大学物理 上海交通大学14章 课后习题答案

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1、习题1414-1．如图所示的弓形线框中通有电流，求圆心处的磁感应强度。解：圆弧在O点的磁感应强度：，方向：；直导线在O点的磁感应强度：，方向：；∴总场强：，方向。14-2．如图所示，两个半径均为R的线圈平行共轴放置，其圆心O1、O2相距为a，在两线圈中通以电流强度均为I的同方向电流。（1）以O1O2连线的中点O为原点，求轴线上坐标为x的任意点的磁感应强度大小；（2）试证明：当时，O点处的磁场最为均匀。解：见书中载流圆线圈轴线上的磁场，有公式：。（1）左线圈在x处点产生的磁感应强度：，右线圈在x处点产生的磁感应强度：，和方向一致，均沿轴线水平向右，∴点磁感应强度：；（2）因为

2、随变化，变化率为，若此变化率在处的变化最缓慢，则O点处的磁场最为均匀，下面讨论O点附近磁感应强度随变化情况，即对的各阶导数进行讨论。对求一阶导数：当时，，可见在O点，磁感应强度有极值。对求二阶导数：当时，，可见，当时，，O点的磁感应强度有极小值，当时，，O点的磁感应强度有极大值，当时，，说明磁感应强度在O点附近的磁场是相当均匀的，可看成匀强磁场。【利用此结论，一般在实验室中，用两个同轴、平行放置的匝线圈，相对距离等于线圈半径，通电后会在两线圈之间产生一个近似均匀的磁场，比长直螺线管产生的磁场方便实验，这样的线圈叫亥姆霍兹线圈】14-3．无限长细导线弯成如图所示的形状，其中部

3、分是在平面内半径为的半圆，试求通以电流时点的磁感应强度。解：∵a段对O点的磁感应强度可用求得，有：，∴b段的延长线过点，，c段产生的磁感应强度为：，∴则：O点的总场强：，方向如图。14-4．如图所示，半径为R的木球上绕有密集的细导线，线圈平面彼此平行，且以单层线圈均匀覆盖住半个球面。设线圈的总匝数为N，通过线圈的电流为I，求球心O的磁感强度。解：从O点引出一根半径线，与水平方向呈角，则有水平投影：，圆环半径：，取微元，有环形电流：，利用：，有：，∴。14-5．无限长直圆柱形导体内有一无限长直圆柱形空腔（如图所示），空腔与导体的两轴线平行，间距为，若导体内的电流密度均匀为，的

4、方向平行于轴线。求腔内任意点的磁感应强度。解：采用补偿法，将空腔部分看成填满了的电流，那么，以导体的轴线为圆心，过空腔中任一点作闭合回路，利用，有：，∴，同理，还是过这一点以空腔导体的轴线为圆心作闭合回路：，有：，由图示可知：那么，。14-6．在半径的无限长半圆柱形金属片中，有电流自下而上通过，如图所示。试求圆柱轴线上一点处的磁感应强度的大小。解：将半圆柱形无限长载流薄板细分成宽为的长直电流，有：，利用。在P点处的磁感应强度为：，∴，而因为对称性，那么，。14-7．如图所示，长直电缆由半径为R1的导体圆柱与同轴的内外半径分别为R2、R3的导体圆筒构成，电流沿轴线方向由一导体

5、流入，从另一导体流出，设电流强度I都均匀地分布在横截面上。求距轴线为r处的磁感应强度大小（）。解：利用安培环路定理分段讨论。（1）当时，有：∴；（2）当时，有：，∴；（3）当时，有：，∴；（4）当时，有：，∴。则：14-8．一橡皮传输带以速度匀速向右运动，如图所示，橡皮带上均匀带有电荷，电荷面密度为。（1）求像皮带中部上方靠近表面一点处的磁感应强度的大小；（2）证明对非相对论情形，运动电荷的速度及它所产生的磁场和电场之间满足下述关系：（式中）。解：（1）如图，垂直于电荷运动方向作一个闭合回路，考虑到橡皮带上等效电流密度为：，橡皮带上方的磁场方向水平向外，橡皮带下方的磁场方向

6、水平向里，根据安培环路定理有：，∴磁感应强度的大小：；（2）非相对论情形下：匀速运动的点电荷产生的磁场为：，点电荷产生的电场为：，∴，即为结论：（式中）。14-9．一均匀带电长直圆柱体，电荷体密度为，半径为。若圆柱绕其轴线匀速旋转，角速度为，求：（1）圆柱体内距轴线处的磁感应强度的大小；（2）两端面中心的磁感应强度的大小。解：（1）考察圆柱体内距轴线处到半径的圆环等效电流。∵，∴，选环路如图所示，由安培环路定理：，有：∴（2）由上述结论，带电长直圆柱体旋转相当于螺线管，端面的磁感应强度是中间磁感应强度的一半，所以端面中心处的磁感应强度：。14-10．如图所示，两无限长平行放

7、置的柱形导体内通过等值、反向电流，电流在两个阴影所示的横截面的面积皆为，两圆柱轴线间的距离，试求两导体中部真空部分的磁感应强度。解：因为一个阴影的横截面积为，那么面电流密度为：，利用补偿法，将真空部分看成通有电流，设其中一个阴影在真空部分某点处产生的磁场为，距离为，另一个为、，有：。利用安培环路定理可得：，，则：，，∴。即空腔处磁感应强度大小为，方向向上。14-11．无限长直线电流与直线电流共面，几何位置如图所示，试求直线电流受到电流磁场的作用力。解：在直线电流上任意取一个小电流元，此电流元到长直线的距离为，无限长