大学物理静电场中的导体和电介质习题答案

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1、第13章静电场中的导体和电介质P70．BoAPrArCrB图14.113．1一带电量为q，半径为rA的金属球A，与一原先不带电、内外半径分别为rB和rC的金属球壳B同心放置，如图所示，则图中P点的电场强度如何？若用导线将A和B连接起来，则A球的电势为多少？（设无穷远处电势为零）[解答]过P点作一个同心球面作为高斯面，尽管金属球壳内侧会感应出异种，但是高斯面内只有电荷q．根据高斯定理可得E4πr2=q/ε0，可得P点的电场强度为．当金属球壳内侧会感应出异种电荷-q时，外侧将出现同种电荷q．用导线将A和B连

2、接起来后，正负电荷将中和．A球是一个等势体，其电势等于球心的电势．A球的电势是球壳外侧的电荷产生的，这些电荷到球心的距离都是rc，所以A球的电势为．13．2同轴电缆是由半径为R1的导体圆柱和半径为R2的同轴薄圆筒构成的，其间充满了相对介电常数为εr的均匀电介质，设沿轴线单位长度上导线的圆筒的带电量分别为+λ和-λ，则通过介质内长为l，半径为r的同轴封闭圆柱面的电位移通量为多少？圆柱面上任一点的场强为多少？DS1S2S0rR2R1εrl[解答]介质中的电场强度和电位移是轴对称分布的．在内外半径之间作一个半

3、径为r、长为l的圆柱形高斯面，根据介质中的高斯定理，通过圆柱面的电位移通过等于该面包含的自由电荷，即Φd=q=λl．设高斯面的侧面为S0，上下两底面分别为S1和S2．通过高斯面的电位移通量为，可得电位移为D=λ/2πr，其方向垂直中心轴向外．电场强度为E=D/ε0εr=λ/2πε0εrr，方向也垂直中心轴向外．qobar图14.313．3金属球壳原来带有电量Q，壳内外半径分别为a、b，壳内距球心为r处有一点电荷q，求球心o的电势为多少？[解答]点电荷q在内壳上感应出负电荷-q，不论电荷如何分布，距离球心

4、都为a．外壳上就有电荷q+Q，距离球为b．球心的电势是所有电荷产生的电势叠加，大小为13．4三块平行金属板A、B和C，面积都是S=100cm2，A、B相距d1=2mm，A、C相距d2=4mm，B、C接地，A板带有正电荷q=3×10-8C，忽略边缘效应．求qABC图14.4（1）B、C板上的电荷为多少？（2）A板电势为多少？[解答](1)设A的左右两面的电荷面密度分别为σ1和σ2，所带电量分别为q1=σ1S和q2=σ2S，在B、C板上分别感应异号电荷-q1和-q2，由电荷守恒得方程q=q1+q2=σ1S+

5、σ2S．①A、B间的场强为E1=σ1/ε0，A、C间的场强为E2=σ2/ε0．设A板与B板的电势差和A板与C板的的电势差相等，设为ΔU，则ΔU=E1d1=E2d2，②即σ1d1=σ2d2．③解联立方程①和③得σ1=qd2/S(d1+d2)，所以q1=σ1S=qd2/(d1+d2)=2×10-8(C)；q2=q-q1=1×10-8(C)．B、C板上的电荷分别为qB=-q1=-2×10-8(C)；qC=-q2=-1×10-8(C)．(2)两板电势差为ΔU=E1d1=σ1d1/ε0=qd1d2/ε0S(d1+

6、d2)，由于k=9×109=1/4πε0，所以ε0=10-9/36π，因此ΔU=144π=452.4(V)．由于B板和C板的电势为零，所以UA=ΔU=452.4(V)．Pq1q2ABq图14.513．5一无限大均匀带电平面A，带电量为q，在它的附近放一块与A平行的金属导体板B，板B有一定的厚度，如图所示．则在板B的两个表面1和2上的感应电荷分别为多少？[解答]由于板B原来不带电，两边感应出电荷后，由电荷守恒得q1+q2=0．①虽然两板是无限大的，为了计算的方便，不妨设它们的面积为S，则面电荷密度分别为σ

7、1=q1/S、σ2=q2/S、σ=q/S，它们产生的场强大小分别为E1=σ1/ε0、E2=σ2/ε0、E=σ/ε0．在B板内部任取一点P，其场强为零，其中1面产生的场强向右，2面和A板产生的场强向左，取向右的方向为正，可得E1-E2–E=0，即　σ1-σ2–σ=0，或者说　q1-q2+q=0．②解得电量分别为q2=q/2，q1=-q2=-q/2．σ2σ1σ4σ3图14.613．6两平行金属板带有等异号电荷，若两板的电势差为120V，两板间相距为1.2mm，忽略边缘效应，求每一个金属板表面的电荷密度各为多

8、少？[解答]由于左板接地，所以σ1=0．由于两板之间的电荷相互吸引，右板右面的电荷会全部吸引到右板左面，所以σ4=0．由于两板带等量异号的电荷，所以σ2=-σ3．两板之间的场强为E=σ3/ε0，而　E=U/d，所以面电荷密度分别为σ3=ε0E=ε0U/d=8.84×10-7(C·m-2)，σ2=-σ3=-8.84×10-7(C·m-2)．13．7一球形电容器，内外球壳半径分别为R1和R2，球壳与地面及其他物体相距很远．将内球用细导线接地．试