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文檔簡介
1、普通物理A(2)練習冊 參考解答第12章 真空中的靜電場一、選擇題1(C),2(A),3(C),4(D),5(B),二、填空題(1). 0,l / (2e0) ; (2). 0 ; (3). 2103 V; (4). ; (5). 0,pE sina ; OBA三、計算題1. 將一“無限長”帶電細線彎成圖示形狀,設(shè)電荷均勻分布,電荷線密度為l,四分之一圓弧AB的半徑為R,試求圓心O點的場強 解:在O點建立坐標系如圖所示 半無限長直線A在O點產(chǎn)生的場強: 半無限長直線B在O點產(chǎn)生的場強: 四分之一圓弧段在O點產(chǎn)生的場強: 由場強疊加原理,O點合場強為: 2. 兩根相同的均勻帶電細棒,長為l,電荷
2、線密度為l,沿同一條直線放置兩細棒間最近距離也為l,如圖所示假設(shè)棒上的電荷是不能自由移動的,試求兩棒間的靜電相互作用力 解:選左棒的左端為坐標原點O,x軸沿棒方向向右,在左棒上x處取線元dx,其電荷為dqldx,它在右棒的處產(chǎn)生的場強為: 整個左棒在處產(chǎn)生的場強為: 右棒處的電荷元ld在電場中受力為: 整個右棒在電場中受力為: ,方向沿x軸正向 左棒受力 另解: 3. 一“無限長”圓柱面,其電荷面密度為: s = s0cos f ,式中f 為半徑R與x軸所夾的角,試求圓柱軸線上一點的場強 解:將柱面分成許多與軸線平行的細長條,每條可視為“無限長”均勻帶電直線,其電荷線密度為 l = s0cos
3、f Rdf,它在O點產(chǎn)生的場強為: 它沿x、y軸上的二個分量為: dEx=dEcosf = dEy=dEsinf = 積分: 4. 如圖所示,一厚為b的“無限大”帶電平板 , 其電荷體密度分布為rkx (0xb ),式中k為一正的常量求: (1) 平板外兩側(cè)任一點P1和P2處的電場強度大?。?(2) 平板內(nèi)任一點P處的電場強度; (3) 場強為零的點在何處? 解: (1) 由對稱分析知,平板外兩側(cè)場強大小處處相等、方向垂直于平面且背離平面設(shè)場強大小為E 作一柱形高斯面垂直于平面其底面大小為S,如圖所示 按高斯定理,即得到 E = kb2 / (4e0) (板外兩側(cè)) (2) 過P點垂直平板作一
4、柱形高斯面,底面為S設(shè)該處場強為,如圖所示按高斯定理有 得到 (0xb) (3) =0,必須是, 可得 5. 一“無限大”平面,中部有一半徑為R的圓孔,設(shè)平面上均勻帶電,電荷面密度為s如圖所示,試求通過小孔中心O并與平面垂直的直線上各點的場強和電勢(選O點的電勢為零) 解:將題中的電荷分布看作為面密度為s的大平面和面密度為s的圓盤疊加的結(jié)果選x軸垂直于平面,坐標原點在圓盤中心,大平面在x處產(chǎn)生的場強為 圓盤在該處的場強為 該點電勢為 6一真空二極管,其主要構(gòu)件是一個半徑R1510-4 m的圓柱形陰極A和一個套在陰極外的半徑R24.510-3 m的同軸圓筒形陽極B,如圖所示陽極電勢比陰極高300
5、 V,忽略邊緣效應(yīng). 求電子剛從陰極射出時所受的電場力(基本電荷e1.610-19 C) 解:與陰極同軸作半徑為r (R1rR2 )的單位長度的圓柱形高斯面,設(shè)陰極上電荷線密度為l按高斯定理有 2prE = l/ e0得到 E= l / (2pe0r) (R1rR2) 方向沿半徑指向軸線兩極之間電勢差 得到 , 所以 在陰極表面處電子受電場力的大小為 4.3710-14 N 方向沿半徑指向陽極 7. 如圖所示,半徑為R的均勻帶電球面,帶有電荷q沿某一半徑方向上有一均勻帶電細線,電荷線密度為l,長度為l,細線左端離球心距離為r0設(shè)球和線上的電荷分布不受相互作用影響,試求細線所受球面電荷的電場力和
6、細線在該電場中的電勢能(設(shè)無窮遠處的電勢為零)解:設(shè)x軸沿細線方向,原點在球心處,在x處取線元dx,其上電荷為,該線元在帶電球面的電場中所受電場力為: dF = qldx / (4pe0 x2) 整個細線所受電場力為: 方向沿x正方向 電荷元在球面電荷電場中具有電勢能: dW = (qldx) / (4pe0 x) 整個線電荷在電場中具有電勢能: 四 研討題1. 真空中點電荷q的靜電場場強大小為 式中r為場點離點電荷的距離當r0時,E,這一推論顯然是沒有物理意義的,應(yīng)如何解釋?參考解答:點電荷的場強公式僅適用于點電荷,當r0時,任何帶電體都不能視為點電荷,所以點電荷場強公式已不適用 若仍用此式
7、求場強E,其結(jié)論必然是錯誤的當r0時,需要具體考慮帶電體的大小和電荷分布,這樣求得的E就有確定值2. 用靜電場的環(huán)路定理證明電場線如圖分布的電場不可能是靜電場參考解答:證:在電場中作如圖所示的扇形環(huán)路abcda在ab和cd段場強方向與路徑方向垂直在bc和da段場強大小不相等(電力線疏密程度不同)而路徑相等因而 按靜電場環(huán)路定理應(yīng)有,此場不滿足靜電場環(huán)路定理,所以不可能是靜電場 3. 從工廠的煙囪中冒出的滾滾濃煙中含有大量顆粒狀粉塵,它們嚴重污染了環(huán)境,影響到作物的生長和人類的健康。靜電除塵是被人們公認的高效可靠的除塵技術(shù)。先在實驗室內(nèi)模擬一下管式靜電除塵器除塵的全過程,在模擬煙囪內(nèi),可以看到,
8、有煙塵從“煙囪”上飄出。加上電源,煙囪上面的煙塵不見了。如果撤去電源,煙塵又出現(xiàn)在我們眼前。請考慮如何計算出實驗室管式靜電除塵器的工作電壓,即當工作電壓達到什么數(shù)量級時,可以實現(xiàn)良好的靜電除塵效果。 參考解答:先來看看靜電除塵裝置的結(jié)構(gòu):在煙囪的軸線上,懸置了一根導(dǎo)線,稱之謂電暈線;在煙囪的四周設(shè)置了一個金屬線圈,我們稱它為集電極。直流高壓電源的正極接在線圈上,負極接在電暈線上,如右上圖所示。可以看出,接通電源以后,集電極與電暈線之間就建立了一個非均勻電場,電暈線周圍電場最大。 改變直流高壓電源的電壓值,就可以改變電暈線周圍的電場強度。當實際電場強度與空氣的擊穿電場相近時空氣發(fā)生電離,形成大量
9、的正離子和自由電子。 自由電子隨電場向正極飄移,在飄移的過程中和塵埃中的中性分子或顆粒發(fā)生碰撞,這些粉塵顆粒吸附電子以后就成了荷電粒子,這樣就使原來中性的塵埃帶上了負電。 在電場的作用下,這些帶負電的塵埃顆粒繼續(xù)向正極運動,并最后附著在集電極上。 (集電極可以是金屬線圈,也可以是金屬圓桶壁)當塵埃積聚到一定程度時,通過振動裝置,塵埃顆粒就落入灰斗中。 這種結(jié)構(gòu)也稱管式靜電除塵器。 如右中圖所示。對管式靜電除塵器中的電壓設(shè)置,我們可以等價于同軸電纜來計算。如右下圖所示,ra與rb分別表示電暈極與集電極的半徑,L及D分別表示圓筒高度及直徑。一般L為3-5m,D為200-300mm,故LD,此時電暈
10、線外的電場可以認為是無限長帶電圓柱面的電場。 設(shè)單位長度的圓柱面帶電荷為l。 用靜電場高斯定理求出距軸線任意距離r處點P的場強為: 式中為沿徑矢的單位矢量。內(nèi)外兩極間電壓U與電場強度E之關(guān)系為,將式(1)代入式(2),積分后得: , 故 .由于電暈線附近的電場強度最大,使它達到空氣電離的最大電場強度時,就可獲得高壓電源必須具備的電壓代入空氣的擊穿電場,并取一組實測參數(shù)如下:,計算結(jié)果.若施加電壓U低于臨界值,則沒有擊穿電流,實現(xiàn)不了除塵的目的。也就是說,在這樣尺寸的除塵器中,通常當電壓達到105V的數(shù)量級時,就可以實現(xiàn)良好的靜電除塵效果。靜電除塵器除了上述的管式結(jié)構(gòu)外還有其它的結(jié)構(gòu)形式,如板式
11、結(jié)構(gòu)等??梢詤㈤営嘘P(guān)資料,仿上計算,也可以自行獨立設(shè)計一種新型結(jié)構(gòu)的靜電除塵器。第13章 靜電場中的導(dǎo)體和電解質(zhì)一、選擇題1(D),2(A),3(C),4(B),5(C)二、填空題(1). s (x,y,z)/e 0,與導(dǎo)體表面垂直朝外(s 0) 或 與導(dǎo)體表面垂直朝里(s 0).(2). s ,s / ( e 0e r ); (3). ;(4). P ,P ,0; (5). er ,er三、計算題1.如圖所示,一內(nèi)半徑為a、外半徑為b的金屬球殼,帶有電荷Q,在球殼空腔內(nèi)距離球心r處有一點電荷q設(shè)無限遠處為電勢零點,試求: (1) 球殼內(nèi)外表面上的電荷 (2) 球心O點處,由球殼內(nèi)表面上電荷產(chǎn)
12、生的電勢 (3) 球心O點處的總電勢 解:(1) 由靜電感應(yīng),金屬球殼的內(nèi)表面上有感生電荷-q,外表面上帶電荷q+Q (2) 不論球殼內(nèi)表面上的感生電荷是如何分布的,因為任一電荷元離O點的距離都是a,所以由這些電荷在O點產(chǎn)生的電勢為 (3) 球心O點處的總電勢為分布在球殼內(nèi)外表面上的電荷和點電荷q在O點產(chǎn)生的電勢的代數(shù)和 2. 如圖所示,一球形電容器,內(nèi)球殼半徑為R1,外球殼半徑為R2 (R2R1),其間充有相對介電常數(shù)分別為er1和er2的兩層各向同性均勻電介質(zhì)(er2er1 / 2),其界面半徑為R若兩種電介質(zhì)的擊穿電場強度相同,問: (1) 當電壓升高時,哪層介質(zhì)先擊穿? (2) 該電容
13、器能承受多高的電壓? 解:(1) 設(shè)兩球殼上分別帶電荷Q和Q,則其間電位移的大小為 DQ / (4pr2) 兩層介質(zhì)中的場強大小分別為 E1 = Q / (4pe0 er1r2) E2 = Q / (4pe0 er2r2) 在兩層介質(zhì)中場強最大處在各自內(nèi)表面處,即 E1M = Q / (4pe0 er1), E2M = Q / (4pe0 er2R2)兩者比較可得 已知R2R1,可得E1ME2M,可見外層介質(zhì)先擊穿 (2) 當外層介質(zhì)中最大場強達擊穿電場強度EM時,球殼上有最大電荷 QM = 4pe0er2R2EM 此時,兩球殼間電壓(即最高電壓)為 3. 如圖所示,一圓柱形電容器,內(nèi)筒半徑為
14、R1,外筒半徑為R2 (R22 R1),其間充有相對介電常量分別為er1和er2er1 / 2的兩層各向同性均勻電介質(zhì),其界面半徑為R若兩種介質(zhì)的擊穿電場強度相同,問:(1) 當電壓升高時,哪層介質(zhì)先擊穿?(2) 該電容器能承受多高的電壓? 解:(1) 設(shè)內(nèi)、外筒單位長度帶電荷為l和l兩筒間電位移的大小為 Dl / (2pr)在兩層介質(zhì)中的場強大小分別為 E1 = l / (2pe0 er1r), E2 = l / (2pe0 er2r) 在兩層介質(zhì)中的場強最大處是各層介質(zhì)的內(nèi)表面處,即 E1M = l / (2pe0 er1R1), E2M = l / (2pe0 er2R) 可得 E1M
15、/ E2M = er2R / (er1R1) = R / (2R1)已知 R12 R1, 可見 E1ME2M,因此外層介質(zhì)先擊穿 (2) 當內(nèi)筒上電量達到lM,使E2MEM時,即被擊穿, lM = 2pe0 er2REM 此時兩筒間電壓(即最高電壓)為: 4. 如圖所示,一電容器由兩個同軸圓筒組成,內(nèi)筒半徑為a,外筒半徑為b,筒長都是L,中間充滿相對介電常量為er的各向同性均勻電介質(zhì)內(nèi)、外筒分別帶有等量異號電荷+Q和-Q設(shè) (b- a) b,可以忽略邊緣效應(yīng),求: (1) 圓柱形電容器的電容; (2) 電容器貯存的能量 解:由題給條件 (和,忽略邊緣效應(yīng), 應(yīng)用高斯定理可求出兩筒之間的場強為:
16、 兩筒間的電勢差 電容器的電容 電容器貯存的能量 5. 一平行板電容器,其極板面積為S,兩板間距離為d (d 0,則方向為沿x軸正方向若B a)兩根導(dǎo)線中分別保持電流I, 兩電流方向相反 (1) 求這兩導(dǎo)線單位長度的自感系數(shù)(忽略導(dǎo)線內(nèi)磁通); (2) 若將導(dǎo)線間距離由b增到2 b,求磁場對單位長度導(dǎo)線做的功; (3) 導(dǎo)線間的距離由b增大到2 b,則對應(yīng)于導(dǎo)線單位長度的磁能改變了多少?是增加還是減少?說明能量的轉(zhuǎn)換情況 解:(1) 單位長度自感系數(shù)為: (2) 兩等值反向的直線電流間的作用力為排斥力,將導(dǎo)線沿受力方向移動dr距離時,磁場力對單位長度導(dǎo)線作功為: (3) 磁能增量 而 這說明磁
17、能增加了這是因為在導(dǎo)線間距離由b增大到2 b過程中,兩導(dǎo)線中都出現(xiàn)與電流反向的感應(yīng)電動勢,因而,為要保持導(dǎo)線中電流不變外接電源要反抗導(dǎo)線中的感應(yīng)電動勢作功,消耗的電能一部分轉(zhuǎn)化為磁場能量,一部分通過磁場力作功轉(zhuǎn)化為其他形式能量 四 研討題1. 將磁場的高斯定理與電場的高斯定理相比,兩者有著本質(zhì)上的區(qū)別。從類比的角度可作何聯(lián)想?參考解答:磁場的高斯定理與電場的高斯定理:作為類比,反映自然界中沒有與電荷相對應(yīng)“磁荷”(或叫單獨的磁極)的存在。但是狄拉克1931年在理論上指出,允許有磁單極子的存在,提出: 式中q 是電荷、qm 是磁荷。電荷量子化已被實驗證明了。然而迄今為止,人們還沒有發(fā)現(xiàn)可以確定磁
18、單極子存在可重復(fù)的直接實驗證據(jù)。如果實驗上找到了磁單極子,那么磁場的高斯定理以至整個電磁理論都將作重大修改。1982年,美國斯坦福大學曾報告,用直徑為5cm的超導(dǎo)線圈放入直徑20cm的超導(dǎo)鉛筒,由于邁斯納效應(yīng)屏蔽外磁場干擾,只有磁單極子進入才會引起磁通變化。運行151天,記錄到一次磁通變化,但此結(jié)果未能重復(fù)。據(jù)查閱科學出版社1994年出版的,由美國引力、宇宙學和宇宙線物理專門小組撰寫的90年代物理學有關(guān)分冊,目前已經(jīng)用超導(dǎo)線圈,游離探測器和閃爍探測器來尋找磁單極子。在前一種情況,一個磁單極子通過線圈會感應(yīng)出一個階躍電流,它能被一個復(fù)雜裝置探測出來,但這種方法的探測面積受到線圈大小的限制。游離探
19、測器和閃爍探測器能做成大面積的,但對磁單極子不敏感。現(xiàn)在物理學家們?nèi)詧猿謹U大對磁單極子的研究,建造閃爍體或正比計數(shù)器探測器,相應(yīng)面積至少為1000m2。并建造較大的,面積為100m2量級的環(huán)狀流強探測器,同時加強尋找陷落在隕石或磁鐵礦中的磁單極子的工作。2. 當帶電粒子由弱磁場區(qū)向強磁場區(qū)做螺旋運動時,平行于磁場方向的速度分量如何變化?動能如何變化?垂直于磁場方向的速度分量如何變化?參考解答:當帶電粒子由弱磁場區(qū)向強磁場區(qū)做螺旋運動時,它所受到的磁場力有一個和前進方向相反的分量,這個分量將使平行于磁場方向的速度分量減小,甚至可使此速度分量減小到零,然后使粒子向相反方向運動(這就是磁鏡的原理)。
20、當帶電粒子由弱磁場區(qū)向強磁場區(qū)做螺旋運動時,由于平行于磁場方向的速度分量減小,因而與這個速度分量相關(guān)的動能也減小。然而磁力對帶電粒子是不做功的,粒子的總動能不會改變,因此,與垂直于磁場方向的速度分量相關(guān)的動能在此運動過程中將會增大,垂直于磁場方向的速度分量也相應(yīng)地增大。3. 電磁流量計是一種場效應(yīng)型傳感器,如圖所示:截面矩形的非磁性管,其寬度為d、高度為h,管內(nèi)有導(dǎo)電液體自左向右流動, 在垂直液面流動的方向加一指向紙面內(nèi)的勻強磁場,當磁感應(yīng)強度為B時,測得液體上表面的a與下表面的b兩點間的電勢差為U,求管內(nèi)導(dǎo)電液體的流量。參考解答:導(dǎo)電液體自左向右在非磁性管道內(nèi)流動時, 在洛侖茲力作用下, 其
21、中的正離子積累于上表面,負離子積累于下表面, 于是在管道中又形成了從上到下方向的勻強霍爾電場E,它同勻強磁場B一起構(gòu)成了速度選擇器。因此在穩(wěn)定平衡的條件下,對于以速度v勻速流動的導(dǎo)電液體, 無論是對其中的正離子還是負離子,都有 流速液體流量如果截面園形的非磁性管, B磁感應(yīng)強度;D測量管內(nèi)徑;U流量信號(電動勢);v液體平均軸向流速, L測量電極之間距離?;魻栯妱軺e k(無量綱)的常數(shù),在圓形管道中,體積流量是:把方程(1)、(2) 合并得:液體流量 或者,K校準系數(shù),通常是靠濕式校準來得到。 第15章 磁介質(zhì)的磁化一、選擇題1(C),2(B),3(B),4(C),5(D)二、填空題(1).
22、 8.8810-6 ,抗 . (2). 鐵磁質(zhì),順磁質(zhì),抗磁質(zhì).(3). 7.96105 A/m, 2.42102 A/m. (4). 各磁疇的磁化方向的指向各不相同,雜亂無章.全部磁疇的磁化方向的指向都轉(zhuǎn)向外磁場方向.(5). 磁導(dǎo)率大,矯頑力小,磁滯損耗低 變壓器,交流電機的鐵芯等三 計算題1. 一根同軸線由半徑為R1的長導(dǎo)線和套在它外面的內(nèi)半徑為R2、外半徑為R3的同軸導(dǎo)體圓筒組成中間充滿磁導(dǎo)率為m的各向同性均勻非鐵磁絕緣材料,如圖傳導(dǎo)電流I沿導(dǎo)線向上流去,由圓筒向下流回,在它們的截面上電流都是均勻分布的求同軸線內(nèi)外的磁感強度大小B的分布解:由安培環(huán)路定理: 0 r R1區(qū)域: , R1
23、 r R2區(qū)域: , R2 r R3區(qū)域: H = 0,B = 0 2. 螺繞環(huán)中心周長l = 10 cm,環(huán)上均勻密繞線圈N = 200匝,線圈中通有電流I = 0.1 A管內(nèi)充滿相對磁導(dǎo)率mr = 4200的磁介質(zhì)求管內(nèi)磁場強度和磁感強度的大小解: 200 A/m 1.06 T 3. 一鐵環(huán)的中心線周長為0.3 m,橫截面積為1.010-4 m2,在環(huán)上密繞300匝表面絕緣的導(dǎo)線,當導(dǎo)線通有電流3.210-2 A時,通過環(huán)的橫截面的磁通量為2.010-6 Wb求: (1) 鐵環(huán)內(nèi)部的磁感強度; (2) 鐵環(huán)內(nèi)部的磁場強度; (3) 鐵的磁化率; (4) 鐵環(huán)的磁化強度解:(1) T (2)
24、 n = 1000 m-1, H = nI032 A/m (3) 相對磁導(dǎo)率 磁化率 cm = mr1 = 496 (4) 磁化強度 M = cmH1.59104 A/m四 研討題1. 順磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率明顯地依賴于溫度,而抗磁質(zhì)的磁導(dǎo)率則幾乎與溫度無關(guān),為什么?參考解答:順磁質(zhì)的磁性主要來源于分子的固有磁矩沿外磁場方向的取向排列。當溫度升高時,由于熱運動的緣故,這些固有磁矩更易趨向混亂,而不易沿外磁場方向排列,使得順磁質(zhì)的磁性因磁導(dǎo)率明顯地依賴于溫度。 鐵磁質(zhì)的磁性主要來源于磁疇的磁矩方向沿外磁場方向的取向排列。當溫度升高時,各磁疇的磁矩方向易趨向混亂而使鐵磁質(zhì)的磁性減小,因而鐵磁質(zhì)的磁
25、導(dǎo)率會明顯地依賴于溫度。當鐵磁質(zhì)的溫度超過居里點時,其磁性還會完全消失。至于抗磁質(zhì),它的磁性來源于抗磁質(zhì)分子在外磁場中所產(chǎn)生的與外磁場方向相反的感生磁矩,不存在磁矩的方向排列問題,因而抗磁質(zhì)的磁性和分子的熱運動情況無關(guān),這就是抗磁質(zhì)的磁導(dǎo)率幾乎與溫度無關(guān)的原因。2. 在實際問題中用安培環(huán)路定理計算由鐵磁質(zhì)組成的閉合環(huán)路,在得出H后,如何進一步求出對應(yīng)的B值呢?參考解答:由于鐵磁質(zhì)的m r不是一個常數(shù),因此不能用B =mrm0H來進行計算,而是應(yīng)當查閱手冊中該鐵磁材料的BH曲線圖,找出對應(yīng)于計算值H的磁感強度B值第16章 電磁場一、選擇題1(A),2(C),3(D),4(B),5(D)二、填空題
26、(1). 或.(2). pBnR2, O . (3). 9.6 J.(4). 或 , 或 .(5). , 相反三 計算題1. 如圖所示,有一彎成q 角的金屬架COD放在磁場中,磁感強度的方向垂直于金屬架COD所在平面一導(dǎo)體桿MN垂直于OD邊,并在金屬架上以恒定速度向右滑動,與MN垂直設(shè)t =0時,x = 0求下列兩情形,框架內(nèi)的感應(yīng)電動勢Ei (1) 磁場分布均勻,且不隨時間改變 (2) 非均勻的時變磁場解:(1) 由法拉第電磁感應(yīng)定律: 在導(dǎo)體MN內(nèi)Ei方向由M向N (2) 對于非均勻時變磁場 取回路繞行的正向為ONMO,則 Ei = Ei 0,則Ei方向與所設(shè)繞行正向一致,Ei r,x R
27、若大線圈通有電流I而小線圈沿x軸方向以速率v運動,試求x =NR時(N為正數(shù))小線圈回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小解:由題意,大線圈中的電流在小線圈回路處產(chǎn)生的磁場可視為均勻的 故穿過小回路的磁通量為 由于小線圈的運動,小線圈中的感應(yīng)電動勢為 當x =NR時,小線圈回路中的感應(yīng)電動勢為 4. 有一很長的長方的U形導(dǎo)軌,與水平面成q角,裸導(dǎo)線ab可在導(dǎo)軌上無摩擦地下滑,導(dǎo)軌位于磁感強度豎直向上的均勻磁場中,如圖所示設(shè)導(dǎo)線ab的質(zhì)量為m,電阻為R,長度為l,導(dǎo)軌的電阻略去不計,abcd形成電路,t =0時,v =0. 試求:導(dǎo)線ab下滑的速度v與時間t的函數(shù)關(guān)系解:ab導(dǎo)線在磁場中運動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 abcd回路中流過的電流 ab載流導(dǎo)線在磁場
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