第10章静电学思考题及习题解答

1、第十章思考题10-1在空间有一非均匀电场，其电力线分布如图所示。在电场中作半径为R的闭合球面S,已知通过球面上某一面元e ,则通过该球面其余部分的电场强度AS的电场强度通量为通量为(A)-AQ鹭 nR思考题10-1(C)4 nR ASAS(D)0答 (A)10-2关于高斯定理的理解有下面几种说法,其中正确的是：(A)如果高斯面上E处处为零，则该面内必无电荷。(B)如果高斯面内无电荷，则高斯面上E处处为零。(C)如果高斯面上E处处不为零，则高斯面内必有电荷。(D)如果高斯面内有净电荷，则通过高斯面的电通量必不为零。(E)高斯定理仅适用于具有高度对称性的电场。答：(D)103在点电荷的电场中，若取

2、图中P点处为电势零点，贝U M点的电势(A )(B)8 n oa-a +qPM思考题10-3(D) 8 n oa思考题10-8答：(D)10-4如图所示，直线MN长为21，弧OCD是以N点为中心、I为半 径的半圆 弧，N点有正电荷+q, M点有负电荷-q。今将一试验电荷+q。从0点出发沿路径OCDP 移到无穷远处，设无穷远处电势为零，则电场力作功(A) A<0且为有限常量；(B) A>0且为有限常量；(C)A=g；(D)A=0。思考题10-4答 (D)10-5关于电场强度与电势之间的关系， 下列说法中，哪一种是正确的？(A)在电场中，场强为零的点，电势必为零。(B)在电场中，电势为

3、零的点，电场强度必为零。(C)在电势不变的空间，场强处处为零。(D)在场强不变的空间，电势处处相等。答 (C)10-6在真空中半径分别为R和2R的两个同心球面，其上分别均匀地带有 电量+q和-3q。今将一电量为式的带电粒子从内球面处由静止释放，则该粒子到达 外球面时的动能为Qq(C)；8 n OeR心3Qq (D)8 n oR答：（C）(A)(B)Qq2 n oR10-7图示为一个均匀带电球体，总电量为构,其外部同心地罩一内、外半径分别为c, 12的金属球壳，设无穷远处为电势零点，则在球壳内半径为r 的P点处的场强和电势为(A)Q4 n osr(B)°，思考题10-7B(C)

4、6;，(D)0,1 2答：（D）10-8无限大”均匀带电平面A,其附近放一与它平行的有一定厚度的无限大”平面导体板B,如图所示，已知A上的电荷面密度为箱）则在导体板B的两 个表面1和2上的感应电荷面密度分别为(A) Oi (T, 026;1ZD k -k k2(D) b b b 0 o答：(B)10-9 一导体球外充满相对介电常数为&的均匀电介质，若测得导体表面附近场强为E,则导体球面上的自由电荷面密度b为(A)E;答：(B)(B) QrE; (C) &E； (D)( g- Q)E。11-10 G和Q两空气电容器串联以后接电源充电，在电源保持连接 的情况下，在6中插入一电介质板

5、，则(A)Ci极板上电量增加，Q极板上电量增 加。(B)C 1极板上电量减少，&极板上电量增 加。(OC1极板上电量增加，C2极板上电量减 少O(D) G极板上电量减少，6极板上电量减 少O思考题10-10答：(A)10-11金属球A与同心球壳B组成电容器，球 带电A上带电荷q，壳B上 荷Q,测得球与壳间电势差Uab，可知该电容器的电容值为(A)q/UAB； (B)Q/Uab;(C)(q4Q)/Uab；(D)QQ)/(2Uab)。答 (A)10-12 一平行板电容器充电后，与电源断开，然后再充满相对介电常数为?的各向同性均匀电介质，则其电容 量We与充介质前比较将发生如下变化:(A)C

6、 f U12J Wef； (B)Cf(C)CfU12T We J； (D)C J答:(B)C、两极板间的电势差U12及电场能U12JWe J；U12JWe J10-1 一个电偶极子的电矩为 P=ql，证明此电偶极子触线上距其中心为r(r»l)处的一点场强为E 型34 or证电偶极子+q的和两个电荷在轴线上距中心为r处的合场强为4n （Xr 一）2 4 n os（r 一 ）4 n os(r由于r»l ,并考虑到方向可得 222 pr解选杆的左端为坐标原点， X轴沿杆的方向。在X处取一线段元dx. 其电量为?dx,它在q。处产生的场强大小为dE 4no£ d方向沿x轴

7、负向，整个杆上电荷在该点的场强为入1 dx4 n o£ 0 d?dxT .1-qo人qor|L一r dI ird习题10-2习题10-2解图方向沿x轴负向。点电荷q。所受的电场力为0.90N沿x轴负向。10-3 一均匀带电的正方形细框, 边长为I，总电量为q,求正方形轴线上离中心为x处的场强。解如图所示，根据对称性，点的 场强沿x轴正向，其大小(1)1/2E 4Eab 4 dE cos1/2式中, dE式/4l)dz4 or2xcos(3)r将式、式、式代入式得qx厂4 o(x2 l2/4)> X2 12/210-4 一带电细线弯成半径为R的半圆形，电荷线密度为 人中为一 =o

8、fein式常数，$为半径R与x轴所成的夹角，如图所示。试求环心场强度。0处的电解在©处取一线段元dl，其电量为dq ?dl 入 Rsin 枢 0它在。处产生的场强为入 sin $d 0在x、y轴上的两个分量dEx dE cos 0dEy dE sin 0根据对称性可知Ex dExO习题10-4解图EydEy也sin2枢04 n oER 08TRE Exi Eyj10-5 一无限长”圆柱面，其电荷面密度由下式决定:c= oocos 0式中，为一常数，。角为半径R与x轴之间所夹的角，试求圆柱轴线上一点的场 强。解将圆柱面分成许多与轴线平行的细长条，每条可视为无限长均匀带电直 线，其电荷线

9、密度为习题10-5入 oo cos Od 0它在。点产生的场强为dE cos (d 02 n oR 2 n oE在x、y岫上的两个分量dEx dE cos ( d cos2 (d (2 n o£dEydE sin (Oosin (cos (2 n 0£积分Oo 2COSOo22n o&2n OEy sin (dsin ( 002nOEE Exi2£o106图中虚线所示为一立方形的高斯面，已知空间的场强分布为Ex=bx, Ey=O, Ez=O高斯面边长a=0.1m，常数b=1000N/(Cm)。试求该闭合曲面中包含的 净电 荷。解 设闭合面内包含净电荷的电量

10、为Q因电场只有分量，故只有左右两侧的平面电通量不为零。由高斯定理得习题10-6S2 Ssoa2b X2 Xi©ba3E.S E2S2Q %S E2 Ei2 a b 2a a8.85 1012C10-7 (1)点电荷q位于边长为a的正立方体的中心，通过此立方体的每 一面的电通量各是多少？若点电荷移至正立方体的一个顶点上，那么通过每个面的电 通量又各是多少？解(1)点电荷q位于正立方体的中心，正立方体的六个面对该电荷来说都是等同的。因此通过每个面的电通量相等，且等于总电通量的1/6。对正立方体的某一面，其电通量为E dS 1 E dS ei s 6 s根据高斯定理，有所以当点电荷移至正立

11、方体的一个顶点上时，设想以此顶点为中心，作边长为2a并且与原边平行的大正方体，如图所示。与 (1)相同，这个大正方体的每个面上的电通量都相等，且均等于q/6 o，对原正方体而言，只有交于A点的三个面上有电场线穿过，每个面的面积是大正方体一个面的面积的1/4,则每个面的电通量也是大正方体一个面的电通量的1/4，即q/24。，原正方体的其他不与A点相交的三个面上的电通量均为零。108实验表明，在靠近地面处有相当强的电场，电场强度E垂直于地 面向 下，大小约为100N/C ;在离地面1.5km高的地方，E也是垂直于地面向 下的，大小 约为25N/C。(1)试计算从地面到此高度大气中电荷的平均体密度；

12、(2 )假设地球表面处的电场强度完全是由均匀分布在地表面的电荷产 生，求 地面上的电荷面密度。解(1)设电荷的平均体密度为P取圆柱形高斯面(侧面垂直底面，底面AS平 行地面)上下底面处的场强分别为日和E2,则通过高斯面的电通量为(见图(a)包围的电荷+茁2/(b)习题10-8解军图E dS E2 AS Ei AS E2 Ei ASqih ASp(S内)由图斯定理得E2 Ei ASh AS p1133pE2 巳 4.43 10C/m3h(2)设地面面电荷密度为。由于电荷只分布在地表面，所以电力线终止于地 面，取如图(b)所示高斯面由高斯定理-EdSo %E 8.9 101/m210-9 一无限大

13、均匀带电厚壁，壁厚为D，体电荷密度为p,求其电场分布并画出E-d曲线。d为垂直于壁面的坐标，原点在厚壁的中心。解根据电荷分布对壁的平分面的面对称性，可知电场分布也具有这种对称性。由此可选平分面与壁的平分面重合的立方盒子为高斯面，如图(a)所示。由高斯定理E 2sq 内/ %习题10-9解军图(b)习题10-9解图(a)当d<D/2时,q内2dsp E当地/2时，q内DSpE 黑E-d曲线如图(b)所示。10-10 一半径为R的带电球体,其电荷体密度分布为p-4 (rt) (q为一正的常数)nR p=0 (r>R)试求：带电球体的总电量；(2)球内、外各点的电场强度；球内、外各点 的

14、电势。解(1)在球内取半径为r、厚度dr的薄球壳，该壳内所包含的电量为dq pdV 24 4nr2drdrnR4R4则球体所带的总电量(2)在球内作一半径为。高斯球面，按高斯定理有1 qr 4 4nr2dr qr1%o°nR%R42得E 亚4 (A R), E1方向沿半径向外。在球体外作半径为2的高斯 4neoR球面，按高斯定理有4nr2 E2 q / £o得Ei - 2(r2 R),及方向沿半径向外。4 nso D(3)球内电势球外电势RUi Ei drB 2H qr4nse R3ne0 RU2E2drr2E2drdrR 4neori2 ne0 R43n时(n R)-dr

15、 r2 4ne0 r4neo r2 R)iO-ii 一球体内均匀分布着电荷体密度为P的正电荷，若保持电荷分布不变，在该球体内挖去半径为 r的一个小球体，球心为0,两球心间距离oo'=如图所示，求：(i)在球形空腔内，球心。'处的电场强度 E。；在球体内P点处的电场强度E。设0、 0、P三点在同一直径上，且oP=d。习题iO-ii解(i)挖去电荷体密度为p的小球形成的球腔，与在球体内同一位置放上电荷体密度为 因而空间场强为两球体产生的场强的叠加，即P的同样大小的球体等效。Eo &E2以。点为球心，oo'=d为半径作球面为高斯面S。则> EidS Ei 4nd

16、2S4nd3Ei d3 £0因o'点为小球体的球心，所以 E2=0, Eo=Ei+E2= pd(3£)，方向由。 指向O1。:EdSsi 4nd3E 4 nd £(2)分别以0、。点为球心，过P点作球面为高斯面，则Ei d/(3 o)2cE2EEE24 2d 4 r3/3。i2 od3rE23若E>0 ,方向。由点指向p点；若E<0，方向P由点指向。点。10-12电荷以相同的面密度扮布在半径为ri=10cm和r2=20cm的两个同心球面上，设无限远处电势为零，球心处的电势为Uo=300Vo(1) 求电荷面密度 00若要使球心处的电势也为零，外球

17、面上应放掉多少电荷？解(1)球心处的电势为两个同心带电球面各自在球心处产生的电势的叠加，即1 qi q2 1 4nA o4nL °（，（一24 ne0 1 r 24 ne。 1°&J 8.85 10 9C/m2(2) 设外球面上放电后电荷面密度为0,则应有U o(12)0外球面上应变成带负电，共应放掉电荷为221q42 () 42 (1)242(12)4。1。26.67 10 9C10-13图示为一个均匀带电的球层，其电荷体密度为p,球层内表面半径为，外表面半径为R2，设无穷远处为电势零点，求空腔内任一点的电势。解由高斯定理可知空腔内E=0，故带电球层的空腔是等势区

18、， 各点电 势均为U。在球层内取半径为rT r+dr的薄球层，其电量为dq 4 r2dr该薄层电荷在球心处产生的电势为dll o dq /4 or rdr /- IU. dU,rdr -（R： R 2）oR,2。因为空腔内为等势区，所以空腔内任一点的电势Uo若根据电势定义UEdl计算，结果 也相同。10-14 一锥顶角为B的圆台 > 上卜底面下 半径分别为R和R；,在它的侧面上均匀带电，电 彳才面密度0，求顶点0的电势（以无穷远 处为电 势零点）。/C习题10-13R2)A /习题10-14解如图所示，以顶点0作坐标原点，圆锥轴线为x轴向下为正。在任意位 置x处取高度为dx的小圆环，其面

19、积为-dxdS 2 nrcos( 0 / 2) cos( 0/2)其上电量为dq dS2旦ddxcos( /2)xdx习题10-14解图它在。点产生的电势为习题10-15dU dqdq圆盘在该处的场强为E2R2)iE BE2x2 R2 x2该点电势为xdx02 2'(R、R2 x2)010-16 一对无限长的共轴直圆筒，半径分别为R和R2,筒面上均匀带电,沿轴线单位长度的电量分别为和2。(1)求各区域的场强；(2)求各区域的电势；若仁 2,求两筒间的电势差。(取1/R0)解(1)由于电荷分布是铀对称的，所以电场具有轴对称性。当r6时，Ei=0当 R r R2 时，E2-2 or当 r

20、&时，E3 2 or(2)取，r0,则RiE dr 0当R r R2时,RiE2dr1 drorR2RR2rEsdrr E2 dr r21 2 R2-InRiIn - 2 or0R2(3)若，则两筒之间的电势差为V Vr2 Vri drR2 2 orR 1 dr&2 °r10-17 一半径为R的无限长”圆柱形带电体，其电荷体密度为式 PAr(r 中A为常数，试求：<R)，(1)圆柱体内、外各点场强大小的分布；(2)选距离轴线的距离为1(DR)处为电势零点，计算圆柱体内、外各点 的电势分布。解(1)取半径为r、高为h的圆柱高斯面(如图所示)。面上各点 场强大小为E

21、并垂直与柱面。则穿过该柱面的电通量为:导 db 2 nhtr<R时，取一半径为d,厚d r、高h的圆筒，其电量为pdV 2nAhr2 dr则包围在高斯面内的总电量为习题10-17由图斯定理得pdV 2nAhr 2dr 2 nhr3/3 V032nhE2nAhr/(3©)解出E Ar2/(3M(r R)r>R时，包围在高斯面内的总电量为R2pd 2 nhr2 dr 2 nhR3/3/0由高斯定理 2 nhE 2nAhR3 /(3 ©)解出AR3©/) (r R)(2)计算电势分布1 AR3 drEdrrR 3© rA9T渴3 r)AFKh 3

22、Egr>R时EdriAR3 dr AR” IIn r3 E r 3 E10-18电量q均匀分布在长为21的细直线上，求下列各处的电势：(1)中垂面上离带电线段中心。为r处，并利用梯度关系求&(2)延长线上离中心。为z处，并利用梯度关系求Ez。解 如图所示，当P点在中垂面上时，取电荷元dq dz其在P点处产生的电势为dV4dz则P点的电势为dz22-In0习题10-19由电场与电势的梯度关系得Er厂。g：ri2dVgdx8 o(z x)lEzVz 4 o(z2 I2)如图（b）所示，当p点在延长线上时，取电荷元 dq dx 21dx其在P点处产生的电势为则P点的电势为dV80I由电

23、场与电势的梯度关系得讨论：如果P点在Ox轴负向，贝U Ez<0 ,故EzqA 2(Z>1 取 + 号；Z<1 » 取-号)4 o (z I )q，沿矢径方向1019如图所示,半径为R的均匀带电球面，带电量为上有一均匀带电细线，电荷线密度为人长度为I，细线近端离球心距离为ro。设球和线上的电荷分布不受相互作用影响，试求细线所受球面电荷的电场力和 细线在该电场中的电势能(设无穷远处的电势为零)。习题10-19解图解：如图所示，设X轴沿细线方向，原点在球心处，在X处取线元dx,其上电量为dq'= ?dx，该线元在带电球面的电场中所受电场力为2dF q 乃 x/(4

24、 n osx )整个细线所受电场力为q 入 ro1 dx q /IF24 n 0£ro x 4 冗也。I)方向沿x轴正向。电荷元在球面电荷电场中具有电势能为dW (q ?dx) /(4 n 哎)整个电荷在电场中具有电势能为W巫“空丑4 n o£ ro x 4 n oero10-20 一圆柱形电容器，外筒的直径为4cm，内柱的直径可以适当选择，若其 间充满各向同性的均匀电介质，该介质的击穿电场强度的大小为氏=2OOkV/cm。试 求该电容器可能承受的最高电压。解：设圆柱形电容器单位长度上带电量为人则电容器两极板之间的场强分布为E ”(2 n 0当电介质确定时，则击穿电场强度&

25、amp;一定，电容器内柱上允许的电荷线密度入值应为入 2 n rE电容器两极板间可能的电压为R R入RU E drdr rEoln r r 2 n rer式中，区为外柱的半径，r为内柱的半径，适当选择r的值，可使U有极大值。即 令dU /dr Eo ln(R/r) Eo 0d2U显然有,o故当r=r。时二R/e电容器可能承受的最高电压为U UmaxrEln (R/r ) RE, /e147 Vio-21 一接地的导体球，半径为R,原来不带电。今将一点电荷q放在球外距 球心的距离为r的地方，求球上的感应电荷总量。解：接地的导体球的电势包括球心处电势为零，点电荷 q在球心的电 势为q/4 n

26、76;f，设导体球上的感应电荷总量为则q，在球心的电势为qV4noR。由电势叠加原理q4nn 4nOER由此得10-22 半径为R的均匀带电球体，电量为Q，如图所示，在球体中开一直径通道，设此通道极细，不影响球体中的电荷及电场的原来的分布，在球体 外距离球心r处有一带同种电荷、电量为q的点电荷沿通道方向朝球 心。运动，试 计算该点电荷至少应具有多大的初动能才能到达球心 （设带电习题10-22球体内外的介电常数是0）。解：按高斯定理可求得球体内的电场强度B为Qr4 n oR(r R)球体外的电场强度引为Ei4 n osr2(r R)用场强的线积分求的球心0点的电势U。为Uo Eidr E2dr

27、rdr0"4 n o ER 03Q8 n oER2± dr4 noe R r球外离球心r处的电势5为Ur E2dr-L dr r4no£r4 n or点电荷从距球心r处到达球心处电场力作功为Aq(UrU)g(2R3r)8 n oRr根据动能定理A eK2 EK1（按题意设EK2=0）A AA(3r 2R)8nosRr10-23如图所示 ，一内半径为a、外半径为b的金属球壳,带有电量Q，r在球壳空腔内距离球心限处有一点电荷q。设无 远处为电势零点，试求：球壳内外表面上的电荷；（2）球心o点处，由球壳内表面上电荷产生的 电势；球心o点处的总电势。习题10-23解：（1

28、）由静电感应，金属球壳的内表面上有感应电荷.q，外表面上带电荷 q+Q。(2)不论球壳内表面上的感应电荷是如何分布的，因为任一电荷元离点的距离 都是a，所以由这些电荷在。点产生的电势为dq 4 n球心。点处的总电势为分布在球壳内外表面上的电荷和点电荷q在。点产生的电势的代数和，即Uo UqUqUoqqqQq4 n osr 4 n oa 4 n obq .11 rQ4 n oe r a b 4 n ob10.24 一个点电荷q放在一无限大接地金属平板上方h处。考虑到板面上紧邻处电场垂直于板面，且板面上感生电荷产生的电场在板面上下具有对 称性，试根据电场叠加原理求出板面上感生面电荷密度的分布。解：

29、如图习题1024解图所示，考虑距q为r'的两点a和b，二者分别位于 金属表面的上下，而且离金属表面非常近。点电荷q在a和b产生电场基本相 同，即EaEb 4no才由于在金属内部的b点，应该有Eb=0，所以金属表面的感应电荷在b点产生的电场应该是E “g-E'a。根据金属表E'a面上感应电荷的电场对于金属表面 应具有平面对称性，所以在外表面 的a点感应电荷的电场应为如图习 题1122解图所示，而E" a=E" b=E'b, E'% 的方向与 E'% 和平面成同样的角度。根据叠加原理，在表面紧邻处a点的电场应为Ea=E'a

30、+E" a，如图所示，垂直于表面，大小 为22 3T2cl 八 2qh 2Ea cos 0 4n (Xh r )而感应电荷的面密度应为6 SoEaqh2Mh2 r2)3/2习题10-2510-25 A、B、C是三块平行金属板，面积均为200cm2, A、B相距4.0mm. A、C相距2.0imu,B、C两板都接地（如图）。设A板带正电3.0 W7C，不计边缘效应，求B板和C板上的感应电荷，以及A板的电势。若在A、B间充以相对介电系数 宰二5的均匀电介质,再求B板和C板上的感应电荷,以及A板的电势。解：（1） A板带正电，B、C板接地，且两板在A板附近，所以A板上的电量q分布在左右两表

31、面上，分别设为中和q2,B板左面感应电荷应为q2,板右面 应为qi '于是有qqq由于AB间和AC间可视为匀强电场,则由题义UaUb UaUc即有0 AB EAB0 AC EAC可得g?) q? 2解式、式得B板上感应电荷为-q2=1.0 10 C, C板上感应电荷为-qi=-2.0 10 C。而A板电势(2)当AB间充满电介质时,有解式、式得B板上感应电荷c板上感应电荷%Eab5dAe 5d ab2107C10 7C10 7C10 7CUa Eab°ab 9.7 102V1026如图所示，一导体球带电 q=1.0 l(y8c,半径为r=ioOcm，球外 有两种均匀电介质&#

32、39;一种介质(=5.00)的厚度为d=l0.0cm，另一种介质为空气(%2=1 - 00)充满其余整个空间。D , 取 r=5.Ocm 或 15.0cm习题10-26当 r>(R+d)时DsEa 4n qT以r=0.05m代入E. 0, D. 0以r=0,15m代入E2 8.0 102V/mD2 %$E2 3.54 10 8C/m2以r=0.25m代入E3 1.44 103V/m(1)求离球心。为r处的电场强度E和电位移 或25.0cm，算出相应的E、D的量值；(2)求离球心o为r处的电势U r=5.0cm、 10.0cm ' 15.0cm、20.0cm 或 25.Ocm。算出

33、相应的 U的量值。解：(1)应用高斯定理可得当 r<R 时E.O, D,04 n qeeti r当 R<r<(R+d)时D2 - E24n2D3 %e327 10 8C/m(2)当1银时RdUi EidrEzdrEsdrrRRdq «(R 牟 1 ')4 n 0&刊 R Rd当 RW wR+d)时u2RdJ 51Ezdr Esdr q (Rd 4 no&&i r R d当r (R+d)时Esdr4 n of当 r=0.05m ,Ui 5.4 102 Vr=0> 10m , Ui 5.4 102Vr=0.15mU2 4.8 102

34、 Vr=0.20m,U2 4.5 102 Vr=0.25m,U3 3.6 102V0.25mmjiSA0.50mmKB0.25mm习题10-2710-27 一平行板电容器的每个板的面积为002/,两板相距0.5幽，放在一个金属盒子中，如图所示。电容器两板到盒子上下底面的距离各为0.25mm，忽略边缘效应，求此电容器的电容。如果将一个板和盒子用导线连接起 来，电容器的电容又是多少？解：原电容器和盒子相当于图（a）所示的组合电容器，总电容为CabAK BKakBKAK KBHHhT1ABi(a)AKAl B(b)习题10-27解图利用公式0= QS/d将已给数据代入,可求得10C7.08 10 F当一个板(如B板)和盒子相连后，就相当于图(b)所示的组合电容器，其 总电 容为C Cak Cab1.06 10 9 F1028同心导体球壳，其间充满相对介电常数为&的各向同性均匀电介质，外 球壳以外为真空，内球壳半径为R,带电量为Qi ;外球壳内、外半径分别为R2和R