-56、如图所示线框，铜线横截面积S=2．0mm 2，其中OA 和DO ＇两段保持水平不动，ABCD 段是边长为a 的正方形的三边，它可绕OO ＇轴无摩擦转动．整个导线放在匀强磁场B 中，B 的方向竖直向上．已知铜的密度=8．9×103kg/m 3，当铜线中的电流I=10A 时，导线处于平衡状态，AB 段和CD 段与竖直方向的夹角=15°．求磁感强度B 的大小．~8-57、已知半径之比为2∶1的两载流圆线圈各自在其中心处产生的磁感强度相等，求当两线圈平行放在均匀外场中时，两圆线圈所受力矩大小之比．8-1 单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做 。
带电细椭圆导线的空间电势
［ 考文献 ］ 参
［ ］于凤军 ． １ 一个关于勒让德多项式的积分公式及其简单应用［ ］大学物理 ，０ ７ ２ （ ）１— ９ Ｊ． ２ ０ ，６ ９ ：７ １ ． ［ ］张之翔 ． ２ 圆环 电荷的 电势的几种算法及讨论 ［］大学物理 ，０ ６ ２ （ ）７ １ ． Ｊ． ２ ０ ，５ ８ ：－０ ［ ］曹玉娟 ， ３ 董慎行 ． 数值积分求解均匀带电圆环平 面上 的电场分布［ ］物理 与工程 ，０ ５ （ ５ ：２ １ ． Ｊ． ２０ ， １ ） １— ４ ［ ］ 昌林 ， ４程 王慧 ， 李业凤 ． 均匀带电细圆环 的电场 ［］大学 物理 ，０ ３ ２ （ ）１ — ７ Ｊ． ２ ０ ，２６ ：５ １ ． ［ ］张之翔 ． ５ 电磁学 中几个简单问题 里的椭 圆积分 ［］大学物理 ，０ ２ ２ （ ）２ － ４ Ｊ． ２ ０ ，１４ ：２ ２ ． ［ ］张同华 ， ６ 粱艳 ． 带电圆环 电场 的普遍分布［ ］安徽师范大学学报（ Ｊ． 自然科学版 ） ２０ ，３ ２ ：７ — ７ ． ， ０ ０ ２ （ ）１２ １ ３ ［］ ７ 赵仁 ， 赵现敏 ． 圆形带 电导体环上的电荷 分布 ［］云南 民族学院学报（ 椭 Ｊ． 自然科学版 ）１９ ，（ ）４ － ２ ，９ ５４ １ ：９ ５
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图 ３ 平面椭圆环带电时 ， ｙ 、 ／ｍ平面 的电势分布 ＝／ ２
图 ４ 平面椭圆环带电时， Ｙ Ｉ ｍ 平 面 的 电 势分 布 图 ＝． ２
过度到分布在 电荷重心处点电荷产生的电势． 由于这种方法可 以用来求解各种任意分布的电荷所产生的电 势， 计算 方法 简单并 且 容易推 广 到平 面和空 间带 电 的情况 ， 以有很 强 的适 用性 ． 所
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The Distribution of Inductive Charge on the Plane of a Conductor under a Charged Thin Ring
Qili Liao, Yan Yu, Ya Deng, Guoya Xie, Zhufeng Zhang
College of Mobile Telecommunications, Chongqing University of Posts and Telecom, Chongqing Received: May 4 , 2018; accepted: May 17 , 2018; published: May 24 , 2018
垂线交导体平面于 p2 ( d , R cos φ , R sin φ ) ， 由于导体平面上的电荷面密度 σ 分布具有关于 x 轴的轴对称性，
θ ( − π 2 < θ < π 2 ) 是 op 连线与 x 轴正方向的夹角，称其为极角。则该微元电荷 dq 在 p 点处产生的感应
电荷面密度 σ 大小为[2] [3] [4]
dσ = q d + R cos α cos φ dφ 4π 2 r3
p2 ( d + R cos α cos φ , R sin α cos φ , R sin φ ) ，设 p ( d , d tan θ cos ϕ , d tan θ sin ϕ ) 为导体平面上任一点，其中 θ
3. 带电细圆环与导体平面不平行时的感应负电荷的分布
当带电细圆环与导体平面不平行时，既环与导体平面的法线的夹角 α ≠ π 2 ，建立如图 2(a)所示的笛 卡尔直坐标系，仍以圆环圆心为坐标原点 o，x 轴垂直于导体平面且指向平面的方向为正方向，则圆环所 在平面与 x 轴负方向的夹角为 α，y 轴在 x 轴和 x 轴在圆环所在的平面内的投影所决定的平面内，xyz 轴 满足右手螺旋系。细环均匀带电为正 q，圆环半径为 R，环心离平面的距离为 d。在带电圆环上任一点
Applied Physics 应用物理, 2018, 8(5), 240-245 Published Online May 2018 in Hans. /journal/app https:///10.12677/app.2018.85030
1000 σ/(q/2π2) 500 0 0.05 d 0.10 0 -1 1 θ
(c) σ varies with distance in different polar angles (c) 不同极角方向上电荷面密度随距离的分布
(d) σ varies with the distance and the polar angle (d) 电荷面密度随距离和极角的分布
th th th
Abstract
Based on the mirror image method of the electromagnetism, the induced charged surface density distribution on the grounding infinite conductor plane under the uniform charged thin ring is calculated with mathematical software. And it draws the images of the induced charge surface density varied with the angle and distance.
重庆邮电大学移通学院，重庆
收稿日期：2018年5月4日；录用日期：2018年5月17日；发布日期：2018年5月24日
摘
要
本文基于电磁学理论中的镜像法、利用Mathematica数学软件在笛卡尔直角坐标系中计算了均匀带电细 圆环作用下接地无限大导体平面上的感应电荷面密度分布，并绘出感应电荷面密度随角度和距离变化的 图像。
dσ =
dq cos3 β 2π d 2
(1)
ˆ 分别是 x、 ˆ 和 p p = di ˆ、 ˆ ˆ 的夹角，这里的 i ˆ + ( d tan θ − R cos φ ) ˆ 其中 β 角是位矢 p1 p = j、k di j − R sin φ k 1 2
y、z 轴正方向的单位矢，角 β 的余弦值 cos β 由解析几何有：
文章引用: 廖其力, 余艳, 邓娅, 谢国亚, 张珠峰. 带电细圆环作用下导体平面上感应电荷的分布[J]. 应用物理, 2018, 8(5): 240-245. DOI: 10.12677/app.2018.85030
廖其力 等
关键词
电荷面密度分布，接地无限大导体平面，均匀带电细圆环，Mathematica
Figure 1. Charge distribution on the plane of ground conductor under the action of a charged thin ring 图 1. 带电细圆环与接地导体平面平行时的电荷分布
将(2)式代入(1)式化为：
dσ = q d dφ 4π 2 r 3
p1 ( − R cos α cos φ , R sin α cos φ , R sin φ ) 处取微元电荷 dq，其中 φ ( 0 ≤ φ ≤ 2 π ) 角是点 p1 在 yoz 平面的投影点
与坐标原点 o 的连线与 y 轴正方向的夹角。过 p1 作导体平面的垂线交导体平面于
是 op 连线与 x 轴正方向的夹角，称其为极角； ϕ ( 0 ≤ ϕ ≤ 2 π ) 是点 p 在 yoz 平面内的投影点和坐标原点 o 面计算可得：
= cos β
p1 p2 ⋅ p1 p2 = p1 p2 p1 p
d d 2 + ( d tan θ − R cos φ ) + ( R sin φ )
2 2
(2)
DOI: 10.12677/app.2018.85030
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应用物理
廖其力 等
Y P β θ O d X
P1
P2
Z
(a) Image of a charged thin ring in the grounding plane (a) 带电细圆环与接地导体平面平行时的像 (b) σ varies with the angle at different distances (b) 不同距离时电荷面密度随角度的分布
σ n 就可确定。下面分二种情况计算导体平面上的感应负电荷的电 ε
如图 1(a)所示，当带电细圆环与接地无限大导体平面平行，既细圆环所在平面与导体平面的法线夹 角 α = π 2 ，设均匀带电细圆环带电为正 q，圆环半径为 R，环心到平面的距离为 d。设环心为坐标系的 原点 o，垂直指向导体平面为 x 轴的正方向，x、y、z 轴满足右手螺旋系。当导体平面处于静电平衡时， 按电磁理论中的镜像法[3] [4] [5]，该均匀带电圆环在导体平面上产生的感应负电荷在导体平面左侧空间 (包括导体表面)产生的作用效果(力学的、电磁学的)等效于该均匀带电圆环经导体平面成像于平面右侧处 取微元电荷 dq，其中 φ ( 0 ≤ φ ≤ 2 π ) 是点 p1 与坐标原点 o 的连线与 y 轴正方向的夹角。过 p1 作导体平面的 故 可 在 xoy 所 决 定 的 平 面 与 导 体 平 面 的 交 线 ( 与 y 轴 平 行 ) 上 任 取 一 点 p ( d , d tan θ , 0 ) ， 其 中 的均匀带负电圆环 −q 在导体平面左侧空间产生的作用效果。在带电圆环上任一点 p1 ( 0, R cos φ , R sin φ ) 处
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1. 引言
当导体在外界电场作用下处于静电平衡时，其表面产生的感应电荷分布是复杂的[1] [2] [3]，大多数 情况下只能由实验给出定性描述，但当导体具有规则形状时，比如无限大接地导体平面、导体球(或导体 球壳)，就可作定量计算。在文献[4] [5]中我们首次将点电荷的镜像法原理[3]应用于连续带电体研究了带 电细圆环与无限大导体平面的作用力和电势，及带电线状体与导体平面和导体球的作用力和电势等电磁 学问题。 本文利用电磁场理论中的镜像法[3]， 运用电场的叠加原理和 Mathematica 数学软件[6] [7] [8] [9]， 计算均匀带电细圆环作用下接地无限大导体平面上的感应负电荷在导体平面上的分布，并绘出了导体平 面上感应负电荷的电荷面密度所随角度和距离变化的图像。在静电平衡时，当确知导体平面上任一点的 电荷的分布规律，其电场强度由 E = 荷面密度分布。
为了直观形象反映导体平面上的感应负电荷面密度 σ 的分布规律， 图 1(b)~(d)给出了在带电细圆环作 用下，接地无限大导体平面处于静电平衡时其表面现上产生的感应负电荷面密度 σ 随极角、距离变化而
DOI: 10.12677/app.2018.85030 242 应用物理
廖其力 等
变化的分布图像， 图中带电细圆环半径取值 R = 0.05 m 。 图 1(b)中的 6 条图线是带电细圆环的环心到导体 平面的不同距离，且在导体平面处于静电平衡时，其表面上的感应电荷面密度 σ 分布随极角 θ 变化而变 化的图像，在第一象限内从右到左的这 6 条图线分别对应于细圆环的圆心到导体平面的距离 d = 0.02 m、 0.03 m、0.04 m、0.06 m、0.08 m、0.15 m；图 1(c)中电荷面密度 σ 在不同极角时随距离变化而变化的图 像，图中这 4 条图线在第二象限内自上而下分别对应于极角 θ = π 3, π 4, π 6, 0 ；图 1(d)中电荷面密度 σ 随距离 d 和极角 θ 变化而变化的 3D 图。上述图像表明，在极角 θ 一定时，随着距离 d 的增大，导体平 面上的感应电荷面密度 σ 先增大后减小且趋于零；当距离 d 小于 d0 时，(其中 d0 由(4)式求导求出极值点， 该 d0 与圆环半径和极角有关)，其磁感应电荷面度 σ 随着距离 d 的增大先增大后减小，当距离 d 大于 d0 时，磁感应电荷面密度 σ 随着距离 d 的增大而减小。由 E = σ ε 0 就可知道这些图线也反映了导体平面上 任一点电场强度的大小。