大学物理简明教程课后习题加答案

大学物理简明教程习题解答

习题一

drdrdvdv1-1 ｜?r｜与?r有无不同?dt和dt有无不同? dt和dt有无不同?其不同在哪里?试

举例说明．

???r?r?r?r?r?r2?r1； 21，解：（1）是位移的模，?r是位矢的模的增量，即

drdrds?v?dt（2）dt是速度的模，即dt.

drdt只是速度在径向上的分量.

?drdrdr??r?r??dtdtdt rr?rr∵有（式中叫做单位矢），则dr式中dt就是速度径向上的分量，

drdr与dt不同如题1-1图所示. ∴dt题1-1图

?dv?dvdva?dt，dt是加速度a在切向上的分量. (3)dt表示加速度的模，即

??v?v?(?表轨道节线方向单位矢）∵有，所以

??dvdv?d????vdtdtdt

dv式中dt就是加速度的切向分量.

???d??dr?与dt的运算较复杂，超出教材规定，故不予讨论) (dt1-2 设质点的运动方程为x=x(t)，y=y(t)，在计算质点的速度和加速度时，有人先求

d2rdr2x2?y2出r＝，然后根据v=dt，及a＝dt而求得结果；又有人先计算速度和加速度

的分量，再合成求得结果，即

?d2x??d2y??dx??dy????????dt2?????dt2??dtdt???? ????va =及=

2222 你认为两种方法哪一种正确？为什么？两者差别何在？

???r?xi?yj，解：后一种方法正确.因为速度与加速度都是矢量，在平面直角坐标系中，有

第1页

??drdx?dy??v??i?jdtdtdt??d2rd2x?d2y?a?2?2i?2jdtdtdt

故它们的模即为

?dx??dy?22v?vx?vy???????dt??dt?222而前一种方法的错误可能有两点，其一是概念上的错误，即误把速度、加速度定义作

?d2x??d2y?22a?ax?ay???dt2?????dt2??????

drv?dtd2ra?2dt

2drd2rdr与2dt误作速度与加速度的模。在1-1题中已说明dt不是速度的模，其二，可能是将dtd2r2而只是速度在径向上的分量，同样，dt也不是加速度的模，它只是加速度在径向分量中

2?d2r?d??????a径?2?r??dtdt?????。的一部分?或者概括性地说，前一种方法只考虑了位矢r在径向（即

??量值）方面随时间的变化率，而没有考虑位矢r及速度v的方向随间的变化率对速度、加速

度的贡献。

1-3 一质点在xOy平面上运动，运动方程为

式中t以 s计，x,y以m计．(1)以时间t为变量，写出质点位置矢量的表示式；(2)求出t=1 s 时刻和t＝2s 时刻的位置矢量，计算这1秒内质点的位移；(3)计算t＝0 s时刻到t＝4s时刻内的平均速度；(4)求出质点速度矢量表示式，计算t＝4 s 时质点的速度；(5)计算t＝0s 到t＝4s 内质点的平均加速度；(6)求出质点加速度矢量的表示式，计算t＝4s 时质点的加速度(请把位置矢量、位移、平均速度、瞬时速度、平均加速度、瞬时加速度都表示成直角坐标系中的矢量式)．

1x=3t+5, y=2t2+3t-4.

?1??r?(3t?5)i?(t2?3t?4)j2m 解：（1）

(2)将t?1,t?2代入上式即有

???r1?8i?0.5j m

???r2?11j?4jm

??????r?r2?r1?3j?4.5jm

??????r?5j?4j,r?17i?16j 4(3)∵ 0?????????rr4?r012i?20jv????3i?5jm?s?1?t4?04∴

????drv??3i?(t?3)jm?s?1dt(4)

第2页

???v?3i?7j m?s?1 则 4??????v?3i?3j,v4?3i?7j

(5)∵ 0??????vv4?v04a????1jm?s?2?t44 ???dva??1jm?s?2dt(6)

这说明该点只有y方向的加速度，且为恒量。

1-4 在离水面高h米的岸上，有人用绳子拉船靠岸，船在离岸S处，如题1-4图所示．当人以

v0(m·s?1)的速率收绳时，试求船运动的速度和加速度的大小．

图1-4

解： 设人到船之间绳的长度为l，此时绳与水面成?角，由图可知

222 l?h?s 将上式对时间t求导，得

dlds?2sdt dt根据速度的定义，并注意到l,s是随t减少的，

dldsv绳???v0,v船??dtdt ∴

2l 题1-4图

vdsldll???v0?0dtsdtscos? 即

lv0(h2?s2)1/2v0v船??ss或

v将船再对t求导，即得船的加速度

v船??dlds?ldv?v0s?lv船a?船?dt2dtv0?v0dtss2l22(?s?)v02h2v0s??3s2s

2?21-5 质点沿x轴运动，其加速度和位置的关系为 a＝2+6x，a的单位为m?s，x的单位

s 第3页

为 m. 质点在x＝0处，速度为10m?s,试求质点在任何坐标处的速度值．

?1dvdvdxdv??vdtdxdtdx 解： ∵

2?d??adx?(2?6x)dx 分离变量：

a?12v?2x?2x3?c两边积分得 2

v?10,∴c?50

由题知，x?0时，0∴ v?2x?x?25m?s

?21-6 已知一质点作直线运动，其加速度为 a＝4+3tm?s，开始运动时，x＝5 m，v=0，求该质点在t＝10s 时的速度和位置．

3?1dv?4?3tdt 解：∵

分离变量，得 dv?(4?3t)dt

a?3v?4t?t2?c12积分，得

v?0,∴c1?0

由题知，t?0,03v?4t?t22 故

dx3v??4t?t2dt2 又因为

3dx?(4t?t2)dt2分离变量，

1x?2t2?t3?c22积分得

x?5,∴c2?5

由题知 t?0,0x?2t2?故 所以t?10s时

13t?52

3?102?190m?s?121x10?2?102??103?5?705m2

31-7 一质点沿半径为1 m 的圆周运动，运动方程为 ?=2+3t，?式中以弧度计，t以秒

v10?4?10?计，求：(1) t＝2 s时，质点的切向和法向加速度；(2)当加速度的方向和半径成45°角时，其角位移是多少?

解：

??d?d??9t2,???18tdtdt

?2a?R??1?18?2?36m?st?2s? (1)时，

第4页

an?R?2?1?(9?22)2?1296m?s?2

atan45????1οan(2)当加速度方向与半径成45角时，有

即 R??R?2(9t)?18t 亦即

2222??2?3t3?2?3??2.67rad99则解得 于是角位移为

1v0t?bt221-8 质点沿半径为R的圆周按s＝的规律运动，式中s为质点离圆周上某点的弧

t3?v0，b都是常量，

求：(1)t时刻质点的加速度；(2) t为何值时，加速度在数值上等于b．

dsv??v0?btdt解：（1） dva????bdtv2(v0?bt)2an??RR

长,

(v0?bt)4a?a??a?b?R2则

22n2加速度与半径的夹角为

??arctan(2)由题意应有

a??Rb?an(v0?bt)2

2(v0?bt)4a?b?b?R2 4(v?bt)b2?b2?02,?(v0?bt)4?0R即

vt?0b时，a?b ∴当

1-9 以初速度

v0＝20m?s?1抛出一小球，抛出方向与水平面成幔60°的夹角，

求：(1)球轨道最高点的曲率半径R1；(2)落地处的曲率半径R2．

(提示：利用曲率半径与法向加速度之间的关系)

解：设小球所作抛物线轨道如题1-10图所示．

题1-9图

(1)在最高点，

第5页

v1?vx?v0cos60o an1?g?10m?s?2

又∵

an1?v12?1

v12(20?cos60?)2?1??an110∴

(2)在落地点，

?10m

v2?v0?20m?s?1,

而

an2?g?cos60o

2v2(20)2?2???80ma10?cos60?n2∴

1-10飞轮半径为0.4 m，自静止启动，其角加速度为β=0.2 rad·s，求t＝2s时边缘上各点的速度、法向加速度、切向加速度和合加速度．

?1解：当t?2s时，???t?0.2?2?0.4rad?s

?2

?1则v?R??0.4?0.4?0.16m?s

an?R?2?0.4?(0.4)2?0.064m?s?2 a??R??0.4?0.2?0.08m?s?2

2a?an?a?2?(0.064)2?(0.08)2?0.102m?s?2-1

-1

1-11 一船以速率v1＝30km·h沿直线向东行驶，另一小艇在其前方以速率v2＝40km·h

沿直线向北行驶，问在船上看小艇的速度为何?在艇上看船的速度又为何?

???v?v2?v1，依题意作速度矢量图如题1-13图(a) 解：(1)大船看小艇，则有21

题1-11图

22?1v?v?v?50km?h2112由图可知

??arctan方向北偏西

???v?v1?v2，依题意作出速度矢量图如题1-13图(b)，同上法，得 (2)小船看大船，则有12v12?50km?h?1

方向南偏东36.87

ov13?arctan?36.87?v24

习题二

2-1 一个质量为P的质点，在光滑的固定斜面（倾角为?）上以初速度

与斜面底边的水平线AB平行，如图所示，求这质点的运动轨道．

v0运动，v0的方向

第6页

v解: 物体置于斜面上受到重力mg，斜面支持力N.建立坐标：取0方向为X轴，平行斜

面与X轴垂直方向为Y轴.如图2-2.

?

题2-1图

X方向： Fx?0 x?v0t ① Y方向： Fy?mgsin??may ②

由①、②式消去t，得

t?0时 y?0 vy?0

1y?gsin?t22

y?1gsin??x222v0

2-2 质量为16 kg 的质点在xOy平面内运动，受一恒力作用，力的分量为-7 N，当t＝0时，x?y?0，x＝-2 m·s，当t＝2 s时质点的 (1)位矢；(2)速度．

-1

ffx＝6

N，y＝

vvy＝0．求

解：

ax?fx63??m?s?2m168 fy?7ay??m?s?2m16

(1)

235vx?vx0??axdt??2??2??m?s?10842?77vy?vy0??aydt??2??m?s?10168

于是质点在2s时的速度

5?7??v??i?j48(2)

m?s?1

?1?1?22r?(v0t?axt)i?aytj22?1?7?13?(?2?2???4)i?()?4j2821613?7???i?jm48

2-3 质点在流体中作直线运动，受与速度成正比的阻力kv(k为常数)作用，t=0时质点的

速度为

v0，证明(1) t时刻的速度为v＝v0ek?()tm；(2) 由0到t的时间内经过的距离为

mv0mk?()tv()0x＝(k)［1-em］；(3)停止运动前经过的距离为k；(4)证明当t?mk时速度

第7页

1v减至0的e，式中m为质点的质量．

答: (1)∵ 分离变量，得

a??kvdv?mdt

dv?kdt?vm vdvt?kdt???v0v0m 即

v?ktln?lnemv0

∴

v?v0ek?mtk?mt

0(2)

(3)质点停止运动时速度为零，即t→∞，

x??vdt??v0e?tkmv0?mtdt?(1?e)k

故有

x???v0e0k?mtdt?mv0k

m (4)当t=k时，其速度为

v?v0e1v即速度减至0的e.

km?m?k?v0e?1?v0e

?v?m2-4一质量为的质点以与地的仰角=30°的初速0从地面抛出，若忽略空气阻力，求质

点落地时相对抛射时的动量的增量．

解: 依题意作出示意图如题2-6图

题2-4图

在忽略空气阻力情况下，抛体落地瞬时的末速度大小与初速度大小相同，与轨道相切斜向下, 而抛物线具有对y轴对称性，故末速度与x轴夹角亦为30，则动量的增量为

o

由矢量图知，动量增量大小为

?F?(10?2t)i2-5 作用在质量为10 kg的物体上的力为N，式中t的单位是s，(1)求4s后，

这物体的动量和速度的变化，以及力给予物体的冲量．(2)为了使这力的冲量为200 N·s，

?mv0????p?mv?mv0

，方向竖直向下．

?-1

该力应在这物体上作用多久，试就一原来静止的物体和一个具有初速度?6jm·s的物体,

回答这两个问题．

解: (1)若物体原来静止，则

第8页

??t?4??p1??Fdt??(10?2t)idt?56kg?m?s?1i00,沿x轴正向，

????p1?v1??5.6m?s?1im????1I1??p1?56kg?m?si

?1若物体原来具有?6m?s初速，则

?tt?F?????p0??mv0,p?m(?v0??dt)??mv0??Fdt0m0于是 t??????p2?p?p0??Fdt??p10, ?????v??v1,I2?I1 同理， 2 这说明，只要力函数不变，作用时间相同，则不管物体有无初动量，也不管初动量有多大，

那么物体获得的动量的增量(亦即冲量)就一定相同，这就是动量定理． (2)同上理，两种情况中的作用时间相同，即

I??(10?2t)dt?10t?t2亦即 t?10t?200?0 解得t?10s，(t??20s舍去)

02t

?1vm?s2-6 一颗子弹由枪口射出时速率为0，当子弹在枪筒内被加速时，它所受的合力为

F =(a?bt)N(a,b为常数)，其中t以秒为单位：(1)假设子弹运行到枪口处合力刚好为零，

试计算子弹走完枪筒全长所需时间；(2)求子弹所受的冲量．(3)求子弹的质量．

解: (1)由题意，子弹到枪口时，有

F?(a?bt)?0,得

(2)子弹所受的冲量

tt?ab

1I??(a?bt)dt?at?bt202

t?将

ab代入，得

a2I?2b

(3)由动量定理可求得子弹的质量

Ia2m??v02bv0

????????F?7i?6jNr??3i?4j?16km2-7设合．(1) 当一质点从原点运动到时，求F所作的功．(2)如果质点到r处时需0.6s，试求平均功率．(3)如果质点的质量为1kg，试求动能的

变化．

?解: (1)由题知，F合为恒力，

???????∴ A合?F?r?(7i?6j)?(?3i?4j?16k) ??21?24??45J

A45P???75w?t0.6(2)

第9页

(3)由动能定理，

?Ek?A??45J

v-1

2-8 如题2-18图所示，一物体质量为2kg，以初速度0＝3m·s从斜面A点处下滑，它与斜面的摩擦力为8N，到达B点后压缩弹簧20cm后停止，然后又被弹回，求弹簧的劲度系数和物体最后能回到的高度．

解: 取木块压缩弹簧至最短处的位置为重力势能零点，弹簧原 长处为弹性势能零点。则由功能原理，有

12?12?kx??mv?mgssin37??2?2? 12mv?mgssin37??frsk?212kx2

式中s?4.8?0.2?5m，x?0.2m，再代入有关数据，解得

?frs?k?1390N?m-1

题2-8图

再次运用功能原理，求木块弹回的高度h?

?frs??mgs?sin37o?代入有关数据，得 s??1.4m, 则木块弹回高度

12kx2

2-9 一个小球与一质量相等的静止小球发生非对心弹性碰撞，试证碰后两小球的运动方向

互相垂直．

证: 两小球碰撞过程中，机械能守恒，有

h??s?sin37o?0.84m

11122mv0?mv12?mv2222

222即 v0?v1?v2 ①

题2-9图(a) 题2-9图(b) 又碰撞过程中，动量守恒，即有

???v?v1?v2 ②

亦即 0???mv0?mv1?mv2

?v由②可作出矢量三角形如图(b)，又由①式可知三矢量之间满足勾股定理，且以0为斜边，

??v故知1与v2是互相垂直的．

第10页

?(5)?(6)?(4)

v0?f(v)dv：表示分布在v1~v2区间内的分子数占总分子数的百分比．

f(v)dv：表示分布在0~?的速率区间内所有分子，其与总分子数的比值是1. Nf(v)dv：表示分布在v1~v2区间内的分子数.

0v2v13-6 题3-6图(a)是氢和氧在同一温度下的两条麦克斯韦速率分布曲线，哪一条代表氢?题3-6图(b)是某种气体在不同温度下的两条麦克斯韦速率分布曲线，哪一条的温度较高? 答：图(a)中(1)表示氧，(2)表示氢；图(b)中(2)温度高．

题3-6图

3-7 试说明下列各量的物理意义． （1）

13ikT （2）kT （3）kT 222i3Mi（4）RT （5）RT （6）RT

22Mmol2解：(1)在平衡态下，分子热运动能量平均地分配在分子每一个自由度上的能量均为(2)在平衡态下，分子平均平动动能均为

1kT． 23kT. 2ikT. 2(3)在平衡态下，自由度为i的分子平均总能量均为

(4)由质量为M，摩尔质量为Mmol，自由度为i的分子组成的系统的内能为(5) 1摩尔自由度为i的分子组成的系统内能为

MiRT.

Mmol2iRT. 23(6) 1摩尔自由度为3的分子组成的系统的内能RT，或者说热力学体系内，1摩尔分子的

23平均平动动能之总和为RT.

23-8 有一水银气压计，当水银柱为0.76m高时，管顶离水银柱液面0.12m，管的截面积为

-42

2.0×10m，当有少量氦(He)混入水银管内顶部，水银柱高下降为0.6m，此时温度为

-1

27℃，试计算有多少质量氦气在管顶(He的摩尔质量为0.004kg·mol)?

MRT 得 MmolpV M?Mmol

RT5?3汞的重度 dHg?1.33?10N?m

解：由理想气体状态方程pV?氦气的压强 P?(0.76?0.60)?dHg

第16页

氦气的体积 V?(0.88?0.60)?2.0?10?4m

3M?0.004? ?0.004?(0.76?0.60)?dHg?(0.28?2.0?10?4)R(273?27)(0.76?0.60)?dHg?(0.28?2.0?10?4)8.31?(273?27)

?1.91?10?6Kg

3-9设有N个粒子的系统，其速率分布如题6-18图所示．求 (1)分布函数f(v)的表达式； (2)a与v0之间的关系；

(3)速度在1.5v0到2.0v0之间的粒子数．

(4)粒子的平均速率．

(5)0.5v0到1v0区间内粒子平均速率．

题3-9图

解：(1)从图上可得分布函数表达式

?Nf(v)?av/v0??Nf(v)?a?Nf(v)?0??av/Nv0?f(v)??a/N?0?(0?v?v0)(v0?v?2v0) (v?2v0)(0?v?v0)(v0?v?2v0) (v?2v0)f(v)满足归一化条件，但这里纵坐标是Nf(v)而不是f(v)故曲线下的总面积为N，

(2)由归一化条件可得

2v0av2N Ndv?Nadv?Na??0v0?v03v01(3)可通过面积计算?N?a(2v0?1.5v0)?N

3(4) N个粒子平均速率

2?v0av2v01?v??vf(v)dv??vNf(v)dv??dv??avdv

00v0N0v01123211v?(av0?av0)?v0

N329(5)0.5v0到1v0区间内粒子平均速率

v0?v?v00.5v0vdNN1?Nv0vdN ?0.5v0N1N 第17页

Nv0Nv0av2 ?vf(v)dv?dv ??0.5v0.5v00NvN1N10332av01v0av21av017av0 v?dv?(?)??0.5v0N1v0N13v024v0N1240.5v0到1v0区间内粒子数

N1?27av07vv??0

6N9131(a?0.5a)(v0?0.5v0)?av0?N 2843-10 试计算理想气体分子热运动速率的大小介于vp?vp?100与vp?vp?100之间的分子数占总分子数的百分比． 解：令u??1?1v，则麦克斯韦速率分布函数可表示为 vPdN42?u2?uedu N?因为u?1,?u?0.02

?N42?u2?ue?u 得 由 N??N4??1?e?1?0.02?1.66% N?3-11 1mol氢气，在温度为27℃时，它的平动动能、转动动能和内能各是多少? 解：理想气体分子的能量

E??平动动能 t?3 Et?iRT 23?8.31?300?3739.5J 22转动动能 r?2 Er??8.31?300?2493J

25内能i?5 Ei??8.31?300?6232.5 J

2

-3 -5

3-12 一真空管的真空度约为1.38×10Pa(即1.0×10mmHg)，试 求在27℃时单位体积中

-10

的分子数及分子的平均自由程(设分子的有效直径d＝3×10m)． 解：由气体状态方程p?nkT得

p1.38?10?3?317mn???3.33?10 23kT1.38?10?3001由平均自由程公式 ?? 22?dn1???7.5 m ?20172??9?10?3.33?103-13 (1)求氮气在标准状态下的平均碰撞频率；(2)若温度不变，气压降到1.33×10Pa，

-10

平均碰撞频率又为多少(设分子有效直径10 m)? 解：(1)碰撞频率公式z?2?dnv

第18页

2-4

对于理想气体有p?nkT，即

n?p kT2?d2vp所以有 z?

kTRT8.31?273而 v?1.60 v?1.60?455.43 m?s?1

Mmol28氮气在标准状态下的平均碰撞频率

z?2??10?20?455.43?1.013?1058?1s ?5.44?1001.38?10?273气压下降后的平均碰撞频率

z?2??10?20?455.43?1.33?10?4?0.714s?1?231.38?10?273

3-14 1mol氧气从初态出发，经过等容升压过程，压强增大为原来的2倍，然后又经过等温膨胀过程，体积增大为原来的2倍，求末态与初态之间(1)气体分子方均根速率之比； (2)分子平均自由程之比． 解：由气体状态方程

p1p2 及 p2V2?p3V3 ?T1T2方均根速率公式 v2?1.73RT Mmolv2初v2末?T1?T2p11 ?p22p kT对于理想气体，p?nkT，即 n?所以有 ??kT2?dp2

?初T1p2??1 ?末p1T2

习题四

4-1下列表述是否正确?为什么?并将错误更正．

Q?E??pdV?Q??E??A（1） （2）

Q2Q?不可逆?1?2Q1 （4）Q1 （3）

解：(1)不正确，Q??E?A

??1?(2)不正确，

Q?ΔE??pdV

第19页

??1?(3)不正确，

?不可逆(4)不正确，

Q2Q1

Q?1?2Q1

4-2 用热力学第一定律和第二定律分别证明，在p?V图上一绝热线与一等温线不能有两个交点．

题4-2图

解：1.由热力学第一定律有

Q??E?A 若有两个交点a和b，则 经等温a?b过程有

?E1?Q1?A1?0 经绝热a?b过程

?E2?A1?0 ?E2??A2?0

从上得出?E1??E2，这与a,b两点的内能变化应该相同矛盾．

2.若两条曲线有两个交点，则组成闭合曲线而构成了一循环过程，这循环过程只有吸热，无放热，且对外做正功，热机效率为100%，违背了热力学第二定律． 4-3 一循环过程如题4-3图所示，试指出： (1)ab,bc,ca各是什么过程；

(2)画出对应的p?V图； (3)该循环是否是正循环?

(4)该循环作的功是否等于直角三角形面积? (5)用图中的热量

Qab,Qbc,Qac表述其热机效率或致冷系数．

解：(1) ab是等体过程

bc过程：从图知有V?KT，K为斜率 由pV?vRT 得 p?vRK

故bc过程为等压过程 ca是等温过程

(2)p?V图如题4-3’图

第20页

?D?E??0 ?t?tID?jDS?jD?R2?2.8A

????(2)∵ ?H?dl??I0??jD?dS

解: (1) jD?lS取平行于极板，以两板中心联线为圆心的圆周l?2?r，则

H2?r?jD?r2??0∴ H?dE2?r dtrdE?0 2dtBr??0H??0?0rdE2dt

当r?R时，BR?

?0?0RdE2dt?5.6?10?6 T

习题八

8-1 质量为10?10?3按x?0.1cos(8??kg的小球与轻弹簧组成的系统，

2?)3(SI)的规律

作谐振动，求：

(1)振动的周期、振幅和初位相及速度与加速度的最大值；

(2)最大的回复力、振动能量、平均动能和平均势能，在哪些位置上动能与势能相等? (3)t2?5s与t1?1s两个时刻的位相差；

解：(1)设谐振动的标准方程为x?Acos(?t??0)，则知：

2?1A?0.1m,??8?,?T??s,?0?2?/3

?4?1?1又 vm??A?0.8?m?s ?2.51m?s

am??2A?63.2m?s?2

(2) Fm?am?0.63N

12mvm?3.16?10?2J 21Ep?Ek?E?1.58?10?2J

2E?当Ek?Ep时，有E?2Ep，

12112kx??(kA) 22222∴ x??A??m

220 (3) ????(t2?t1)?8?(5?1)?32?

8-2 一个沿x轴作简谐振动的弹簧振子，振幅为A，周期为T，其振动方程用余弦函数表示．如果t?0时质点的状态分别是： (1)x0??A；

即 (2)过平衡位置向正向运动；

第46页

A处向负向运动； 2A(4)过x??处向正向运动．

2(3)过x?试求出相应的初位相，并写出振动方程．

?x0?Acos?0解：因为 ?

v???Asin?0?0将以上初值条件代入上式，使两式同时成立之值即为该条件下的初位相．故有

2?t??) T32?3?2??x?Acos(t??)

2T2?2???3?x?Acos(t?)

3T35?2?5?4?x?Acos(t??)

4T48-3 一质量为10?10?3kg的物体作谐振动，振幅为24cm，周期为4.0s，当t?0时位移为?24cm．求：

(1)t?0.5s时，物体所在的位置及此时所受力的大小和方向； (2)由起始位置运动到x?12cm处所需的最短时间； (3)在x?12cm处物体的总能量．

解：由题已知 A?24?10?2m,T?4.0s

2??0.5?rad?s?1 ∴ ??T又，t?0时，x0??A,??0?0

?1??x?Acos(故振动方程为

x?24?10?2cos(0.5?t)m

(1)将t?0.5s代入得

x0.5?24?10?2cos(0.5?t)m?0.17m

F??ma??m?2x??10?10?3?()2?0.17??4.2?10?3N2方向指向坐标原点，即沿x轴负向． (2)由题知，t?0时，?0?0，

A?t?t时 x0??,且v?0,故?t?

23????2?/?s ∴ t??323 (3)由于谐振动中能量守恒，故在任一位置处或任一时刻的系统的总能量均为

?

E?121kA?m?2A2221???10?10?3()2?(0.24)2 22?7.1?10?4J 第47页

8-4 有一轻弹簧，下面悬挂质量为1.0g的物体时，伸长为4.9cm．用这个弹簧和一个质量为8.0g的小球构成弹簧振子，将小球由平衡位置向下拉开1.0cm后 ，给予向上的初速度

v0?5.0cm?s?1，求振动周期和振动表达式．

m1g1.0?10?3?9.8解：由题知k???0.2N?m?1 ?2x14.9?10而t?0时，x0??1.0?10?2m,v0?5.0?10?2m?s-1 ( 设向上为正)

又 ???k0.22???5,即T??1.26s ?3m?8?10v2A?x0?(0)2?5.0?10?22?(1.0?10)?()

5?22?2?10?2mv05.0?10?25? tan?0????1,即??0x0?1.0?10?2?545?2∴ x?2?10cos(5t??)m

4

8-5 图为两个谐振动的x?t曲线，试分别写出其谐振动方程．

题8-5图

解：由题8-5图(a)，∵t?0时，x0?0,v0?0,??0?即 ??3?,又,A?10cm,T?2s 22???Trad?s?1

3?)m 2A5?由题8-5图(b)∵t?0时，x0?,v0?0,??0?

23故 xa?0.1cos(?t?t1?0时，x1?0,v1?0,??1?2???2

又 ?1???1???∴ ??535? 25? 6故 xb?0.1cos(?t?565?)m 3 第48页

8-6 有两个同方向、同频率的简谐振动，其合成振动的振幅为0.20m，位相与第一振动的位相差为

?，已知第一振动的振幅为0.173m，求第二个振动的振幅以及第一、第二两振动6的位相差．

题8-6图

解：由题意可做出旋转矢量图如下． 由图知

2A2?A12?A2?2A1Acos30?

?(0.173)2?(0.2)2?2?0.173?0.2?3/2

?0.01∴ A2?0.1m 设角AA1O为?，则

2A2?A12?A2?2A1A2cos?

2A12?A2?A2(0.173)2?(0.1)2?(0.02)2cos???即 2A1A22?0.173?0.1?0即???2，这说明，A1与A2间夹角为

??，即二振动的位相差为. 228-7 试用最简单的方法求出下列两组谐振动合成后所得合振动的振幅：

????x?5cos(3t?)cmx?5cos(3t?)cm?1?133(1) ? (2)? 7?4??x2?5cos(3t?)cm?x2?5cos(3t?)cm33??7????2?, 解： (1)∵ ????2??1?33∴合振幅 A?A1?A2?10cm

4?????, (2)∵ ???33∴合振幅 A?0

8-8 一质点同时参与两个在同一直线上的简谐振动，振动方程为

??x?0.4cos(2t?)m?16 ?5?x2?0.3cos(2t??)m6?试分别用旋转矢量法和振动合成法求合振动的振动幅和初相，并写出谐振方程。 解：∵ ????5?(??)?? 66∴ A合?A1?A2?0.1m

第49页

5?Asin?1?A2sin?266?3 tan??1??5?A2cos?1?A2cos?230.4cos?0.3cos66?∴ ??

60.4?sin?0.3sin其振动方程为

?x?0.1cos(2t?(作图法略)

?6)m

习题九

9-1 振动和波动有什么区别和联系?平面简谐波动方程和简谐振动方程有什么不同?又有什么联系?振动曲线和波形曲线有什么不同?

解: (1)振动是指一个孤立的系统(也可是介质中的一个质元)在某固定平衡位置附近所做的往复运动，系统离开平衡位置的位移是时间的周期性函数，即可表示为y?f(t)；波动是振动在连续介质中的传播过程，此时介质中所有质元都在各自的平衡位置附近作振动，因此介质中任一质元离开平衡位置的位移既是坐标位置x，又是时间t的函数，即y?f(x,t)． (2)在谐振动方程y?f(t)中只有一个独立的变量时间t，它描述的是介质中一个质元偏离平衡位置的位移随时间变化的规律；平面谐波方程y?f(x,t)中有两个独立变量，即坐标位置x和时间t，它描述的是介质中所有质元偏离平衡位置的位移随坐标和时间变化的规律．

xy?Acos?(t?)u中的坐标位置给定后，即可得到该点的振动方程，而波源持当谐波方程

续不断地振动又是产生波动的必要条件之一．

(3)振动曲线y?f(t)描述的是一个质点的位移随时间变化的规律，因此，其纵轴为y，横轴为t；波动曲线y?f(x,t)描述的是介质中所有质元的位移随位置，随时间变化的规律，

其纵轴为y，横轴为x．每一幅图只能给出某一时刻质元的位移随坐标位置x变化的规律，即只能给出某一时刻的波形图，不同时刻的波动曲线就是不同时刻的波形图．

xxu)+?0］中的u表示什么?如果改写为y=Acos 9-2 波动方程y=Acos［?(

x?x?xt??t???0u)+?0］的值u()，u又是什么意思?如果t和x均增加，但相应的［?(

t?不变，由此能从波动方程说明什么?

?x解: 波动方程中的x/u表示了介质中坐标位置为x的质元的振动落后于原点的时间；u则表示x处质元比原点落后的振动位相；设t时刻的波动方程为

?xyt?Acos(?t???0)u

则t??t时刻的波动方程为

?(x??x)yt??t?Acos[?(t??t)???0]u

第50页

题4-3’图

(3)该循环是逆循环

(4)该循环作的功不等于直角三角形面积，因为直角三角形不是p?V图中的图形．

e?(5)

QabQbc?Qca?Qab

题4-3图 题4-4图

4-4 两个卡诺循环如题4-4图所示，它们的循环面积相等，试问： (1)它们吸热和放热的差值是否相同； (2)对外作的净功是否相等； (3)效率是否相同?

答：由于卡诺循环曲线所包围的面积相等，系统对外所作的净功相等，也就是吸热和放热的差值相等．但吸热和放热的多少不一定相等，效率也就不相同．

AT及4-5 根据

不可逆过程熵变?为什么?说明理由．

答：这不能说明可逆过程的熵变大于不可逆过程熵变，熵是状态函数，熵变只与初末状态有关，如果可逆过程和不可逆过程初末状态相同，具有相同的熵变．只能说在不可逆过程中，系统的热温比之和小于熵变．

SB?SA??BdQ可逆SB?SA??dQ不可逆AT，这是否说明可逆过程的熵变大于

B4-6 如题4-6图所示，一系统由状态a沿acb到达状态b的过程中，有350 J热量传入系统，

而系统作功126 J．

(1)若沿adb时，系统作功42 J，问有多少热量传入系统?

(2)若系统由状态b沿曲线ba返回状态a时，外界对系统作功为84 J，试问系统是吸热还是放热?热量传递是多少?

题4-6图

解：由abc过程可求出b态和a态的内能之差 Q??E?A

第21页

?E?Q?A?350?126?224 J abd过程，系统作功A?42J

Q??E?A?224?42?266J 系统吸收热量

ba过程，外界对系统作功A??84J

Q??E?A??224?84??308J 系统放热

4-7 1 mol单原子理想气体从300 K加热到350 K，问在下列两过程中吸收了多少热量?增加了多少内能?对外作了多少功? (1)体积保持不变； (2)压力保持不变． 解：(1)等体过程

由热力学第一定律得Q??E 吸热

Q??E??CV(T2?T1)??iR(T2?T1)2

3?8.31?(350?300)?623.252 J

对外作功 A?0 Q??E?(2)等压过程

i?2R(T2?T1)2

5Q??8.31?(350?300)?1038.752吸热 J Q??CP(T2?T1)??

?E??CV(T2?T1)

3?8.31?(350?300)?623.252内能增加 J

.75?623.5?415.5J 对外作功 A?Q??E?1038?E?4-8 0.01 m氮气在温度为300 K时，由0.1 MPa(即1 atm)压缩到10 MPa．试分别求氮

气经等温及绝热压缩后的(1)体积；(2)温度；(3)各过程对外所作的功． 解：(1)等温压缩 T?300K 由p1V1?p2V2 求得体积

3

V2? 对外作功

p1V11??0.01?1?10?33p210 m

V2p?p1Vln1V1p2

5 ?1?1.013?10?0.01?ln0.01 ??4.67?103J

75CV?R??5 2 (2)绝热压缩

A?VRTlnp1V1?1/?V2?()??p2由绝热方程 p1V1?p2V2

p1V1?1/?pV2?()?(1)?V1p2p2

第22页

1 1?()4?0.01?1.93?10?310m

???1????由绝热方程T1p1?T2p2 得

??1T1?p21.40.4T2??300?(10)T2?579K??1p1

热力学第一定律Q??E?A，Q?0 ?1A??所以

MCV(T2?T1)Mmol

pV5MRTA??11R(T2?T1)MmolRT12， 1.013?105?0.0015A????(579?300)??23.5?1033002 J

4-9 1 mol的理想气体的T-V图如题4-9图所示，ab为直线，延长线通过原点O．求ab过

pV?程气体对外做的功．

题4-9图

解：设T?KV由图可求得直线的斜率K为

T02V0

TK?0V2V0 得过程方程

K?由状态方程 pV??RT

p?得

?RTV

2V0ab过程气体对外作功

A??A????2V0V02V0v0v0pdV

2V0RTRT0dV??VdVV0V2VV0

4-10 一卡诺热机在1000 K和300 K的两热源之间工作，试计算 (1)热机效率；

(2)若低温热源不变，要使热机效率提高到80%，则高温热源温度需提高多少? (3)若高温热源不变，要使热机效率提高到80%，则低温热源温度需降低多少?

RT0RTdV?02V02 第23页

??1?解：(1)卡诺热机效率

T2T1

??1?(2)低温热源温度不变时，若

300?7000

??1?

300?80%T1

要求 T1?1500K，高温热源温度需提高500K (3)高温热源温度不变时，若

T2?8000

要求 T2?200K，低温热源温度需降低100K

??1?4-11 如题4-11图所示是一理想气体所经历的循环过程，其中AB和CD是等压过程，BC和DA为绝热过程，已知B点和C点的温度分别为T2和

T3．求此循环效率．这是卡诺循环

吗? 题4-11图

Q2Q1 解： (1)热机效率

???CP(T2?T1) AB等压过程 Q1??1?Q1?吸热

MCP(TB?TA)Mmol

??vCP(T2?T1) CD等压过程 Q2M??Q2??Q2CP(TC?TD)Mmol放热

Q2TC?TDTC(1?TD/TC)??Q1TB?TATB(1?TA/TB)

根据绝热过程方程得到

??1????1??AD绝热过程 pATA?pDTD ??1??1??1??BC绝热过程 pBTB?pCTC

pA?pB又

pC?pDTDT?TCTB

??1?

(2)不是卡诺循环，因为不是工作在两个恒定的热源之间．

4-12 （1）用一卡诺循环的致冷机从7℃的热源中提取1000 J的热量传向27℃的热源，需要多少功?从-173℃向27℃呢?

(2)一可逆的卡诺机，作热机使用时，如果工作的两热源的温度差愈大，则对于作功就愈有

第24页

T3T2

利．当作致冷机使用时，如果两热源的温度差愈大，对于致冷是否也愈有利?为什么? 解：(1)卡诺循环的致冷机

e? 7℃→27℃时，需作功

Q2T2?A静T1?T2

T1?T2300?280Q2??1000?71.4T2280 J

?173℃→27℃时，需作功 A1?A2?(2)从上面计算可看到，当高温热源温度一定时，低温热源温度越低，温度差愈大，提取同样的热量，则所需作功也越多，对致冷是不利的．

4-13 如题4-13图所示，1 mol双原子分子理想气体，从初态V1?20L,T1?300K经历三种不同的过程到达末态V2?40L,T2?300K． 图中1→2为等温线，1→4为绝热线，4→2为等压线，1→3为等压线，3→2为等体线．试分别沿这三种过程计算气体的熵变．

T1?T2300?100Q2??1000?2000T2100J

题4-13图

解：1?2熵变

等温过程 dQ?dA, dA?pdV

pV?RT

dQ1V2RT1S2?S1????dV1TT1V1V

VS2?S1?Rln2?Rln2?5.76?1V! J?K

1?2?3熵变

3dQ2dQS2?S1????1T3T

T3CpdTT2CdTTTS2?S1????V?Cpln3?CVln2T1T3TTT1T3

V1V2?1?3等压过程 p1?p3 T1T3

2T3V2?TV1 1p3p2?T3?2等体过程 3T2

第25页

T2pT2p?2?2T3p3 T3p1

V2p?CVln2V1p1

在1?2等温过程中 p1V1?p2V2

VVVS2?S1?CPln2CVln2?Rln2?Rln2V1V1V1所以

S2?S1?CPln1?4?2熵变

4dQ2dQS2?S1????1T4T

1?4绝热过程

??1??1S2?S1?0??T2CpdTTT4?CplnT2T?Cpln1T4T4

T1V4??1T1V1?T4V4?T4V1??1 Vppp1V1??p4V4?,4?(1)1/??(1)1/?V1p4p2

在1?2等温过程中 p1V1?p2V2

V4ppV?(1)1/??(1)1/??(2)1/?V1p4p2V1

T1V?(2)T4V1??1?

S2?S1?CPlnT1??1V2?CPln?Rln2T4?V1

4-14 有两个相同体积的容器，分别装有1 mol的水，初始温度分别为T1和T2，T1＞T2，令其进行接触，最后达到相同温度T．求熵的变化，(设水的摩尔热容为Cmol)． 解：两个容器中的总熵变

S?S0??TCCmoldTdT??molT1T2TT TTTT2?Cmol(ln?ln)?CmollnT1T2T1T2

因为是两个相同体积的容器，故

Cmol(T?T2)?Cmol(T1?T) T?T1T?22 得

(T2?T1)2S?S0?Cmolln4T1T2

4-15 把0℃的0.5kg的冰块加热到它全部溶化成0℃的水，问：

(1)水的熵变如何?

(2)若热源是温度为20 ℃的庞大物体，那么热源的熵变化多大?

第26页

(3)水和热源的总熵变多大?增加还是减少?(水的熔解热??334J?g) 解：(1)水的熵变

?1(2)热源的熵变

Q0.5?334?103?S1???612?1T273 J?K Q?0.5?334?103?S2????570?1T293 J?K

(3)总熵变 熵增加

?S??S1??S2?612?570?42 J?K?1

习题五

5-1 电量都是q的三个点电荷，分别放在正三角形的三个顶点．试问：(1)在这三角形的中心放一个什么样的电荷，就可以使这四个电荷都达到平衡(即每个电荷受其他三个电荷的库仑力之和都为零)?(2)这种平衡与三角形的边长有无关系? 解: 如题8-1图示

(1) 以A处点电荷为研究对象，由力平衡知：q?为负电荷

1q212cos30??4π?0a24π?0q???3q3

题5-1图 题5-2图

qq?(32a)3

解得

(2)与三角形边长无关．

5-2 两小球的质量都是m，都用长为l的细绳挂在同一点，它们带有相同电量，静止时两线夹角为2?,如题5-2图所示．设小球的半径和线的质量都可以忽略不计，求每个小球所带的电量．

解: 如题8-2图示

Tcos??mg??q2?Tsin??F?1e?4π?0(2lsin?)2?

解得

q?2lsin?4??0mgtan?

5-3 在真空中有A，B两平行板，相对距离为d，板面积为S，其带电量分别为+q和-q．则

第27页

q224??dff0这两板之间有相互作用力，有人说=,又有人说，因为f=qE,

q2以f=?0S．试问这两种说法对吗?为什么? f到底应等于多少?

E?q?0S，所

解: 题中的两种说法均不对．第一种说法中把两带电板视为点电荷是不对的，第二种说法把

q?0S看成是一个带电板在另一带电板处的场强也是不对的．正确解答应为一个合场强

qq2qE?f?q?2?S2?S2?0S，这是两板间相互作用00板的电场为，另一板受它的作用力

E?的电场力．

5-4 长l=15.0cm的直导线AB上均匀地分布着线密度?=5.0x10-9C·m的正电荷．试求：

-1

(1)在导线的延长线上与导线B端相距a1=5.0cm处P点的场强；(2)在导线的垂直平分线上与导线中点相距d2=5.0cm 处Q点的场强．

解： 如题5-4-图所示

题5-4图

(1)在带电直线上取线元dx，其上电量dq在P点产生场强为

π?0(4a2?l2)

?1?9用l?15cm，??5.0?10C?m, a?12.5cm代入得

??l1?dx4π?0(a?x)2

l?dx2EP??dEP?l4π?0??2(a?x)2 ?11?[?]ll4π?0a?a?22

dEP?EP?6.74?102N?C?1 方向水平向右

1?dxdEQ?224π?x?d02 方向如题8-6图所示 (2)同理

?dE?0EQy?lQx由于对称性

，即

只有

分量，

第28页

? d x 1

d E Qy ?

4 π ? 0 x 2 ? d 22

d 2

x 2 ? d 22

32上面有错EQy?∵

?dEQyld??24π?2?l2l?2dx(x2?d22)

??l2π?0l2?4d22?9?1

以??5.0?10C?cm, l?15cm,d2?5cm代入得

，方向沿y轴正向

5-5 (1)点电荷q位于一边长为a的立方体中心，试求在该点电荷电场中穿过立方体的一个面的电通量；(2)如果该场源点电荷移动到该立方体的一个顶点上，这时穿过立方体各面的电通量是多少?*(3)如题5-5(3)图所示，在点电荷q的电场中取半径为R的圆平面．q在该平面轴线上的A点处，求：通过圆平面的电通量．( 解: (1)由高斯定理

EQ?EQy?14.96?102N?C?1??arctanRx)

?s??qE?dS??0立方体六个面，当q在立方体中心时，每个面上电通量相等

?e?∴ 各面电通量

q6?0．

(2)电荷在顶点时，将立方体延伸为边长2a的立方体，使q处于边长2a的立方体中心，则边长2a的正方形上电通量

?e?q6?0

?e?q24?0，

对于边长a的正方形，如果它不包含q所在的顶点，则如果它包含q所在顶点则

?e?0．

如题5-5(a)图所示．题5-5(3)图

题5-5(a)图 题5-5(b)图 题5-5(c)图

22R?xR(3)∵通过半径为的圆平面的电通量等于通过半径为的球冠面的电通量，球冠

面积*

第29页

?xq0Sq1????22?04π(R?x)2?0[∴

*关于球冠面积的计算：见题8-9(c)图

S?2π(R2?x2)[1?xR22]

xR2?x2]

S???02πrsin??rd??0

?5-3

?2πr2?sin??d??2πr(1?cos?)

25-6 均匀带电球壳内半径6cm，外半径10cm，电荷体密度为2×10C·m求距球心5cm，

8cm ,12cm 各点的场强．

?0,?q?0E?r?5cm当时，,?0

解: 高斯定理

s???q2E?dS?E4πr???q?0

r?8cm时，?q?p4π33?r(r内) 34π32r?r内3E?24π?r?3.48?104N?C?1， 方向沿半径向外． 0∴

4π3q??3?r(r?3外内）r?12cm时,

????E?∴

4π33r外?r内3?4.10?1042?1 4π?0r N?C沿半径向外.

??5-7 半径为R1和R2(R2＞R1)的两无限长同轴圆柱面，单位长度上分别带有电量?和-?,试求:(1)r＜R1；(2) R1＜r＜R2；(3) r＞R2处各点的场强．

解: 高斯定理

???q?E?dS?s?0

??E??dS?E2πrlS取同轴圆柱形高斯面，侧面积S?2πrl 则

对(1) r?R1 (2) R1?q?0,E?0 ?r?R ?q?l?

2

?2π?0r 沿径向向外 ∴

q?0(3) r?R2 ?

E?∴ E?0

第30页

题5-8图

5-8 两个无限大的平行平面都均匀带电，电荷的面密度分别为?1和?2，试求空间各处场强．

解: 如题8-12图示，两带电平面均匀带电，电荷面密度分别为?1与?2，

?1?E?(?1??2)n2?0两面间，

?1?E??(?1??2)n2?0?1面外， ?1?E?(?1??2)n2?0?2面外，

?n：垂直于两平面由?1面指为?2面．

题5-9图

5-9 如题5-9图所示，在A，B两点处放有电量分别为+q,-q的点电荷，AB间距离为2R，现将另一正试验点电荷功．

解: 如题8-16图示

q0从O点经过半圆弧移到C点，求移动过程中电场力作的

1qq(?)?04π?0RR 1qq??qUO?(?)4π?03RR6π?0R

qqA?q0(UO?UC)?o6π?0R ∴

UO?5-10 如题5-10图所示的绝缘细线上均匀分布着线密度为?的正电荷,两直导线的长度和半圆环的半径都等于R．试求环中心O点处的场强和电势．

解: (1)由于电荷均匀分布与对称性，AB和CD段电荷在O点产生的场强互相抵消，取

dl?Rd?

?dq??Rd?OdE则产生点如图，由于对称性，O点场强沿y轴负方向

题5-10图

第31页

E??dEy??2??????sin(?)?sin4π?0R［2］ 2??2π?0R

A?Rd?cos??4π?R202

?(2) AB电荷在O点产生电势，以U??0

2R?dx?dx????ln2B4π?xR4π?x4π?000

?U2?ln24π?0同理CD产生

U1??U3?半圆环产生 ∴

πR???4π?0R4?0

UO?U1?U2?U3???ln2?2π?04?0

2

-7

5-11 三个平行金属板A，B和C的面积都是200cm，A和B相距4.0mm，A与C相距2.0 mm．B，C都接地，如题8-22图所示．如果使A板带正电3.0×10C，略去边缘效应，问

B板和C板上的感应电荷各是多少?以地的电势为零，则A板的电势是多少?

解: 如题8-22图示，令A板左侧面电荷面密度为?1，右侧面电荷面密度为?2

题5-11图

(1)∵ ∴

UAC?UAB，即

EACdAC?EABdAB

?1EACdAB???2EABdAC∴ ?2

qAS 且 ?1+?2q2q?2?A,?1?A3S 3S 得

2qC???1S??qA??2?10?7C 3而

qB???2S??1?10?7C (2)

??1dAC?2.3?103?0V

5-12 两个半径分别为R1和R2（R1＜R2)的同心薄金属球壳，现给内球壳带电+q，试计

UA?EACdAC? 第32页

算：

(1)外球壳上的电荷分布及电势大小；

(2)先把外球壳接地，然后断开接地线重新绝缘，此时外球壳的电荷分布及电势； *(3)再使内球壳接地，此时内球壳上的电荷以及外球壳上的电势的改变量．

解: (1)内球带电?q；球壳内表面带电则为?q,外表面带电为?q，且均匀分布，其电势

题5-12图

qdrq?R2R24π?r24π?0R 0(2)外壳接地时，外表面电荷?q入地，外表面不带电，内表面电荷仍为?q．所以球壳电势由内球?q与内表面?q产生： U??????E?dr??U?q4π?0R2?q4π?0R2?0

(3)设此时内球壳带电量为q?；则外壳内表面带电量为?q?，外壳外表面带电量为

?q?q?(电荷守恒)，此时内球壳电势为零，且

q'q'?q?q'UA????04π?0R14π?0R24π?0R2 Rq??1qR2 得

外球壳上电势

?q?q'?R1?R2?q?24π?0R24π?0R24π?0R24π?0R2

5-13 在半径为R1的金属球之外包有一层外半径为R2的均匀电介质球壳，介质相对介电常UB?q'?q'?数为?r，金属球带电Q．试求： (1)电介质内、外的场强； (2)电介质层内、外的电势； (3)金属球的电势． 解: 利用有介质时的高斯定理

S???D?dS??q

(1)介质内(R1?r?R2)场强

???Qr?QrD?,E内?34πr4π?0?rr3; 介质外(r?R2)场强

??Qr?QrD?,E外?4πr34π?0r3 (2)介质外(r?R2)电势

第33页

Qr4π?0r 介质内(R1?r?R2)电势

?????? U??E内?dr??E外?drU?????E外?dr?rr

(3)金属球的电势

11Q(?)?4π?0?rrR24π?0R2 Q1??1?(?r)4π?0?rrR2 ?R2qU????R1?????E内?dr??E外?drR2

QdrR4π??r2R24π?r20r0 Q1??1?(?r)4π?0?rR1R2

R2Qdr??? 题5-14图

5-14 两个同轴的圆柱面，长度均为l，半径分别为R1和R2(R2＞R1)，且l>>R2-R1，两柱面之间充有介电常数?的均匀电介质.当两圆柱面分别带等量异号电荷Q和-Q时，求：(1)在半径r处/R1＜r＜R2/，厚度为dr，长为l的圆柱薄壳中任一点的电场能量密度和整个薄壳中的电场能量；

(2)电介质中的总电场能量； (3)圆柱形电容器的电容． 解: 取半径为r的同轴圆柱面(S) 则 当(R1?r?R2)时，

(S)???D?dS?2πrlD

?q?Q

D?Q2πrl ∴

D2Q2w??2222?8π?rl (1)电场能量密度

Q2Q2drdW?wd??2222πrdrl?8π?rl4π?rl 薄壳中

(2)电介质中总电场能量

第34页

RQ2drQ2W??dW???ln2VR14π?rl4π?lR1

Q2W?2C (3)电容：∵

Q22π?lC??2Wln(R2/R1) ∴

R2

题5-15图

5-15 如题5-15图所示，C1=0.25?F，C2=0.15?F，C3=0.20?F ．C1上电压为50V．求：

UAB．

解: 电容C1上电量

Q1?C1U1

CC?C2?C3

电容C2与3并联23其上电荷

Q23?Q1

U2?Q23C1U125?50??C23C2335

∴

UAB?U1?U2?50(1?

25)?8635 V

?6-1 在同一磁感应线上，各点B的数值是否都相等?为何不把作用于运动电荷的磁力方向定

?义为磁感应强度B的方向?

?解: 在同一磁感应线上，各点B的数值一般不相等．因为磁场作用于运动电荷的磁力方向

?不仅与磁感应强度B的方向有关，而且与电荷速度方向有关，即磁力方向并不是唯一由磁

?场决定的，所以不把磁力方向定义为B的方向．

6-2 用安培环路定理能否求有限长一段载流直导线周围的磁场?

答: 不能，因为有限长载流直导线周围磁场虽然有轴对称性，但不是稳恒电流，安培环路定理并不适用．

-2

6-3 已知磁感应强度B?2.0Wb·m的均匀磁场，方向沿x轴正方向，如题9-6图所示．试求：(1)通过图中abcd面的磁通量；(2)通过图中befc面的磁通量；(3)通过图中aefd面的磁通量．

解： 如题9-6图所示

习题六

题6-3图

第35页

(1)通过abcd面积S1的磁通是 (2)通过befc面积S2的磁通量

???1?B?S1?2.0?0.3?0.4?0.24Wb

???2?B?S2?0

(3)通过aefd面积S3的磁通量

??4?3?B?S3?2?0.3?0.5?cos??2?0.3?0.5??0.24Wb (或曰?0.24Wb)

5题6-4图

6-4 如题6-4图所示，AB、CD为长直导线，BC为圆心在O点的一段圆弧形导线，其半径为R．若通以电流I，求O点的磁感应强度．

?ABO解：如题9-7图所示，点磁场由、BC、CD三部分电流产生．其中

?AB 产生 B1?0

?CD 产生B2??0I12R，方向垂直向里

?0I?I3(sin90??sin60?)?0(1?)，方向?向里 R2?R24?2?I3?∴B0?B1?B2?B3?0(1??)，方向?向里．

2?R266-5 在真空中，有两根互相平行的无限长直导线L1和L2，相距0.1m，通有方向相反的电流，I1=20A,I2=10A，如题9-8图所示．A，B两点与导线在同一平面内．这两点与导线L2的距离均为5.0cm．试求A，B两点处的磁感应强度，以及磁感应强度为零的点的位置．

CD 段产生 B3??解：如题6-5图所示,BA方向垂直纸面向里

?0I1?0I2BA???1.2?10?4T

2?(0.1?0.05)2??0.05?(2)设B?0在L2外侧距离L2为r处

?0I?I则 ?2?0

2?(r?0.1)2?r解得 r?0.1 m

题6-5图

第36页

题6-6图

6-6 如题6-6图所示，两根导线沿半径方向引向铁环上的A，B两点，并在很远处与电源相连．已知圆环的粗细均匀，求环中心O的磁感应强度． 解： 如题9-9图所示，圆心O点磁场由直电流A?和B?及两段圆弧上电流I1与I2所产生，但A?和B?在O点产生的磁场为零。且

I1电阻R2?. ??I2电阻R12????I1产生B1方向?纸面向外

?I(2???)B1?01，

2R2??I2产生B2方向?纸面向里

?0I2?

2R2?BI(2???)∴ 1?1?1

B2I2?B2?有 B0?B1?B2?0

6-7 设题6-7图中两导线中的电流均为8A，对图示的三条闭合曲线a,b,c，分别写出安培

环路定理等式右边电流的代数和．并讨论：

????(1)在各条闭合曲线上，各点的磁感应强度B的大小是否相等?

?(2)在闭合曲线c上各点的B是否为零?为什么?

??解： ?B?dl?8?0

a???baB?dl??8?0

?B?dl?0 ?c?(1)在各条闭合曲线上，各点B的大小不相等．

???(2)在闭合曲线C上各点B不为零．只是B的环路积分为零而非每点B?0．

题6-7图

6-8 一根很长的同轴电缆，由一导体圆柱(半径为a)和一同轴的导体圆管(内、外半径分别 为b,c)构成，如题6-8图所示．使用时，电流I从一导体流去，从另一导体流回．设电流都是均匀地分布在导体的横截面上，求：(1)导体圆柱内(r＜a),(2)两导体之间(a＜r＜b)，（3）导体圆筒内(b＜r＜c)以及(4)电缆外(r＞c)各点处磁感应强度的大小

??解： ?B?dl??0?I

LIr2(1)r?a B2?r??02

R 第37页

B?(2) a?r?b B2?r??0I

?0Ir 22?R?0I 2?rB?r2?b2??0I (3)b?r?c B2?r???0I22c?b?0I(c2?r2) B?222?r(c?b)(4)r?c B2?r?0

B?0

题6-8图 题6-9图

?6-9 在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向的平面内有一段载流弯曲导线，电流为I，如题6-9图所示．求其所受的安培力．

?

解：在曲线上取dl

???b则 Fab??Idl?B

a??????∵ dl与B夹角?dl，B??不变，B是均匀的．

2????bb?∴ Fab??Idl?B?I(?dl)?B?Iab?B

aa方向⊥ab向上，大小Fab?BIab

题6-10图

6-10 如题6-10图所示，在长直导线AB内通以电流I1=20A，在矩形线圈CDEF中通有电流I2=10 A，AB与线圈共面，且CD，EF都与AB平行．已知a=9.0cm,b=20.0cm,d=1.0 cm，求：

(1)导线AB的磁场对矩形线圈每边所作用的力； (2)矩形线圈所受合力和合力矩．

? 解：(1)FCD方向垂直CD向左，大小

FCD?I2b?同理FFE方向垂直FE向右，大小

?0I1?8.0?10?4 N 2?d 第38页

2?(d?a)?FCF方向垂直CF向上，大小为

d?a?II?IId?a012FCF??dr?012ln?9.2?10?5 N

d2?r2?d?FED方向垂直ED向下，大小为

FED?FCF?9.2?10?5N

?????(2)合力F?FCD?FFE?FCF?FED方向向左，大小为

FFE?I2b?0I1?8.0?10?5 N

???合力矩M?Pm?B ?M?0．

F?7.2?10?4N

∵ 线圈与导线共面

??∴ Pm//B

6-11 一正方形线圈，由细导线做成，边长为a，共有N匝，可以绕通过其相对两边中点的一个竖直轴自由转动．现在线圈中通有电流I，并把线圈放在均匀的水平外磁场B中，线圈对其转轴的转动惯量为J.求线圈绕其平衡位置作微小振动时的振动周期T.

???解：设微振动时线圈振动角度为 (???Pm,B?)，则

?M?PmBsin??NIa2Bsin?

d2?22由转动定律 J2??NIaBsin???NIaB?

atd2?NIa2B??0 即 2?JdtNIa2B∴ 振动角频率 ??

J2?J周期 T? ?2?2?NaIB6-12 一长直导线通有电流I1＝20A，旁边放一导线ab，其中通有电流I2=10A，且两者共面，如6-12图所示．求导线ab所受作用力对O点的力矩． 解：在ab上取dr，它受力 ?dF?ab向上，大小为

?IdF?I2dr01

2?r????dF对O点力矩dM?r?F ?dM方向垂直纸面向外，大小为

?IIdM?rdF?012dr

2?b?IIbM??dM?012?dr?3.6?10?6 N?m

a2?a 第39页

题6-12图

-4

6-13 电子在B=70×10T的匀强磁场中作圆周运动，圆周半径r=3.0cm．已知B垂直于

?纸面向外，某时刻电子在A点，速度v向上，如题6-13图． (1)试画出这电子运动的轨道；

?(2)求这电子速度v的大小； (3)求这电子的动能Ek．

?

题6-13图

解：(1)轨迹如图

v2(2)∵ evB?m

reBr?3.7?107m?s?1 ∴ v?m12?16(3) EK?mv?6.2?10 J

2 题6-14图

6-14 题6-14图中的三条线表示三种不同磁介质的B?H关系曲线，虚线是B=?0H关系的曲线，试指出哪一条是表示顺磁质?哪一条是表示抗磁质?哪一条是表示铁磁质? 答: 曲线Ⅱ是顺磁质，曲线Ⅲ是抗磁质，曲线Ⅰ是铁磁质．

6-15 螺绕环中心周长L=10cm，环上线圈匝数N=200匝，线圈中通有电流I=100 mA．

??(1)当管内是真空时，求管中心的磁场强度H和磁感应强度B0；

??(2)若环内充满相对磁导率?r=4200的磁性物质，则管内的B和H各是多少?

??*(3)磁性物质中心处由导线中传导电流产生的B0和由磁化电流产生的B′各是多少?

??解: (1) ?H?dl??I

lHL?NI

NIH??200A?m?1

L 第40页

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