大学物理作业.ppt

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1、5-9 若电荷均匀地分布在长为L 的细棒上,求证:,(1)在棒的延长线上,且离棒中心为r处的电场强度为:,(2)在棒的垂直平分上,且离棒中心为r处的电场强度为:,证明:,(1)考虑棒的延长线上距棒中心为r的P点;,取坐标如右图所示;,在棒上x处取线元dx,,线元dx的带电量dq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。,即,,的大小dE为:,的方向为:,沿x轴正向;,应用电场强度的叠加原理,,得到总场强的大小E为:,即,,总场强的方向为:,沿x轴正向。,dq在P点的场强,的大小dE为:,(2)考虑棒的垂直平分线上距棒中心为r的B点;,在棒上x处取线元dx,线元

2、dx的带,电量dq为:,取坐标如右图所示;,该dq在B点产生的场强,的大小,dE为:,即,,的方向:,如右图所示;,将,分解为:,注意到:,所以,即,,积分得:,所以,B点的电场强度为:,当L时,注意到:,结果与无限长带电直线周围的电场强度分布相同;,这说明,只满足,,带电长直细棒就可看作为无,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,求球心处电场强度的大小。,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,解,积分得球心的电场强度为,或,yz和zx平面,立方体的一个顶点为坐标原点。现将立方体置于电,场强度为,的非均匀电场中,求立方

3、体各表,面的电场强度通量。,解:,对立方体的各个顶点标上符号,,如右图所示,,(1)对于ABOC平面,x=0,=恒矢量,所以,,(2)对于DFGH平面,x=a,=恒矢量,所以,,5-15 如图所示,边长为a 的立方体,其表面分别平行于xy、,(3)对于BGHO平面,,所以,,(4)对于AFDC平面(类似于BGHO平面),,所以,,(5)对于ABGF平面,,所以,,(6)对于CDHO平面(类似于ABGF平面),,所以,,因此,整个立方体表面的电场强度通量为:,5-17 设半径为R的球体内,其电荷为对称分布,电荷体密度,为,解:,k为一常数;试用高斯定理求电场强度,与r的函数关系。(你能用电场叠加

4、原理,求解这个问题吗?),电场分布也是球对称的,同心球面,由于电荷分布具有球对称性,所以,上各点电场强度的大小为常量;以同心球面为高斯面,则有:,当0rR 时,高斯面所包围的电荷电量q为:,应用高斯定理,得:,故:,或,,(0rR),当 r R 时,高斯面所包围的电荷电量q为:,应用高斯定理,得:,故:,或,,(r R),5-20 一个内外半径分别为R1和R2的均匀带电球壳,总电荷为,Q1,球壳外同心罩一个半径为R3的均匀带电球面,球面电荷为Q2,,求电场分布。电场强度是否为离球心距离的连续函数?试分析。,解:,如右图所示,,球壳和球面将空间分为四个部分;,(1)求球壳内部空间的场强E1,由于

5、电荷分布具有球对称性,,所以电场的分布也具有球对称性;,在球壳内部空间作一半径为r 的球面为,高斯面S1,如右图所示;则S1面上各点,所以,,高斯面S1内的电荷q为:,所以,由高斯定理得到球壳内部空间,的电场强度E1为:,(2)求球壳内空间的场强E2,在球壳内空间作一半径为r的球面为高,斯面S2,如右图所示;,类似(1)的分析,得到:,高斯面S2内的电荷q为:,由高斯定理,得到场强E2为:,(3)求球壳与球面间空间的场强E3,在球壳与球面间作一半径为r的球面为高,斯面S3,如右图所示;,类似(1)的分析,得到:,高斯面S3内的电荷q为:,由高斯定理,得到场强E3为:,(4)求球面外空间的场强E

6、4,在球壳与球面间作一半径为r的球面为高斯面S4,如上图所示;,类似(1)的分析,得到:,高斯面S4内的电荷q为:,由高斯定理,得到场强E4为:,电场强度分布为:,电场强度的方向均沿矢径方向。,各区域的电场强度分布如右图所示。,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=R3 的带电球面两侧,电场强,度的跃变量E为:,这一跃变是将带电球面的厚度抽象为零的结果,且具有普遍,性。实际的带电球面都是有一定厚度的球壳,球壳内外的电场强,度也是连续变化的,如本题中带电球壳内外的电场E2,如果球壳,的厚度变小,E2的变化就变陡,最后当厚度趋向于零时,E2的变,化就变成为跃变。

7、,场强度:(1)r R2,解:,由于电荷分布在无限长的同轴圆柱面上,电,场强度也一定呈对称性分布,沿矢径方向。,(1)求 r R1 的电场强度;,在圆柱面R1内作半径为r、高为h的高,斯面,如右图所示,只有侧面有电通量,,所以,,这个高斯面内的电荷q为:,q=0,应用高斯定理,得:,,即:,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R1和R2(R1R2),单位长度上的电荷为;求离轴线为r处的电,(2)求R1 r R2 的电场强度,作半径为r(R1 r R2)、高为h的高斯面,,如右图所示,只有侧面有电通量,,所以,,这个高斯面内的电荷q为:,应用高斯定理,得:,所以,,(R

8、1 r R2),作半径为r(r R2)、高为h的高斯,面,如右图所示,只有侧面有电通量,,所以,,这个高斯面内的电荷q为:,应用高斯定理,得:,所以,,(3)求r R2的电场强度,在带电面附近,电场强度大小不连续,,有一定的跃变;,与题8-20分析讨论的结果一致。,(r R2),5-23 已知均匀带电直线附近的电场强度近似为,解:,(1)求在r=r1和r=r2 两点间的电势差;,其中为电荷线密度。,(2)在点电荷的电场中,我们曾取r处间的电势为零,求均匀,带电直线附近的电势能否这样取?试说明。,(1)由于电场力作功与路径无关,所以取径向为积分路径,,则得:,(2)不能。,因为r 处的电势与直线

9、上的电势相等。,和Q2;求(1)各区域的电势分布,并画出分布曲线;(2)两球,面上的电势差为多少?,解:,(1)由高斯定理可求得电场分布为:,由电势公式,,取积分路径沿矢径方向,就可,求得各区域的电势分布;,5-27 两个同心球面的半径分别为R1和R2,各自带有电荷Q1,当0rR1 时,有:,同理,当 R1 rR2 时,有:,同理,当r R2 时,有:,(2)两个球面间的电势差,5-28 一半径为R的无限长带电细棒,其内部的电荷均匀分布,,电荷体密度为。现取棒表面为零电势,求空间电势分布并画出,电势分布曲线。,解:,由于无限长带电细棒电荷是轴对称分布的,,所以其电场强度和电势的分布也呈轴对称。

10、,如图,作半径为r、高为h 的同轴圆柱面为,高斯面则有:,应用高斯定理,得:,即,,(0 r R),当 0 r R 时,高斯面内所包围的电荷电,量q为:,应用高斯定理,得:,即,,(r R),当 r R 时,高斯面内所包围的电荷电量q为:,取棒表面为零电势时,空间的电势分布有,当 0 r R 时,,当 r R 时,,电势分布曲线如图所示。,(1)在圆盘上取半径为r、宽为dr的,529 一圆盘半径 R=3.010-2m。圆盘均匀带电,电荷面,密度=2.010-5Cm-2。(1)求轴线上的电势分布;(2)根据,电场强度与电势梯度的关系求电场分布;(3)计算离盘心30.0cm,处的电势和电场强度。,解:,带电圆环,其带电为:,在轴线上的电势为:,积分,得:,(2)应用电势与电场强度的关系,(3)代入已知数据得:,得到轴线上x处的电场强度为:,

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