物理学(第三版)刘克哲,张承琚第12章

第十二章电磁感应和麦克斯为电磁理论

§12-1 电磁感应及其基本规律

一、电磁感应现象：穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路中有感生电流产生。

二、电磁感应定律

（一）法拉第电磁感应定律

1、定律：通过回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中所产生的感应电动势与磁通量对时间变化率的负值成正比。

d i Φε-

2、讨论

（1）符号问题（楞次定律的反映） a. 选定回路的绕行方向n

→ b. 定dt

d ΦΦ及

的正负

和绕行方向反

＜和绕行方向同,,{

d i i i 00εεΦε>-

说明：实际应用中多用楞次定律定i ε的方向，用法拉第定律算i ε。

（2）通过回路任一截面的电量

dt I dq i =,?ΦR

q 1=，与移动（变化）快慢无关

（3）N 匝线圈串联

d dt

)N (d dt

d N

N i ψΦΦεε-

=-==1

：磁通匝链数。

（二）楞次定律：闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化的。也可以表述为，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因的。三、感应电动势

由上两个实验可知：当通过一个闭合导体回路的磁通量变化时，不管这种变化的原因如

同向

与反向与L ,,dt

d L ,,dt

d {i i

00000><<>>εΦ

εΦ

反向

’与反抗，B B ,

B d 0>同向

’与补偿，＜B B ,

B d 0

何（如：线圈运动，变；或不变线圈运动），回路中就有电流产生，这种现象就是电磁感应现象，回路中电流称为感应电流。

§12-2 互感和自感

一、互感现象

1、互感系数：

定义 2

I I M ΦΦ=

2、互感电动势二、自感

1、自感系数：：I

L Φ=

2、自感电动势

dI L

LI d dt

d L -=-

=Φ-

=)(ε

§12-3涡流和趋肤效应

一、涡流

当大块导体处于变化的磁场中或在磁场中运动时，在导体内部会产生感应电流，因为这种电流呈涡旋状，故称涡电流，简称涡流。二、趋肤效应

当交变电流通过导线时，电流密度在导线横截面上的分布将是不均匀的，并且随着电流变化频率的升高，电流将越来越集中于导线的表面附近，导线内部的电流却越来越小，这种现象称为趋肤效应。引起趋肤效应的原因就是涡流。。

由于趋肤效应的产生，使导线通过交变电流的有效截面积减小了，导线的电阻增大了。为改善涡流所造成的这种不利情形，通常采用两种方法：一种方法是采用相互绝缘的细导线束来代替总截面积与其相等的实心导线，这种方法实际上是抑制涡流；另一种方法是在导线表面镀银, 这种方法实际上是降低导线表面的电阻率。

§12-4磁场的能量

一、磁场能 1、磁场能

LI ILdI A W I m =

2、用场量来表示磁场的能量

长直螺线管：

nI H ,nI B ,I n L ===μμ2

μ22

V B BHV VI

n LI

W m =

一、磁场能量体密度

??==

m m m m m dV

W d W B

BH V

W ωμ

ω22

§12－5 超导体的电磁特性

一、超导体的主要电磁特性 1. 零电阻性 2. 临界磁场

实验发现，当把超导体放于磁场中，保持温度不变，而逐渐增大磁场，当磁感应强度达到某特定值时，超导态转变为正常态。

3. 迈斯纳效应

无论是将超导体放置于磁场中并仍保持超导态，还是在磁场中将物体由正常态转变为超导态，超导体都将把磁感应线完全排斥到体外去, 这种现象称为迈斯纳(w.f.meissner, 1882-1974)效应，或称完全抗磁性。实

4. 同位素效应

实验发现，同一种超导材料的不同同位素的临界温度t c 与同位素的原子量m 有如下关系

这种特性称为同位素效应。同一种材料的不同同位素在化学性质、晶体结构、电子组态以及静电性质等方面都是相同的，只是不同的原子量对晶体点阵的热振动(称为晶格振动)的特性有影响。所以，超导体的同位素效应暗示了电子与晶格之间的相互作用是超导现象中的重要因素，为超导电性的研究提供了重要启示。

*二、对超导体主要电磁特性的解释

按二流体模型并认为超导电子就是库珀对，利用电磁学规律可以解释超导体的零电阻性和完全抗磁性。

根据二流体模型，超导体内存在两种电子，其中正常电子提供的电流j n 是依靠电场的作用来维持的，并遵从欧姆定律

j n =σ e

而对于超导电子来说，电场的作用使它产生加速度，因而遵从下面的关系

式中m s 、e s 和v 分别是超导电子的质量、电量和速度。若超导电子的数密度为n s ，则超导电流密度可以表示为

j s = -n s e s v

将式(11-84)与式(11-83)联立，可得

上式称为伦敦(f.london and h.london)第一方程，它反映了超导体的零电阻性。对于恒定的超导电流，由伦敦第一方程可以得到

这表示，当超导体内有恒定的超导电流时，内部的电场等于零。再根据式(11-82)，必定

j n =0，即此时超导体内只存在无损耗的超导电流。对于交变的超导电流，，所以e ≠

0，必定j n ≠ 0，表明这时超导体内存在交流损耗。

为了反映超导体的完全抗磁性，还必须引出另一个方程来。将伦敦第一方程代入法拉第电磁感应定律的微分形式，即式

可得

或改写为

.(11-87)

于是可以得到

假定这个恒矢量为零，由上式即得

上式称为伦敦第二方程，它表明，超导电流是与磁场相联系的，或者说超导电流是

由磁场来维持的。

用伦敦第二方程可以解释超导体的完全抗磁性。

§12-6 麦克斯韦电磁理论

一、位移电流密度

d ??=

D j

二、位移电流 dt

d d dt d

d t

d I S

d d ψ=

???=

S D S D S j ，

三、全电流定律

???+

+==?S

d r L

d )t

(I I I d S

D j l H

其中d r I I I +=为全电流。四、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组(积分形式)

???

????

????+=?=????-=?=????????S l

S S l V S d t d d d t d dV d S D j l H S B S B l E S D )(0ρ §12-7 电磁波的产生和传播

一、从电磁振荡到电磁波二、偶极振子发射的电磁波三、赫兹实验

*§12-8电磁波理论

1、电磁波是横波，电矢量e 和磁矢量b 都与传播方向相垂直；

二、电矢量e 与磁矢量b 互相垂直，并与传播方向k 满足右螺旋关系； 3、电矢量e 和磁矢量b 的振动同相位；

4、电矢量e 和磁矢量b 的振幅成比例，波线上同一点瞬时值之间满足同样的比例；

5、电磁波的传播速度为

在真空中为

与真空中的光速相同。

*§12-9 电磁场的能量和动量

一、电磁场的能量密度和能流密度

单位时间内通过边界面单位面积流动的电磁能，即能流密度矢量，或称坡印亭(j.h.poynting, 1852-1914)矢量，为

s = e ? h

上式所表示的是电磁波的瞬时能流密度，在实际问题中常用其在一个周期内的平均值，即平均能流密度，也称波的强度。对于简谐平面波，平均能流密度可以表示为

式中e0和h0分别是电磁波的电矢量和磁矢量的峰值。

所以，系统的电磁场能量密度为

电磁场在一个周期内的平均值，称为平均能量密度，对于平面简谐波可以表示为

二、电磁场的动量和光压

. (11-152)

前面我们已经得到了电磁波单位体积的能量为w，从上式可以得到电磁波单位体积的动量，即动量密度为

则：

s = wc

动量是矢量，动量密度也是矢量，其方向与波的传播方向一致，即与能流密度矢量s 的方向一致，故可表示为

对于全反射，=，物体表面所受压强为

物体表面所受压强在一个周期内的平均值，称为平均压强

对于全吸收，= 0，物体表面所受压强为

平均压强为

光压很小，不通过精密实验测量是很难察觉到的。例如，在地球公转轨道上一个全吸收平面所受太阳辐射产生的光压约为5?10-6n?m-2。但是在宇宙天体中和在微观世界里，光压却常常起着重要的作用，导致重要的现象。

大学基础物理学复习提纲1

第一章运动和力一、质点运动学 1、位置矢量k z j y i x r 运动方程:k t z j t y i t x t r )()()()( 分量式:)(t x x )(t y y )(t z z (消去t 得轨道方程) 2、位移12r r r k z z j y y i x x )()()(121212 3、速度: k dt dz j dt dy i dt dx dt r d v 分量式:dt dx v x dt dy v y dt dz v z 速度大小: 2 22z y x v v v v 速度方向：沿路径的切线方向 4、速率: dt ds v (速率等于速度大小) 5、加速度 k dt dv j dt dv i dt dv dt v d a z y x 分量式: 22dt x d dt dv a x x 22dt y d dt dv a y y 2 2dt z d dt dv a z z 加速度的大小: 2 22z y x a a a a 6、角位置：)(t (运动方程) 7、角速度： dt d 8、角加度： dt d 9、切向加速度和法向加速度： n t a a a 分量式: R dt dv a t （速度大小变化产生） 2 2 R R v a n （速度方向变化产生）

总加速度大小: 2 2n t a a a 方向: n t a a tan 45 t n a a 线量与角量的关系式： 10、相对运动：注意 : 运动学两类问题的计算 (1)已知运动方程求速度和加速度—微分 (2)已知加速度和初始条件求速度和运动方程—积分例：1、已知：j t i t r )105()10(3 2 j t i dt v d a 602 解： adt dv dt dv a , t v tdt dv 0 6 2 3t v 又因： vdt dx dt dx v , x t dt t dx 10 23 3 10t x 二牛顿运动定律 1、牛顿第一定律：惯性定律 2、牛顿第二定律：dt v m d dt P d F )( 当v<

大学物理学第三版课后习题参考答案

习题 1 1.1选择题 (1) 一运动质点在某瞬时位于矢径),(y x r 的端点处，其速度大小为 (A)dt dr (B)dt r d (C)dt r d | | (D) 22)()(dt dy dt dx [答案：D] (2) 一质点作直线运动，某时刻的瞬时速度s m v /2 ，瞬时加速度 2/2s m a ，则一秒钟后质点的速度 (A)等于零 (B)等于-2m/s (C)等于2m/s (D)不能确定。 [答案：D] (3) 一质点沿半径为R 的圆周作匀速率运动，每t 秒转一圈，在2t 时间间隔中，其平均速度大小和平均速率大小分别为 (A) t R t R 2, 2 (B) t R 2,0 (C) 0,0 (D) 0,2t R [答案：B] 1.2填空题 (1) 一质点，以1 s m 的匀速率作半径为5m 的圆周运动，则该质点在5s 内，位移的大小是；经过的路程是。 [答案： 10m ； 5πm] (2) 一质点沿x 方向运动，其加速度随时间的变化关系为a=3+2t (SI)，如果初

始时刻质点的速度v 0为5m ·s -1 ，则当t 为3s 时，质点的速度v= 。 [答案： 23m ·s -1 ] (3) 轮船在水上以相对于水的速度1V 航行，水流速度为2V ，一人相对于甲板以速度3V 行走。如人相对于岸静止，则1V 、2V 和3V 的关系是。 [答案： 0321 V V V ] 1.3 一个物体能否被看作质点，你认为主要由以下三个因素中哪个因素决定： (1) 物体的大小和形状； (2) 物体的内部结构； (3) 所研究问题的性质。解：只有当物体的尺寸远小于其运动范围时才可忽略其大小的影响，因此主要由所研究问题的性质决定。 1.4 下面几个质点运动学方程，哪个是匀变速直线运动？（1）x=4t-3；（2）x=-4t 3+3t 2+6；（3）x=-2t 2+8t+4；（4）x=2/t 2-4/t 。给出这个匀变速直线运动在t=3s 时的速度和加速度，并说明该时刻运动是加速的还是减速的。（x 单位为m ，t 单位为s ）解：匀变速直线运动即加速度为不等于零的常数时的运动。加速度又是位移对时间的两阶导数。于是可得（3）为匀变速直线运动。其速度和加速度表达式分别为 t=3s 时的速度和加速度分别为v =20m/s ，a =4m/s 2。因加速度为正所以是加速的。 1.5 在以下几种运动中，质点的切向加速度、法向加速度以及加速度哪些为零

物理学第三版(刘克哲张承琚)课后习题答案第六章

[物理学6章习题解答] 6-1 有一个长方体形的水库，长200 m ，宽150 m ，水深10 m ，求水对水库底面和侧面的压力。解水对水库底面的压力为侧面的压力应如下求得：在侧面上建立如图5-9所示的坐标系，在y 处取侧面窄条d y ，此侧面窄条所受的压力为 , 整个侧面所受的压力可以表示为 . 对于h = 10 m 、l = 200 m 的侧面： . 对于h = 10 m 、l = 150 m 的侧面： . 侧面的总压力为 . 6-3 在5.0?103 s 的时间内通过管子截面的二氧化碳气体(看作为理想流体)的质量为0.51 kg 。已知该气体的密度为7.5 kg ?m -3 ，管子的直径为2.0 cm ，求二氧化碳气体在管子里的平均流速。解单位时间内流过管子截面的二氧化碳气体的体积，即流量为 , 平均流速为 . 图5-9

6-4 当水从水笼头缓慢流出而自由下落时，水流随位置的下降而变细，何故？如果水笼头管口的内直径为d ，水流出的速率为v 0 ，求在水笼头出口以下h 处水流的直径。解当水从水笼头缓慢流出时，可以认为是定常流动，遵从连续性方程，即流速与流管的截面积成反比，所以水流随位置的下降而变细，如图5-10所示。可以认为水从笼头流出后各处都是大气压，伯努利方程可以写为 , 改写为 , (1) . 这表示水流随位置的下降，流速逐渐增大。整个水流可以认为是一个大流管，h 1处的流量应等于h 2处的流量，即 . (2) 由于 , 所以必定有 , 这表示水流随位置的下降而变细。根据题意，，，h 2处的流速为v 2，代入式(1)，得 , 即 .(3) 将式(3)代入式(2)，得 , 式中d 1 = d ，d 2就是在水笼头出口以下h 处水流的直径。上式可化为 . 图5-10

大学物理课后习题答案(北邮第三版)下

大学物理习题及解答 8-1 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 20 220)33(π4130cos π412a q q a q '=?εε 解得 q q 33 - =' (2)与三角形边长无关．题8-1图题 8-2图 8-2 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2θ,如题8-2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 ????? ===22 0)sin 2(π41sin cos θεθθl q F T mg T e 解得 θ πεθtan 4sin 20mg l q = 8-3 根据点电荷场强公式 204r q E πε= ，当被考察的场点距源点电荷很近(r →0)时，则场强 →∞，这是没有物理意义的，对此应如何理解? 解: 2 0π4r r q E ε= 仅对点电荷成立，当0→r 时，带电体不能再视为点电荷，再用上式求场强是错误的，实际带电体有一定形状大小，考虑电荷在带电体上的分布求出的场强不会是无限大． 8-4 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 ．则这两板之间有相互作用力f ，有人说f =2 02 4d q πε,又有人说，因为f =qE , S q E 0ε= ，所

大学基础物理学答案(习岗)第2章

第二章气体动理论 1. 气体的微观图像与宏观性质 ·气体是由大量分子组成的，1mol 气体所包含的分子数为2310023.6?。分子之间存在相互作用力。分子在做永不停息的无规则的运动，其运动程度与温度有关。 ·在分子层次上，理想气体满足如下条件：（1）分子本身的大小与分子之间平均距离相比可以忽略不计，分子可看作质点。（2）除碰撞的瞬间以外，分子之间的相互作用力可以忽略不计，分子所受的重力也忽略不计。（3）气体分子间的碰撞以及分子与器壁之间的碰撞为完全弹性碰撞。 2. 理想气体压强与温度 ·理想气体的压强公式 εn v nm p 3 2 312== 其中， 22 1 v m =ε，称分子平均平动动能，它表征了分子运动的剧烈程度。。 ·理想气体的温度公式 3 2 kT ε= 温度公式表明，温度是大量分子热运动剧烈程度的标志。 3. 阿伏伽德罗定律在相同的温度和压强下，各种气体在相同体积内所包含的分子数相同。 4. 道尔顿分压定律混合气体的压强等于各种气体的分压强之和。 5. 麦克斯韦速率分布 ·在平衡态下，气体分子服从如下麦克斯韦速率分布规律 232 22d 4d 2mv kT N m e v v N kT ππ- ?? = ???

·麦克斯韦速率分布函数 2 322d ()4d 2mv kT N m f v e v N v kT ππ- ?? == ? ?? 其表征了处于起点速率为v 的单位速率区间内的分子数占总分子数的百分比。 6. 分子速率的三种统计值从麦克斯韦速率分布规律可以导出分子速率的三种统计值 ·最概然速率 P v = P v 表明气体分子速率并非从小到大平均分配，速率太大或太小的分子数很少，速率在P v 附近的分子数最多。 ·平均速率 v = 平均速率v 是描述分子运动状况的重要参量，为所有分子的速率之和除以总分子数。 ·方均根速率 = 7. 能量均分定理 ·描述一个物体空间位置所需的独立坐标数称该物体的自由度。单原子分子的自由度为3，刚性双原子分子的自由度为5，非刚性双原子分子的自由度为6。 ·能量均分定理在温度为T 的气体中，分子热运动动能平均分配到分子的每个自由度上，每个自由度的平均动能都是1 2 kT 。 8. 理想气体的内能 · 每个气体分子的热运动动能以及分子与分子之间相互作用势能的和构成了气体的总能量，这个能量称为气体的内能。 · 1mol 理想气体的内能为 0A 22 i i E N kT RT ??== ???

大学物理学(第三版)第二章课后标准答案

习题2 2.1 选择题 (1) 一质点作匀速率圆周运动时， (A)它的动量不变，对圆心的角动量也不变。 (B)它的动量不变，对圆心的角动量不断改变。 (C)它的动量不断改变，对圆心的角动量不变。 (D)它的动量不断改变，对圆心的角动量也不断改变。 [答案：C] (2) 质点系的内力可以改变 (A)系统的总质量。 (B)系统的总动量。 (C)系统的总动能。 (D)系统的总角动量。 [答案：C] (3) 对功的概念有以下几种说法： ①保守力作正功时，系统内相应的势能增加。 ②质点运动经一闭合路径，保守力对质点作的功为零。 ③作用力与反作用力大小相等、方向相反，所以两者所作功的代数和必为零。在上述说法中： (A)①、②是正确的。 (B)②、③是正确的。 (C)只有②是正确的。 (D)只有③是正确的。 [答案：C] 2.2填空题 (1) 某质点在力i x F )54(+=（SI ）的作用下沿x 轴作直线运动。在从x=0移动到x=10m 的过程中，力F 所做功为。 [答案：290J ] (2) 质量为m 的物体在水平面上作直线运动，当速度为v 时仅在摩擦力作用下开始作匀减速运动，经过距离s 后速度减为零。则物体加速度的大小为，物体与水平面间的摩擦系数为。 [答案：2 2 ;22v v s gs ] (3) 在光滑的水平面内有两个物体A 和B ，已知m A =2m B 。（a ）物体A 以一定的动能E k 与静止的物体B 发生完全弹性碰撞，则碰撞后两物体的总动能为；（b ）物体A 以一定的动能E k 与静止的物体B 发生完全非弹性碰撞，则碰撞后两物体的总动能为。 [答案：2; 3 k k E E ] 2.3 在下列情况下，说明质点所受合力的特点：（1）质点作匀速直线运动；（2）质点作匀减速直线运动；（3）质点作匀速圆周运动；（4）质点作匀加速圆周运动。解：（1）所受合力为零；

物理学第三版(刘克哲张承琚)课后习题答案第十一章

[物理学11章习题解答] 11-1 如果导线中的电流强度为8.2 a ，问在15 s 内有多少电子通过导线的横截面？解设在t 秒内通过导线横截面的电子数为n ，则电流可以表示为 , 所以 . 11-2 在玻璃管内充有适量的某种气体，并在其两端封有两个电极，构成一个气体放电管。当两极之间所施加的电势差足够高时，管中的气体分子就被电离，电子和负离子向正极运动，正离子向负极运动，形成电流。在一个氢气放电管中，如果在3 s 内有2.8?1018 个电子和1.0?1018 个质子通过放电管的横截面，求管中电流的流向和这段时间内电流的平均值。解放电管中的电流是由电子和质子共同提供的，所以 . 电流的流向与质子运动的方向相同。 11-3 两段横截面不同的同种导体串联在一起，如图11-7所示，两端施加的电势差为u 。问： (1)通过两导体的电流是否相同？ (2)两导体内的电流密度是否相同？ (3)两导体内的电场强度是否相同？ (4)如果两导体的长度相同，两导体的电阻之比等于什么？ (5)如果两导体横截面积之比为1: 9，求以上四个问题中各量的比例关系，以及两导体有相同电阻时的长度之比。解 (1)通过两导体的电流相同，。 (2)两导体的电流密度不相同，因为 , 又因为 , 所以 . 这表示截面积较小的导体电流密度较大。图11-7

(3)根据电导率的定义 , 在两种导体内的电场强度之比为 . 上面已经得到，故有 . 这表示截面积较小的导体中电场强度较大。 (4)根据公式 , 可以得到 , 这表示，两导体的电阻与它们的横截面积成反比。 (5)已知，容易得到其他各量的比例关系 , , , . 若，则两导体的长度之比为 . 11-4两个同心金属球壳的半径分别为a和b(>a)，其间充满电导率为σ的材料。已知σ是随电场而变化的，且可以表示为σ = ke，其中k为常量。现在两球壳之间维持电压u，求两球壳间的电流。解在两球壳之间作一半径为r的同心球面，若通过该球面的电流为i，则 . 又因为 , 所以

大学基础物理学课后习题答案_含思考题(1)

大学基础物理课后答案主编：习岗高等教育出版社

第一章思考题： <1-4> 解：在上液面下取A 点，设该点压强为A p ，在下液面内取B 点，设该点压强为B p 。对上液面应用拉普拉斯公式，得 A A R p p γ20= - 对下液面使用拉普拉斯公式，得 B B 02R p p γ= - 又因为 gh p p ρ+=A B 将三式联立求解可得 ??? ? ??-= B A 112R R g h ργ <1-5> 答：根据对毛细现象的物理分析可知，由于水的表面张力系数与温度有关，毛细水上升的高度会随着温度的变化而变化，温度越低，毛细水上升的高度越高。在白天，由于日照的原因，土壤表面的温度较高，土壤表面的水分一方面蒸发加快，另一方面土壤颗粒之间的毛细水会因温度升高而下降，这两方面的原因使土壤表层变得干燥。相反，在夜间，土壤表面的温度较低，而土壤深层的温度变化不大，使得土壤颗粒间的毛细水上升；另一方面，空气中的水汽也会因为温度下降而凝结，从而使得清晨时土壤表层变得较为湿润。 <1-6> 答：连续性原理是根据质量守恒原理推出的，连续性原理要求流体的流动是定常流动，并且不可压缩。伯努利方程是根据功能原理推出的，它的使用条件是不考虑流体的黏滞性和可压缩性，同时，还要求流动是定常流动。如果流体具有黏滞性，伯努利方程不能使用，需要加以修正。 <1-8> 答：泊肃叶公式适用于圆形管道中的定常流动，并且流体具有黏滞性。斯托克斯公式适用于球形物体在黏滞流体中运动速度不太大的情况。练习题： <1-6> 解：设以水坝底部作为高度起点，水坝任一点至底部的距离为h 。在h 基础上取微元d h ，与之对应的水坝侧面面积元d S （图中阴影面积）应为坡长d m 与坝长l 的乘积。练习题1-6用图 d h d F

物理学第三版刘克哲12章习题解答

[物理学12章习题解答] 12-7 在磁感应强度大小为b = 0.50 t 的匀强磁场中，有一长度为l = 1.5 m 的导体棒垂直于磁场方向放置，如图12-11所示。如果让此导体棒以既垂直于自身的长度又垂直于磁场的速度v 向右运动，则在导体棒中将产生动生电动势。若棒的运动速率v = 4.0 m ?s -1 ，试求： (1)导体棒内的非静电性电场k ； (2)导体棒内的静电场e ； (3)导体棒内的动生电动势ε的大小和方向； (4)导体棒两端的电势差。解 (1)根据动生电动势的表达式 , 由于( )的方向沿棒向上，所以上式的积分可取沿棒向上的方向，也就是d l 的方向取沿棒向上的方向。于是可得 . 另外，动生电动势可以用非静电性电场表示为 . 以上两式联立可解得导体棒内的非静电性电场，为 , 方向沿棒由下向上。 (2)在不形成电流的情况下，导体棒内的静电场与非静电性电场相平衡，即 , 所以，e 的方向沿棒由上向下，大小为 . (3)上面已经得到 , 方向沿棒由下向上。 (4)上述导体棒就相当一个外电路不通的电源，所以导体棒两端的电势差就等于棒的动生电动势，即 , 棒的上端为正，下端为负。图12-11

12-8 如图12-12所表示，处于匀强磁场中的导体回路 abcd ，其边ab 可以滑动。若磁感应强度的大小为b = 0.5 t ，电阻为r = 0.2 ω，ab 边长为 l = 0.5 m ，ab 边向右平移的速率为v = 4 m ?s -1 ，求： (1)作用于ab 边上的外力； (2)外力所消耗的功率； (3)感应电流消耗在电阻r 上的功率。解 (1)当将ab 向右拉动时，ab 中会有电流通过，流向为从b 到a 。ab 中一旦出现电流，就将受到安培力f 的作用，安培力的方向为由右向左。所以，要使ab 向右移动，必须对ab 施加由左向右的力的作用，这就是外力f 外。在被拉动时，ab 中产生的动生电动势为 , 电流为 . ab 所受安培力的大小为 , 安培力的方向为由右向左。外力的大小为 , 外力的方向为由左向右。 (2)外力所消耗的功率为 . (3)感应电流消耗在电阻r 上的功率为 . 可见，外力对电路消耗的能量全部以热能的方式释放出来。 12-9 有一半径为r 的金属圆环，电阻为r ，置于磁感应强度为b 的匀强磁场中。初始时刻环面与b 垂直，后将圆环以匀角速度ω绕通过环心并处于环面内的轴线旋转 π/ 2。求： (1)在旋转过程中环内通过的电量； (2)环中的电流； (3)外力所作的功。图12-12

大学物理学第三版下册习题答案习题8

习题八 8-1 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 2 2 20) 33( π4130cos π41 2 a q q a q '= ?εε 解得 q q 3 3-=' (2)与三角形边长无关．题8-1图题8-2图 8-2 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2θ ,如题8-2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 ?? ??? ===22 0)sin 2(π41 sin cos θεθθl q F T mg T e 解得 θπεθ tan 4sin 20mg l q = 8-3 根据点电荷场强公式2 04r q E πε=，当被考察的场点距源点电荷很近(r →0)时，则场强→∞，这是没有物理意义的，对此应如何理解?

解: 02 0π4r r q E ε= 仅对点电荷成立，当0→r 时，带电体不能再视为点电荷，再用上式求场强是错误的，实际带电体有一定形状大小，考虑电荷在带电体上的分布求出的场强不会是无限大． 8-4 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 ．则这两板之间有相互作用力f ，有人说f = 2 02 4d q πε,又有人说，因为f =qE ,S q E 0ε= ，所以f = S q 02 ε．试问这两种说法对吗?为什么? f 到底应等于多少? 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，第二种说法把合场强S q E 0ε= 看成是一个带电板在另一带电板处的场强也是不对的．正确解答应为一个板的电场为S q E 02ε= ，另一板受它的作用力S q S q q f 02 022εε= =，这是两板间相互作用的电场力． 8-5 一电偶极子的电矩为l q p =，场点到偶极子中心O 点的距离为r ,矢量r 与l 的夹角为θ,(见题8-5图)，且l r >>．试证P 点的场强E 在r 方向上的分量r E 和垂直于r 的分量θE 分别为 r E = 3 02cos r p πεθ, θE = 3 04sin r p πεθ 证: 如题8-5所示，将p 分解为与r 平行的分量θsin p 和垂直于r 的分量 θsin p ． ∵ l r >>

物理学第三版刘克哲张承琚课后习题答案第十章

[物理学10章习题解答] 10-3两个相同的小球质量都是m，并带有等量同号电荷q，各用长为l的丝线悬挂于同一点。由于电荷的斥力作用，使小球处于图10-9所示的位置。如果θ角很小，试证明两个小球的间距x可近似地表示为 . 解小球在三个力的共同作用下达到平衡，这三个力分别是重力m g、绳子的张力t和库仑力f。于是可以列出下面的方程式 ,(1) 图10-9 ,(2) (3) 因为θ角很小，所以 , . 利用这个近似关系可以得到 ,(4) . (5) 将式(5)代入式(4)，得 , 由上式可以解得 . 得证。 10-4在上题中，如果l = 120 cm，m = 0.010 kg，x = 5.0 cm，问每个小球所带的电量q为多大？解在上题的结果中，将q解出，再将已知数据代入，可得

. 10-5氢原子由一个质子和一个电子组成。根据经典模型，在正常状态下，电子绕核作圆周运动，轨道半径是r0 = 5.29?10-11m。质子的质量m = 1.67?10-27kg，电子的质量m = 9.11?10-31kg，它们的电量为±e =1.60?10-19c。 (1)求电子所受的库仑力； (2)电子所受库仑力是质子对它的万有引力的多少倍？ (3)求电子绕核运动的速率。解 (1)电子与质子之间的库仑力为 . (2)电子与质子之间的万有引力为 . 所以 . (3)质子对电子的高斯引力提供了电子作圆周运动的向心力，所以 , 从上式解出电子绕核运动的速率，为 . 10-6 边长为a的立方体，每一个顶角上放一个电荷q。 (1)证明任一顶角上的电荷所受合力的大小为 . (2) f的方向如何？解立方体每个顶角上放一个电荷q，由于对称性，每个电荷的受力情况均相同。对于任一顶角上的电荷，例如b 角图10-10 上的q b，它所受到的力、和大小也是相等的，即 .

大学物理学(第三版)第三章课后答案(主编)赵近芳

习题3 3.1选择题 (1) 有一半径为R 的水平圆转台，可绕通过其中心的竖直固定光滑轴转动，转动惯量为J ，开始时转台以匀角速度ω0转动，此时有一质量为m 的人站在转台中心，随后人沿半径向外跑去，当人到达转台边缘时，转台的角速度为 (A)02ωmR J J + (B) 02)(ωR m J J + (C) 02ωmR J (D) 0ω [答案： (A)] (2) 如题3.1（2）图所示，一光滑的内表面半径为10cm 的半球形碗，以匀角速度ω绕其对称轴OC 旋转，已知放在碗内表面上的一个小球P 相对于碗静止，其位置高于碗底4cm ，则由此可推知碗旋转的角速度约为 (A)13rad/s (B)17rad/s (C)10rad/s (D)18rad/s (a) (b) 题3.1（2）图 [答案： (A)] (3)如3.1(3)图所示，有一小块物体，置于光滑的水平桌面上，有一绳其一端连结此物体，；另一端穿过桌面的小孔，该物体原以角速度w 在距孔为R 的圆周上转动，今将绳从小孔缓慢往下拉，则物体（A ）动能不变，动量改变。（B ）动量不变，动能改变。（C ）角动量不变，动量不变。（D ）角动量改变，动量改变。（E ）角动量不变，动能、动量都改变。 [答案： (E)] 3.2填空题 (1) 半径为30cm 的飞轮，从静止开始以0.5rad ·s -2的匀角加速转动，则飞轮边缘上一点在飞轮转过240?时的切向加速度a τ= ，法向加速度

a n= 。 [答案：0.15; 1.256] (2) 如题3.2（2）图所示，一匀质木球固结在一细棒下端，且可绕水平光滑固定轴O转动，今有一子弹沿着与水平面成一角度的方向击中木球而嵌于其中，则在此击中过程中，木球、子弹、细棒系统的守恒，原因是。木球被击中后棒和球升高的过程中，对木球、子弹、细棒、地球系统的守恒。题3.2（2）图 [答案：对o轴的角动量守恒，因为在子弹击中木球过程中系统所受外力对o 轴的合外力矩为零，机械能守恒] (3) 两个质量分布均匀的圆盘A和B的密度分别为ρA和ρB (ρA>ρB)，且两圆盘的总质量和厚度均相同。设两圆盘对通过盘心且垂直于盘面的轴的转动惯量分别为J A 和J B，则有J A J B 。（填>、<或=） [答案： <] 3.3刚体平动的特点是什么？平动时刚体上的质元是否可以作曲线运动？解：刚体平动的特点是：在运动过程中，内部任意两质元间的连线在各个时刻的位置都和初始时刻的位置保持平行。平动时刚体上的质元可以作曲线运动。 3.4刚体定轴转动的特点是什么？刚体定轴转动时各质元的角速度、线速度、向心加速度、切向加速度是否相同？解：刚体定轴转动的特点是：轴上所有各点都保持不动，轴外所有各点都在作圆周运动，且在同一时间间隔内转过的角度都一样；刚体上各质元的角量相同，而各质元的线量大小与质元到转轴的距离成正比。因此各质元的角速度相同，而线速度、向心加速度、切向加速度不一定相同。 3.5刚体的转动惯量与哪些因素有关？请举例说明。解：刚体的转动惯量与刚体的质量、质量的分布、转轴的位置等有关。如对过圆心且与盘面垂直的轴的转动惯量而言，形状大小完全相同的木质圆盘和铁质圆盘中铁质的要大一些，质量相同的木质圆盘和木质圆环则是木质圆环的转动惯量要大。

大学物理第三版下册答案(供参考)

习题八 8-1 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 2 2 2 0) 3 3 ( π4 1 30 cos π4 1 2 a q q a q' = ? ε ε 解得q q 3 3 - =' (2)与三角形边长无关．题8-1图题8-2图 8-7 一个半径为R的均匀带电半圆环，电荷线密度为λ,求环心处O点的场强．解: 如8-7图在圆上取? Rd dl= 题8-7图 ? λ λd d d R l q= =，它在O点产生场强大小为

2 0π4d d R R E ε? λ= 方向沿半径向外则 ??ελ ?d sin π4sin d d 0R E E x = = ??ελ ?πd cos π4)cos(d d 0R E E y -= -= 积分R R E x 000 π2d sin π4ελ ??ελπ == ? 0d cos π400 =-=? ??ελ π R E y ∴ R E E x 0π2ελ = =，方向沿x 轴正向． 8-11 半径为1R 和2R (2R ＞1R )的两无限长同轴圆柱面，单位长度上分别带有电量λ和-λ,试求:(1)r ＜1R ；(2) 1R ＜r ＜2R ；(3) r ＞2R 处各点的场强．解: 高斯定理0 d ε∑? = ?q S E s 取同轴圆柱形高斯面，侧面积rl S π2= 则 rl E S E S π2d =?? 对(1) 1R r < 0,0==∑E q (2) 21R r R << λl q =∑ ∴ r E 0π2ελ = 沿径向向外

大学基础物理学答案(习岗)第6章

第六章稳恒磁场本章提要 1. 磁感应强度描述磁场力的属性的物理量是磁感应强度，常用B 来表示。其定义式为 qv F B max = 在SI 制中，B 的单位为特斯拉（T ）。B 另一个单位为高斯(G)，两者的换算关系为 1T=104G 2. 毕奥—萨伐尔定律（1）毕奥—萨伐尔定律 ? 毕奥—萨伐尔定律的微分形式电流元I d l 在真空中任一点P 所产生的磁感应强度d B 的大小与电流元的大小成正比，与电流元I d l 和r 的夹角的正弦成正比，与电流元到P 点的距离的平方成反比。d B 的方向垂直于I d l 和r 所组成的平面，指向与矢积I d l ×0r 的方向相同，即 00 2d d 4I r l r B m p ′= 其中， 7-20410N A m p -=醋，称真空磁导率。 ? 毕奥—萨伐尔定律的积分形式 00 2 d d 4l l I r μπ?==?? l r B B （2）几种典型的磁场分布 ? 无限长直电流的磁场分布 02I B r m p = ? 载流长直螺线管内的磁场分布 0B nI m = ? 运动电荷的磁场分布 00 2 4q r v r B m p ′= 3. 磁高斯定理

? 磁通量穿过磁场中某一面积S 的磁通量定义为 d B S m s Φ= 蝌 ? 磁高斯定理通过空间中任意封闭曲面的磁通量必为零，即 d 0S B S =蝌 g ò 4. 安培环路定理在真空中的稳恒磁场内，磁感应强度B 的环流等于穿过积分回路的所有传导电流强度代数和的0μ倍，即 0in d L I B r m ??ò ? 5. 安培力与洛仑兹力（1）安培力载流导线在磁场中受到的宏观力称安培力。安培力服从安培定律。 ? 安培定律的微分形式放在磁场中任一点处的电流元d I l 所受到的磁场作用力d F 的大小与电流元d I l 的大小和该点的磁感应强度B 的大小成正比，还与电流元d I l 的方向和B 的方向之间的夹角θ的正弦成正比，d F 的方向为d I ?l B 所确定的方向。即 d d I =?F l B ? 安培定律的积分形式对于任意载流导线，若将其视为由无数个电流元组成的，则其在磁场中所受的作用力为 d F l B l I =?? （2）洛仑兹力一个定向运动的电荷在磁场中所受的力即洛仑兹力，其满足的基本规律为 q =?f υB 洛仑兹力的几个重要应用： ? 质谱仪 ? 霍耳效应 6. 磁介质（1）磁介质及分类能在磁场作用下发生变化，并且能够反过来影响磁场的介质称磁介质。一般用磁介质中的磁感应强度B 的大小与真空中的磁感应强度0B 的大小之比来描述磁介质被磁化后对原来外磁场的影响，即

物理学第三版(刘克哲张承琚)课后习题答案第第1章

[第1章习题解答] 1-3 如题1-3图所示，汽车从A 地出发，向北行驶60 km 到达B 地，然后向东行驶60 km 到达c 地，最后向东北行驶50km 到达D 地。求汽车行驶的总路程和总位移。解汽车行驶的总路程为 S=AB 十BC 十CD ＝(60十60十50)km ＝170 km ；汽车的总位移的大小为 Δr=AB/Cos45°十CD ＝(84.9十50)km ＝135km ，位移的方向沿东北方向，与CD 方向一致。 1-4 现有一矢量R 是时阃t 的函数，问dt R d dt R d 与在一般情况下是否相等?为什么? 解： dt R d dt R d 与在一般情况下是不相等的。因为前者是对矢量R 的绝对值(大小或长度)求导，表示矢量R 的太小随时间的变化率；而后者是对矢量R 的大小和方向两者同时求导，再取绝对值，表示矢量R 大小随时问的变化和矢量R 方向随时同的变化两部分的绝对值。如果矢量R 方向不变，只是大小变化，那么这两个表示式是相等的。 1-5 一质点沿直线L 运动，其位置与时间的关系为r =6t 2-2t 3，r 和t 的单位分别是米和秒。求： (1)第二秒内的平均速度； (2)第三秒末和第四秒末的速度，

(3)第三秒末和第四秒末的加速度。解：取直线L 的正方向为x 轴，以下所求得的速度和加速度，若为正值，表示该速度或加速度沿x 轴的正方向，若为负值，表示该速度或加速度沿x 轴的反方向。 (1)第二秒内的平均速度 11121220.41 2) 26()1624(--?=?----=--= s m s m t t x x v ； (2)第三秒末的速度因为2612t t dt dx v -== ，将t=3 s 代入，就求得第三秒末的速度为 v 3=18m ·s -1；用同样的方法可以求得第口秒末的速度为 V 4=48m s -1； (3)第三秒末的加速度因为t dt x d 1212a 22-==，将 t=3 s 代入，就求得第三秒末的加速度为 a 3= -24m ·s -2；用同样的方法可“求得第四秒末的加速度为 a 4= -36m ·s -2 1-6 一质点作直线运动，速度和加速度的大小分别为dt d v s =和dt d v a =，试证明： (1)vdv=ads ： (2)当a 为常量时，式v 2=v 02+2a(s-s 0)成立。解

大学物理学(第三版)课后习题参考答案

习题1 1.1选择题 (1) 一运动质点在某瞬时位于矢径),(y x r 的端点处，其速度大小为 (A)dt dr (B)dt r d (C)dt r d | | (D) 22)()(dt dy dt dx [答案：D] (2) 一质点作直线运动，某时刻的瞬时速度s m v /2 ，瞬时加速度2 /2s m a ，则一秒钟后质点的速度 (A)等于零 (B)等于-2m/s (C)等于2m/s (D)不能确定。 [答案：D] (3) 一质点沿半径为R 的圆周作匀速率运动，每t 秒转一圈，在2t 时间间隔中，其平均速度大小和平均速率大小分别为 (A) t R t R 2, 2 (B) t R 2,0 (C) 0,0 (D) 0,2t R [答案：B] 1.2填空题 (1) 一质点，以1 s m 的匀速率作半径为5m 的圆周运动，则该质点在5s 内，位移的大小是；经过的路程是。 [答案： 10m ； 5πm] (2) 一质点沿x 方向运动，其加速度随时间的变化关系为a=3+2t (SI)，如果初始时刻质点的速度v 0为5m·s -1，则当t 为3s 时，质点的速度v= 。 [答案： 23m·s -1 ] (3) 轮船在水上以相对于水的速度1V 航行，水流速度为2V ，一人相对于甲板以速度3V 行走。如人相对于岸静止，则1V 、2V 和3V 的关系是。 [答案： 0321 V V V ]

1.3 一个物体能否被看作质点，你认为主要由以下三个因素中哪个因素决定： (1) 物体的大小和形状； (2) 物体的内部结构； (3) 所研究问题的性质。解：只有当物体的尺寸远小于其运动范围时才可忽略其大小的影响，因此主要由所研究问题的性质决定。 1.4 下面几个质点运动学方程，哪个是匀变速直线运动？（1）x=4t-3；（2）x=-4t 3+3t 2+6；（3）x=-2t 2+8t+4；（4）x=2/t 2-4/t 。给出这个匀变速直线运动在t=3s 时的速度和加速度，并说明该时刻运动是加速的还是减速的。（x 单位为m ，t 单位为s ）解：匀变速直线运动即加速度为不等于零的常数时的运动。加速度又是位移对时间的两阶导数。于是可得（3）为匀变速直线运动。其速度和加速度表达式分别为 2 2484 dx v t dt d x a dt t=3s 时的速度和加速度分别为v =20m/s ，a =4m/s 2。因加速度为正所以是加速的。 1.5 在以下几种运动中，质点的切向加速度、法向加速度以及加速度哪些为零哪些不为零？ (1) 匀速直线运动；(2) 匀速曲线运动；(3) 变速直线运动；(4) 变速曲线运动。解：(1) 质点作匀速直线运动时，其切向加速度、法向加速度及加速度均为零； (2) 质点作匀速曲线运动时，其切向加速度为零，法向加速度和加速度均不为零； (3) 质点作变速直线运动时，其法向加速度为零，切向加速度和加速度均不为零； (4) 质点作变速曲线运动时，其切向加速度、法向加速度及加速度均不为零。 1.6 ｜r ｜与r 有无不同?t d d r 和d d r t 有无不同? t d d v 和t d d v 有无不同?其不同在哪里?试举例说明．解：（1）r 是位移的模， r 是位矢的模的增量，即r 12r r ，12r r r ；（2） t d d r 是速度的模，即t d d r v t s d d . t r d d 只是速度在径向上的分量. ∵有r r ?r （式中r ?叫做单位矢），则 t ?r ?t r t d d d d d d r r r 式中 t r d d 就是速度在径向上的分量，

第物理学第三版(刘克哲张承琚)课后习题答案七章

[物理学7章习题解答] 7-2 一个运动质点的位移与时间的关系为 m , 其中x的单位是m，t的单位是s。试求： (1)周期、角频率、频率、振幅和初相位； (2) t = 2 s时质点的位移、速度和加速度。解 (1)将位移与时间的关系与简谐振动的一般形式相比较，可以得到角频率s 1, 频率, 周期, 振幅, 初相位. (2) t = 2 s时质点的位移 . t = 2 s时质点的速度 . t = 2 s时质点的加速度 . 7-3 一个质量为2.5 kg的物体系于水平放置的轻弹簧的一端，弹簧的另一端被固定。若弹簧受10 n的拉力，其伸长量为5.0 cm，求物体的振动周期。解根据已知条件可以求得弹簧的劲度系数 , 于是，振动系统的角频率为 . 所以，物体的振动周期为 . 7-4求图7-5所示振动装置的振动频率，已知物体的质量为m，两个轻弹簧的劲度系数分别为k1 和k2。

解以平衡位置o 为坐标原点，建立如图7-5所示的坐标系。若物体向右移动了x ，则它所受的力为 . 根据牛顿第二定律，应有 , 改写为 . 所以 , . 7-5 求图7-6所示振动装置的振动频率，已知物体的质量为m ，两个轻弹簧的劲度系数分别为k 1 和k 2。解以平衡位置o 为坐标原点，建立如图7-6所示的坐标系。当物体由原点o 向右移动x 时，弹簧1伸长了 x 1 ，弹簧2伸长了x 2 ，并有 . 物体所受的力为 , 式中k 是两个弹簧串联后的劲度系数。由上式可得 , . 于是，物体所受的力可另写为 , 由上式可得 , 所以 . 图 7-5 图7-6

物理学(第三版)刘克哲,张承琚 第12章