大学物理课后答案9-10.doc 38页

'物理学教程（二）下册答案9—13马文蔚第九章　静　电　场9－1　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(　　)题9-1图分析与解　“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).9－2　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).9－3　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).*9－4　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题9-4图分析与解　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).9－5　精密实验表明，电子与质子电量差值的最大范围不会超过±10－21e，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2×10－21e，中子电量为10－21e，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. 9－6　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10－20m)，中子内的两个下夸克之间相距2.60×10－15m.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er方向相同表明它们之间为斥力.9－7　点电荷如图分布，试求P点的电场强度.分析依照电场叠加原理，P点的电场强度等于各点电荷单独存在时在P点激发电场强度的矢量和.由于电荷量为q的一对点电荷在P点激发的电场强度大小相等、方向相反而相互抵消，P点的电场强度就等于电荷量为2.0q的点电荷在该点单独激发的场强度.解根据上述分析题9-7图9－8　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. 题9-8图分析　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dx，其电荷为dq＝Qdx/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sinα＝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r2/L2＜＜1，带电长直细棒可视为无限长带电直线.9－9　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.题9-9图分析　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9－3节的例2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9－10　水分子H2O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r0.试计算在分子的对称轴线上，距分子较远处的电场强度. 题9-10图分析　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＞＞r0，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＞＞r0，因此，式中，将上式化简并略去微小量后，得 9－11　两条无限长平行直导线相距为r0，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.题9-11图分析　(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＝qE，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.9－12　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. 题9-12图分析　方法1：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.因而方法2：由电场强度通量的定义，对半球面S求积分，即解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dS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9－13　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).由高斯定理地球表面电荷面密度单位面积额外电子数9－14　设在半径为R的球体内电荷均匀分布，电荷体密度为,求带电球内外的电场强度分布.分析电荷均匀分布在球体内呈球对称，带电球激发的电场也呈球对称性.根据静电场是有源场，电场强度应该沿径向球对称分布.因此可以利用高斯定理求得均匀带电球内外的电场分布.以带电球的球心为中心作同心球面为高斯面，依照高斯定理有上式中是高斯面内的电荷量，分别求出处于带电球内外的高斯面内的电荷量，即可求得带电球内外的电场强度分布.解依照上述分析，由高斯定理可得时，假设球体带正电荷，电场强度方向沿径向朝外.考虑到电场强度的方向，带电球体内的电场强度为时，考虑到电场强度沿径向朝外，带电球体外的电场强度为9－15　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(R2＞R1)，单位长度上的电荷为λ.求离轴线为r处的电场强度：(1)r＜R1，(2)R1＜r＜R2，(3)r＞R2. 题9-15图分析　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＜R1，　　R1＜r＜R2，r＞R2，在带电面附近，电场强度大小不连续，如图（b）所示，电场强度有一跃变9－16　如图所示，有三个点电荷Q1、Q2、Q3沿一条直线等间距分布且Q1＝Q3＝Q.已知其中任一点电荷所受合力均为零，求在固定Q1、Q3的情况下，将Q2从点O移到无穷远处外力所作的功.题9-16图 分析　由库仑力的定义，根据Q1、Q3所受合力为零可求得Q2.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Q1、Q3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V0是Q1、Q3在点O产生的电势(取无穷远处为零电势).解1　由题意Q1所受的合力为零解得由点电荷电场的叠加，Q1、Q3激发的电场在y轴上任意一点的电场强度为将Q2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Q1、Q3在点O的电势将Q2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.9－17　已知均匀带电长直线附近的电场强度近似为其中为电荷线密度.(1)求在r＝r1和r＝r2两点间的电势差；(2)在点电荷的电场中， 我们曾取r→∞处的电势为零，求均匀带电长直线附近的电势时，能否这样取？试说明.解　(1)由于电场力作功与路径无关，若沿径向积分，则有(2)不能.严格地讲，电场强度只适用于无限长的均匀带电直线，而此时电荷分布在无限空间，r→∞处的电势应与直线上的电势相等.9－18　一个球形雨滴半径为0.40mm，带有电量1.6pC，它表面的电势有多大？两个这样的雨滴相遇后合并为一个较大的雨滴，这个雨滴表面的电势又是多大？分析　取无穷远处为零电势参考点，半径为R带电量为q的带电球形雨滴表面电势为当两个球形雨滴合并为一个较大雨滴后，半径增大为，代入上式后可以求出两雨滴相遇合并后，雨滴表面的电势.解　根据已知条件球形雨滴半径R1＝0.40mm，带有电量q1＝1.6pC，可以求得带电球形雨滴表面电势当两个球形雨滴合并为一个较大雨滴后，雨滴半径，带有电量q2＝2q1，雨滴表面电势9－19　电荷面密度分别为＋σ和－σ的两块“无限大”均匀带电的平行平板，如图(a)放置，取坐标原点为零电势点，求空间各点的电势分布并画出电势随位置坐标x变化的关系曲线.题9-19图分析　由于“无限大”均匀带电的平行平板电荷分布在“无限”空间，不能采用点电荷电势叠加的方法求电势分布：应该首先由“无限大”均匀带电平板的电场强度叠加求电场强度的分布，然后依照电势的定义式求电势分布. 解　由“无限大”均匀带电平板的电场强度，叠加求得电场强度的分布，电势等于移动单位正电荷到零电势点电场力所作的功电势变化曲线如图(b)所示.9－20　两个同心球面的半径分别为R1和R2，各自带有电荷Q1和Q2.求：(1)各区域电势分布，并画出分布曲线；(2)两球面间的电势差为多少？题9-20图分析　通常可采用两种方法.方法(1)由于电荷均匀分布在球面上，电场分布也具有球对称性，因此，可根据电势与电场强度的积分关系求电势.取同心球面为高斯面，借助高斯定理可求得各区域的电场强度分布，再由可求得电势分布.(2)利用电势叠加原理求电势.一个均匀带电的球面，在球面外产生的电势为在球面内电场强度为零，电势处处相等，等于球面的电势 其中R是球面的半径.根据上述分析，利用电势叠加原理，将两个球面在各区域产生的电势叠加，可求得电势的分布.解1　(1)由高斯定理可求得电场分布由电势可求得各区域的电势分布.当r≤R1时，有当R1≤r≤R2时，有当r≥R2时，有(2)两个球面间的电势差解2　(1)由各球面电势的叠加计算电势分布.若该点位于两个球面内，即r≤R1，则若该点位于两个球面之间，即R1≤r≤R2，则 若该点位于两个球面之外，即r≥R2，则(2)两个球面间的电势差9－21　一半径为R的无限长带电细棒，其内部的电荷均匀分布，电荷的体密度为ρ.现取棒表面为零电势，求空间电势分布并画出分布曲线.题9-21图分析　无限长均匀带电细棒电荷分布呈轴对称，其电场和电势的分布也呈轴对称.选取同轴柱面为高斯面，利用高斯定理可求得电场分布E(r)，再根据电势差的定义并取棒表面为零电势(Vb＝0)，即可得空间任意点a的电势.解　取高度为l、半径为r且与带电棒同轴的圆柱面为高斯面，由高斯定理当r≤R时得当r≥R时得取棒表面为零电势，空间电势的分布有 当r≤R时当r≥R时如图所示是电势V随空间位置r的分布曲线.9－22　一圆盘半径R＝3.00×10－2m.圆盘均匀带电，电荷面密度σ＝2.00×10－5C·m－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.题9-22图分析　将圆盘分割为一组不同半径的同心带电细圆环，利用带电细环轴线上一点的电势公式，将不同半径的带电圆环在轴线上一点的电势积分相加，即可求得带电圆盘在轴线上的电势分布，再根据电场强度与电势之间的微分关系式可求得电场强度的分布.解　(1)如图所示，圆盘上半径为r的带电细圆环在轴线上任一点P激发的电势由电势叠加，轴线上任一点P的电势的(1)　　(2)轴线上任一点的电场强度为(2)电场强度方向沿x轴方向.(3)将场点至盘心的距离x＝30.0cm分别代入式(1)和式(2)，得 当x＞＞R时，圆盘也可以视为点电荷，其电荷为.依照点电荷电场中电势和电场强度的计算公式，有由此可见，当x＞＞R时，可以忽略圆盘的几何形状，而将带电的圆盘当作点电荷来处理.在本题中作这样的近似处理，E和V的误差分别不超过0.3％和0.8％，这已足以满足一般的测量精度.9－23　两个很长的共轴圆柱面(R1＝3.0×10－2m，R2＝0.10m)，带有等量异号的电荷，两者的电势差为450Ｖ.求：(1)圆柱面单位长度上带有多少电荷？(2)r＝0.05m处的电场强度.解　(1)由习题9－15的结果，可得两圆柱面之间的电场强度为根据电势差的定义有解得(2)解得两圆柱面之间r＝0.05m处的电场强度9－24　轻原子核(如氢及其同位素氘、氚的原子核)结合成为较重原子核的过程，叫做核聚变.在此过程中可以释放出巨大的能量.例如四个氢原子核(质子)结合成一个氦原子核(α粒子)时，可释放出25.9MeV的能量.即这类聚变反应提供了太阳发光、发热的能源.如果我们能在地球上实现核聚变，就能获得丰富廉价的能源.但是要实现核聚变难度相当大，只有在极高的温度下，使原子热运动的速度非常大，才能使原子核相碰而结合，故核聚变反应又称作热核反应.试估算：(1)一个质子()以多大的动能(以电子伏特表示)运动，才能从很远处到达与另一个质子相接触的距离？(2)平均热运动动能达到此值时，温度有多高？(质子的半径约为1.0×10－15m)分析　作为估算，可以将质子上的电荷分布看作球对称分布，因此质子周围的电势分布为 将质子作为经典粒子处理，当另一质子从无穷远处以动能Ek飞向该质子时，势能增加，动能减少，如能克服库仑斥力而使两质子相碰，则质子的初始动能假设该氢原子核的初始动能就是氢分子热运动的平均动能，根据分子动理论知：由上述分析可估算出质子的动能和此时氢气的温度.解　(1)两个质子相接触时势能最大，根据能量守恒由可估算出质子初始速率该速度已达到光速的4％.(2)依照上述假设，质子的初始动能等于氢分子的平均动能得实际上在这么高的温度下，中性原子已被离解为电子和正离子，称作等离子态，高温的等离子体不能用常规的容器来约束，只能采用磁场来约束(托卡马克装置)9－25　在一次典型的闪电中，两个放电点间的电势差约为109Ｖ，被迁移的电荷约为30C.(1)如果释放出来的能量都用来使0℃的冰融化成0℃的水，则可溶解多少冰？(冰的融化热L＝3.34×105J·kg)(2)假设每一个家庭一年消耗的能量为3000kW·h，则可为多少个家庭提供一年的能量消耗？解　(1)若闪电中释放出来的全部能量为冰所吸收，故可融化冰的质量即可融化约90吨冰.(2)一个家庭一年消耗的能量为 一次闪电在极短的时间内释放出来的能量约可维持3个家庭一年消耗的电能.9－26　已知水分子的电偶极矩p=6.17×10－30C·m.这个水分子在电场强度E＝1.0×105V·m-1的电场中所受力矩的最大值是多少?分析与解在均匀外电场中，电偶极子所受的力矩为当电偶极子与外电场正交时，电偶极子所受的力矩取最大值.因而有9-27电子束焊接机中的电子枪如图所示，K为阴极，A为阳极，阴极发射的电子在阴极和阳极电场加速下聚集成一细束，以极高的速率穿过阳极上的小孔，射到被焊接的金属上使两块金属熔化在一起.已知，并设电子从阴极发射时的初速度为零，求：（1）电子到达被焊接金属时具有的动能；（2）电子射到金属上时的速度.分析电子被阴极和阳极间的电场加速获得动能，获得的动能等于电子在电场中减少的势能.由电子动能与速率的关系可以求得电子射到金属上时的速度.解（1）依照上述分析，电子到达被焊接金属时具有的动能(2)由于电子运动的动能远小于电子静止的能量，可以将电子当做经典粒子处理.电子射到金属上时的速度题9-27图第十章　静电场中的导体与电介质10－1　将一个带正电的带电体A从远处移到一个不带电的导体B附近，则导体B的电势将（　　）（A）升高　　（B）降低　（C）不会发生变化　　（D）无法确定分析与解　不带电的导体B相对无穷远处为零电势.由于带正电的带电体A 移到不带电的导体B附近时，在导体B的近端感应负电荷；在远端感应正电荷，不带电导体的电势将高于无穷远处，因而正确答案为（A）.10－2　将一带负电的物体M靠近一不带电的导体N，在N的左端感应出正电荷，右端感应出负电荷.若将导体N的左端接地（如图所示），则（　　）（A）N上的负电荷入地　　　　（B）N上的正电荷入地（C）N上的所有电荷入地（D）N上所有的感应电荷入地题10-2图分析与解　导体N接地表明导体N为零电势，即与无穷远处等电势，这与导体N在哪一端接地无关.因而正确答案为（A）.10－3　如图所示将一个电量为q的点电荷放在一个半径为R的不带电的导体球附近，点电荷距导体球球心为d，参见附图.设无穷远处为零电势，则在导体球球心O点有（　　）（A）（B）（C）（D）题10-3图分析与解　达到静电平衡时导体内处处各点电场强度为零.点电荷q在导体球表面感应等量异号的感应电荷±q′，导体球表面的感应电荷±q′在球心O点激发的电势为零，O点的电势等于点电荷q在该处激发的电势.因而正确答案为（A）.10－4　根据电介质中的高斯定理，在电介质中电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分等于这个曲面所包围自由电荷的代数和.下列推论正确的是()（A）若电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分等于零，曲面内一定没有自由电荷 （B）若电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分等于零，曲面内电荷的代数和一定等于零（C）若电位移矢量沿任意一个闭合曲面的积分不等于零，曲面内一定有极化电荷（D）介质中的高斯定律表明电位移矢量仅仅与自由电荷的分布有关（E）介质中的电位移矢量与自由电荷和极化电荷的分布有关分析与解　电位移矢量沿任意一个闭合曲面的通量积分等于零，表明曲面内自由电荷的代数和等于零；由于电介质会改变自由电荷的空间分布，介质中的电位移矢量与自由电荷与位移电荷的分布有关.因而正确答案为（E）.10－5　对于各向同性的均匀电介质，下列概念正确的是（　　）（A）电介质充满整个电场并且自由电荷的分布不发生变化时，电介质中的电场强度一定等于没有电介质时该点电场强度的1/εｒ倍（B）电介质中的电场强度一定等于没有介质时该点电场强度的1/εｒ倍（C）在电介质充满整个电场时，电介质中的电场强度一定等于没有电介质时该点电场强度的1/εｒ倍（D）电介质中的电场强度一定等于没有介质时该点电场强度的εｒ倍分析与解　电介质中的电场由自由电荷激发的电场与极化电荷激发的电场迭加而成，由于极化电荷可能会改变电场中导体表面自由电荷的分布，由电介质中的高斯定理，仅当电介质充满整个电场并且自由电荷的分布不发生变化时，在电介质中任意高斯面S有即E＝E０/εｒ，因而正确答案为（A）.10－6　不带电的导体球A含有两个球形空腔，两空腔中心分别有一点电荷qb、qc，导体球外距导体球较远的r处还有一个点电荷qd（如图所示）.试求点电荷qb、qc、qd各受多大的电场力.题10-6图分析与解　根据导体静电平衡时电荷分布的规律，空腔内点电荷的电场线终止于空腔内表面感应电荷；导体球A外表面的感应电荷近似均匀分布，因而近似可看作均匀带电球对点电荷 qd的作用力.点电荷qd与导体球A外表面感应电荷在球形空腔内激发的电场为零，点电荷qb、qc处于球形空腔的中心，空腔内表面感应电荷均匀分布，点电荷qb、qc受到的作用力为零.10－7　一真空二极管，其主要构件是一个半径R１＝5.0×10－4m的圆柱形阴极和一个套在阴极外、半径R２＝4.5×10－3m的同轴圆筒形阳极．阳极电势比阴极电势高300V，阴极与阳极的长度均为L＝2.5×10－２m．假设电子从阴极射出时的速度为零．求：（１）该电子到达阳极时所具有的动能和速率；（２）电子刚从阳极射出时所受的力．题10-7图分析　（1）由于半径R１＜＜L，因此可将电极视作无限长圆柱面，阴极和阳极之间的电场具有轴对称性．从阴极射出的电子在电场力作用下从静止开始加速，电子所获得的动能等于电场力所作的功，也即等于电子势能的减少．由此，可求得电子到达阳极时的动能和速率．（2）计算阳极表面附近的电场强度，由F＝qE求出电子在阴极表面所受的电场力．解　（1）电子到达阳极时，势能的减少量为由于电子的初始速度为零，故因此电子到达阳极的速率为（2）两极间的电场强度为 两极间的电势差负号表示阳极电势高于阴极电势．阴极表面电场强度电子在阴极表面受力这个力尽管很小，但作用在质量为９.1１×10－3１kg的电子上，电子获得的加速度可达重力加速度的5×10１5倍．10－8　一导体球半径为R１，外罩一半径为R2的同心薄导体球壳，外球壳所带总电荷为Q，而内球的电势为V０．求此系统的电势和电场的分布．分析　若，内球电势等于外球壳的电势，则外球壳内必定为等势体，电场强度处处为零，内球不带电．若，内球电势不等于外球壳电势，则外球壳内电场强度不为零，内球带电．一般情况下，假设内导体球带电q，导体达到静电平衡时电荷的分布如图所示．依照电荷的这一分布，利用高斯定理可求得电场分布．并由或电势叠加求出电势的分布．最后将电场强度和电势用已知量V0、Q、R１、R2表示．题10-8图 解　根据静电平衡时电荷的分布，可知电场分布呈球对称．取同心球面为高斯面，由高斯定理，根据不同半径的高斯面内的电荷分布，解得各区域内的电场分布为r＜R１时，　R１＜r＜R2时，r＞R2时，由电场强度与电势的积分关系，可得各相应区域内的电势分布．r＜R１时，R１＜r＜R2时，　r＞R2时，　也可以从球面电势的叠加求电势的分布：在导体球内（r＜R１）在导体球和球壳之间（R１＜r＜R2）在球壳外（r＞R2）为 由题意　得于是可求得各处的电场强度和电势的分布：r＜R１时，；R１＜r＜R2时，　；r＞R2时，；10－9　地球和电离层可当作球形电容器，它们之间相距约为100km，试估算地球－电离层系统的电容．设地球与电离层之间为真空．解　由于地球半径R1＝6.37×106m；电离层半径R2＝1.00×105m＋R1＝6.47×106m，根据球形电容器的电容公式，可得10－10　两线输电线，其导线半径为3.26mm，两线中心相距0.50m，导线位于地面上空很高处，因而大地影响可以忽略．求输电线单位长度的电容．分析假设两根导线带等量异号电荷，电荷在导线上均匀分布，则由长直带电线的电场叠加，可以求出两根带电导线间的电场分布, 再由电势差的定义求出两根导线之间的电势差，就可根据电容器电容的定义，求出两线输电线单位长度的电容解建立如图坐标，带等量异号电荷的两根导线在P点激发的电场强度方向如图，由上述分析可得P点电场强度的大小为电场强度的方向沿x轴，电线自身为等势体，依照定义两导线之间的电势差为上式积分得因此，输电线单位长度的电容代入数据题10-10图10－11　电容式计算机键盘的每一个键下面连接一小块金属片，金属片与底板上的另一块金属片间保持一定空气间隙，构成一小电容器（如图）.当按下按键时电容发生变化，通过与之相连的电子线路向计算机发出该键相应的代码信号.假设金属片面积为50.0mm2，两金属片之间的距离是0.600mm.如果电路能检测出的电容变化量是0.250pF，试问按键需要按下多大的距离才能给出必要的信号？ 题10-11图分析　按下按键时两金属片之间的距离变小，电容增大，由电容的变化量可以求得按键按下的最小距离：解　按下按键时电容的变化量为按键按下的最小距离为10－12　一片二氧化钛晶片，其面积为1.0cm2，厚度为0.10mm．把平行平板电容器的两极板紧贴在晶片两侧.（1）求电容器的电容；（2）当在电容器的两极间加上12V电压时，极板上的电荷为多少？此时自由电荷和极化电荷的面密度各为多少？（3）求电容器内的电场强度．解　（1）查表可知二氧化钛的相对电容率εr＝173，故充满此介质的平板电容器的电容（2）电容器加上U＝12V的电压时，极板上的电荷极板上自由电荷面密度为晶片表面极化电荷密度（3）晶片内的电场强度为 10－13　如图所示，半径R＝0.10m的导体球带有电荷Q＝1.0×10－８C，导体外有两层均匀介质，一层介质的εr＝5.0，厚度d＝0.10m，另一层介质为空气，充满其余空间．求：（1）离球心为r＝5cm、15cm、25cm处的D和E；（2）离球心为r＝5cm、15cm、25cm处的V；（3）极化电荷面密度σ′．题10-13图分析　带电球上的自由电荷均匀分布在导体球表面，电介质的极化电荷也均匀分布在介质的球形界面上，因而介质中的电场是球对称分布的．任取同心球面为高斯面，电位移矢量D的通量与自由电荷分布有关，因此，在高斯面上D呈均匀对称分布，由高斯定理可得D（r）．再由可得E（r）．介质内电势的分布，可由电势和电场强度的积分关系求得，或者由电势叠加原理求得．极化电荷分布在均匀介质的表面，其极化电荷面密度．解　（1）取半径为r的同心球面为高斯面，由高斯定理得r＜R　　　　　　；R＜r＜R＋d ；r＞R＋d；将不同的r值代入上述关系式，可得r＝5cm、15cm和25cm时的电位移和电场强度的大小，其方向均沿径向朝外．r1＝5cm，该点在导体球内，则；r2＝15cm，该点在介质层内，εｒ＝5.0，则r3＝25cm，该点在空气层内，空气中ε≈ε0，则；（2）取无穷远处电势为零，由电势与电场强度的积分关系得r3＝25cm，　r2＝15cm，　r1＝5cm，　 （3）均匀介质的极化电荷分布在介质界面上，因空气的电容率ε＝ε0，极化电荷可忽略．故在介质外表面；在介质内表面：介质球壳内、外表面的极化电荷面密度虽然不同，但是两表面极化电荷的总量还是等量异号．10－14　人体的某些细胞壁两侧带有等量的异号电荷.设某细胞壁厚为5.2×10－9m，两表面所带面电荷密度为±5.2×10－3C／m2，内表面为正电荷．如果细胞壁物质的相对电容率为6.0，求（1）细胞壁内的电场强度；（2）细胞壁两表面间的电势差．解　（1）细胞壁内的电场强度；方向指向细胞外．（2）细胞壁两表面间的电势差．10－15　如图（a）所示，有两块相距为0.50的薄金属板A、B构成的空气平板电容器被屏蔽在一金属盒Ｋ内，金属盒上、下两壁与A、B分别相距0.25mm，金属板面积为30mm×40mm.求（1）被屏蔽后电容器的电容变为原来的几倍；（2）若电容器的一个引脚不慎与金属屏蔽盒相碰，问此时的电容又为原来的几倍？ 题10-15图分析　薄金属板A、B与金属盒一起构成三个电容器，其等效电路图如图（ｂ）所示，由于两导体间距离较小，电容器可视为平板电容器，通过分析等效电路图可以求得A、B间的电容.解　（1）由等效电路图可知由于电容器可以视作平板电容器，且，故，因此A、B间的总电容（2）若电容器的一个引脚不慎与金属屏蔽盒相碰，相当于（或者）极板短接，其电容为零，则总电容10－16　在A点和B点之间有5个电容器，其连接如图所示．（1）求A、B两点之间的等效电容；（2）若A、B之间的电势差为12V，求UAC、UCD和UDB．题10-16图解　（1）由电容器的串、并联，有 求得等效电容CAB＝4μF．（2）由于，得10－17　如图，有一个空气平板电容器，极板面积为S，间距为d．现将该电容器接在端电压为U的电源上充电，当（1）充足电后；（2）然后平行插入一块面积相同、厚度为δ（δ＜d）、相对电容率为εｒ的电介质板；（3）将上述电介质换为同样大小的导体板．分别求电容器的电容C，极板上的电荷Q和极板间的电场强度E．题10-17图分析　电源对电容器充电，电容器极板间的电势差等于电源端电压U．插入电介质后，由于介质界面出现极化电荷，极化电荷在介质中激发的电场与原电容器极板上自由电荷激发的电场方向相反，介质内的电场减弱．由于极板间的距离d不变，因而与电源相接的导体极板将会从电源获得电荷，以维持电势差不变，并有相类似的原因，在平板电容器极板之间，若平行地插入一块导体板，由于极板上的自由电荷和插入导体板上的感应电荷在导体板内激发的电场相互抵消，与电源相接的导体极板将会从电源获得电荷，使间隙中的电场E增强，以维持两极板间的电势差不变，并有 综上所述，接上电源的平板电容器，插入介质或导体后，极板上的自由电荷均会增加，而电势差保持不变．解　（1）空气平板电容器的电容充电后，极板上的电荷和极板间的电场强度为（2）插入电介质后，电容器的电容C1为故有介质内电场强度　　空气中电场强度　　　（3）插入导体达到静电平衡后，导体为等势体，其电容和极板上的电荷分别为导体中电场强度空气中电场强度 无论是插入介质还是插入导体，由于电容器的导体极板与电源相连，在维持电势差不变的同时都从电源获得了电荷，自由电荷分布的变化同样使得介质内的电场强度不再等于E0/εｒ．10－18　为了实时检测纺织品、纸张等材料的厚度（待测材料可视作相对电容率为εｒ的电介质），通常在生产流水线上设置如图所示的传感装置，其中A，B为平板电容器的导体极板，d0为两极板间的距离．试说明检测原理，并推出直接测量量电容C与间接测量量厚度d之间的函数关系．如果要检测钢板等金属材料的厚度，结果又将如何？题10-18图分析　导体极板A、B和待测物体构成一有介质的平板电容器，关于电容C与材料的厚度的关系，可参见题10－17的分析．解　由分析可知，该装置的电容为则介质的厚度为如果待测材料是金属导体，其等效电容为导体材料的厚度实时地测量A、B间的电容量C，根据上述关系式就可以间接地测出材料的厚度．通常智能化的仪表可以实时地显示出待测材料的厚度．10－19　有一电容为0.50μF的平行平板电容器，两极板间被厚度为0.01mm的聚四氟乙烯薄膜所隔开，（1）求该电容器的额定电压；（2）求电容器存贮的最大能量．分析　通过查表可知聚四氟乙烯的击穿电场强度Eb＝1.9×107V／m， 电容器中的电场强度E≤Eb，由此可以求得电容器的最大电势差和电容器存贮的最大能量．解　（1）电容器两极板间的电势差（2）电容器存贮的最大能量10－20　半径为0.10cm的长直导线，外面套有内半径为1.0cm的共轴导体圆筒，导线与圆筒间为空气．略去边缘效应，求：（1）导线表面最大电荷面密度；（2）沿轴线单位长度的最大电场能量．分析　如果设长直导线上单位长度所带电荷为λ，导线表面附近的电场强度查表可以得知空气的击穿电场强度Eb＝3.0×106（V／m），只有当空气中的电场强度E≤Eb空气才不会被击穿，由于在导线表面附近电场强度最大，因而可以求出σ的极限值．再求得电场能量密度，并通过同轴圆柱形体元内电场能量的积分求得单位长度的最大电场强度．解　（1）导线表面最大电荷面密度显然导线表面最大电荷面密度与导线半径无关．（2）由上述分析得，此时导线与圆筒之间各点的电场强度为(其他)沿轴线单位长度的最大电场能量 10－21　一空气平板电容器，空气层厚1.5cm，两极间电压为40kV，该电容器会被击穿吗？现将一厚度为0.30cm的玻璃板插入此电容器，并与两极平行，若该玻璃的相对电容率为7.0，击穿电场强度为10ＭV·m－1．则此时电容器会被击穿吗？分析　在未插入玻璃板时，不难求出空气中的电场强度小于空气的击穿电场强度，电容器不会被击穿．插入玻璃后，由习题10－17可知，若电容器与电源相连，则极板间的电势差维持不变，电容器将会从电源获取电荷．此时空气间隙中的电场强度将会增大．若它大于空气的击穿电场强度，则电容器的空气层将首先被击穿．此时40kV电压全部加在玻璃板两侧，玻璃内的电场强度如也大于玻璃击穿电场强度的值，则玻璃也将被击穿．整个电容器被击穿．解　未插入玻璃时，电容器内的电场强度为因空气的击穿电场强度，，故电容器不会被击穿．插入玻璃后，由习题6－26可知，空气间隙中的电场强度此时，因，空气层被击穿，击穿后40kV电压全部加在玻璃板两侧，此时玻璃板内的电场强度由于玻璃的击穿电场强度，，故玻璃也将相继被击穿，电容器完全被击穿．10－22　某介质的相对电容率，击穿电场强度为，如果用它来作平板电容器的电介质，要制作电容为0.047μF，而耐压为4.0kV的电容器，它的极板面积至少要多大．解　介质内电场强度 电容耐压Um＝4.0kV，因而电容器极板间最小距离要制作电容为0.047μF的平板电容器，其极板面积显然，这么大的面积平铺开来所占据的空间太大了，通常将平板电容器卷叠成筒状后再封装．10－23　一平行板空气电容器，极板面积为S，极板间距为d，充电至带电Q后与电源断开，然后用外力缓缓地把两极板间距拉开到2d．求：（1）电容器能量的改变；（2）此过程中外力所作的功，并讨论此过程中的功能转换关系．分析　在将电容器两极板拉开的过程中，由于导体极板上的电荷保持不变，极板间的电场强度亦不变，但电场所占有的空间增大，系统总的电场能量增加了．根据功能原理，所增加的能量应该等于拉开过程中外力克服两极板间的静电引力所作的功．解　（1）极板间的电场为均匀场，且电场强度保持不变，因此，电场的能量密度为在外力作用下极板间距从d被拉开到2d，电场占有空间的体积，也由V增加到2V，此时电场能量增加（2）两导体极板带等量异号电荷，外力F将其缓缓拉开时，应有F＝－Fe，则外力所作的功为外力克服静电引力所作的功等于静电场能量的增加． '