大學(xué)物理(一)練習(xí)冊 參考解答

1、普通物理A（2）練習(xí)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). 2×103 V； (4). ； (5). 0，pE sina ； OBA三、計(jì)算題1. 將一“無限長”帶電細(xì)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(diǎn)的場強(qiáng) 解：在O點(diǎn)建立坐標(biāo)系如圖所示 半無限長直線A在O點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)： 半無限長直線B在O點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)： 四分之一圓弧段在O點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)： 由場強(qiáng)疊加原理，O點(diǎn)合場強(qiáng)為： 2. 一“無限長”圓柱面，其電

2、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(diǎn)的場強(qiáng) 解：將柱面分成許多與軸線平行的細(xì)長條，每條可視為“無限長”均勻帶電直線，其電荷線密度為 l = s0cosf Rdf，它在O點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)為： 它沿x、y軸上的二個(gè)分量為： dEx=dEcosf = dEy=dEsinf = 積分： 3. 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(diǎn)P1和P2處的電場強(qiáng)度大??； (2) 平板內(nèi)任一點(diǎn)P處的電場強(qiáng)度； (3) 場強(qiáng)為零的點(diǎn)在何處？ 解： (1) 由對稱分析知，平板外

3、兩側(cè)場強(qiáng)大小處處相等、方向垂直于平面且背離平面設(shè)場強(qiáng)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(diǎn)垂直平板作一柱形高斯面，底面為S設(shè)該處場強(qiáng)為，如圖所示按高斯定理有 得到 (0xb) (3) =0，必須是， 可得 4. 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(diǎn)的場強(qiáng)和電勢(選O點(diǎn)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(biāo)原點(diǎn)在圓盤中心，大平面在x處產(chǎn)生

4、的場強(qiáng)為 圓盤在該處的場強(qiáng)為 該點(diǎn)電勢為 5一真空二極管，其主要構(gòu)件是一個(gè)半徑R15×10-4 m的圓柱形陰極A和一個(gè)套在陰極外的半徑R24.5×10-3 m的同軸圓筒形陽極B，如圖所示陽極電勢比陰極高300 V，忽略邊緣效應(yīng). 求電子剛從陰極射出時(shí)所受的電場力(基本電荷e1.6×10-19 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 4.3

5、7×10-14 N 方向沿半徑指向陽極 四 研討題1. 真空中點(diǎn)電荷q的靜電場場強(qiáng)大小為 式中r為場點(diǎn)離點(diǎn)電荷的距離當(dāng)r0時(shí)，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(diǎn)電荷的場強(qiáng)公式僅適用于點(diǎn)電荷，當(dāng)r0時(shí)，任何帶電體都不能視為點(diǎn)電荷，所以點(diǎn)電荷場強(qiáng)公式已不適用 若仍用此式求場強(qiáng)E，其結(jié)論必然是錯(cuò)誤的當(dāng)r0時(shí)，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(qiáng)方向與路徑方向垂直在bc和da段場強(qiáng)大小不相等（電力線疏密程度不同）而路

6、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. 如果只知道電場中某點(diǎn)的場強(qiáng)，能否求出該點(diǎn)的電勢？如果只知道電場中某點(diǎn)的電勢，能否求出該點(diǎn)的場強(qiáng)？為什么？參考解答：由電勢的定義： 式中為所選場點(diǎn)到零勢點(diǎn)的積分路徑上各點(diǎn)的場強(qiáng)，所以，如果只知道電場中某點(diǎn)的場強(qiáng)，而不知道路徑上各點(diǎn)的場強(qiáng)表達(dá)式，不能求出該點(diǎn)的電勢。由場強(qiáng)與電勢的關(guān)系： 場中某點(diǎn)的電場強(qiáng)度是該點(diǎn)電勢梯度的負(fù)值。如果只知道電場中某點(diǎn)的電勢值，而不知道其表達(dá)式，就無法求出電勢的空間變化率，也就不能求出該點(diǎn)的場強(qiáng)。4. 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(yán)重污染了環(huán)境，影響到作物的生

7、長和人類的健康。靜電除塵是被人們公認(rèn)的高效可靠的除塵技術(shù)。先在實(shí)驗(yàn)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，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(jì)算出實(shí)驗(yàn)室管式靜電除塵器的工作電壓，即當(dāng)工作電壓達(dá)到什么數(shù)量級(jí)時(shí)，可以實(shí)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(gè)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(fù)極接在電暈線上，如右上圖所示?？梢钥闯觯油娫匆院?，集電極與電暈線之間就建立了一個(gè)非均勻電場，電暈線周

8、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(qiáng)度。當(dāng)實(shí)際電場強(qiáng)度與空氣的擊穿電場相近時(shí)空氣發(fā)生電離，形成大量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(fù)電。 在電場的作用下，這些帶負(fù)電的塵埃顆粒繼續(xù)向正極運(yùn)動(dòng)，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(dāng)塵埃積聚到一定程度時(shí)，通過振動(dòng)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(jià)于同軸電纜來計(jì)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L>>D，此時(shí)電暈線外的電場可以認(rèn)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(diǎn)P的場強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度最大，使它達(dá)到空氣電離的最大電場強(qiáng)度時(shí)，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(shí)測參數(shù)如下：,計(jì)算結(jié)果.若施加電壓U