中科大-电磁学课件1
电磁学与电动力学（上册：电磁学部分）
程福臻
中国科技大学理学院
fzhen@https://www.wendangku.net/doc/478388117.html,
3606844
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绪论
1、什么是电磁学：是研究电磁现象、电磁相互作用规律及其应用的学科。
2、研究的对象：电磁场，与力学、热学区别。
3、适用范围：尺度（1%的原子尺度）
∞
速度低速高速
4、重要性：四大相互作用之一；物质结构的基础；高新技术的基础；其它学科的基础。
1010cm ?
章次
8一
真空中的静电场
静电场中的导体和电介质
课堂教学、课外教学相结合
课堂教学：讲授、笔记、
讨论、小练习
课外教学：教师讲座、参观、
小论文竞赛
教
“物理学不应该教成一堆技术，而应教成思想概念的诗剧。应该强调思想概念的演变，强调我们企图了解物理世界的历史，以使学生具备洞察未来的能力。”
——爱因斯坦
学
“学问”：学一半、问一半“学习”：预习、复习、练习“学而不思则罔”
“如切如磋、如琢如磨”—
交流、求精
总成绩计算
作业：8分；(双周星期4交)课堂小练习：2分；
小论文：10分；
期中考试：30分；
期末考试：50分。
第一章真空中的静电场
§1-1 电荷守恒
§1-2 库仑定律
§1-3 叠加原理
§1-4 电场强度
§1-5 高斯定理
§1-6 环路定理
§1-7 电势
§1-1 电荷守恒
1. 电荷：电荷是电学中最基本的概念。
早期人们是通过物质
的力效应来定义它的。他
们发现许多物质，如琥珀、
玻璃棒、硬橡胶棒……
等，经过毛皮或丝绸摩擦
后，能吸引轻小物质，便
说这些物质带了电荷。
吉尔伯特（1544-1603）为了把这种作用与磁作用加以区别，造出“Electricity（电）”，它源自希腊文“琥珀”音译“electron”。
近代物理学的实验揭示了电荷的物理本质。电荷是基本粒子，如电子、质子、μ子等等的一种属性，离开了这些基本粒子它便不能存在。也就是说，电荷是物质的基本属性，不存在不依附物质的“单独电荷”。
1897年，英国物理学家汤姆孙测出了阴极射线带电粒子的荷质比；这种带负电的粒子后来被称为电子。
1909-1917年间，密立根用油滴实验，
测定电荷的最小单位是1.59 ×库仑。
电子的发现者-汤姆逊(J.J.Thomson)
19
10?19?10
2. 电荷的特性
(1) 自然界中存在两种电荷，分别称为正（+）电荷和负（－）电荷。1747年，美国科学家富兰克林把在室温下丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷称为正电荷；毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷称为负电荷；现在人们都习惯沿用富兰克林的定义。实验表明同号电荷相斥，异号电荷相吸，根据这一性质我们可以用实验来测出物体带有哪种电荷。
(2) 电荷是量子化的，即在自然界里物质
所带的电荷量不可能连续地变化，而只能一
份一份地增加或减小。如前所述，这最小的
一份电量是电子或正电子所带的电量，绝对值记为e，e=1.60217733(49)×10?19C。
近代物理从理论和实验上都已证实基本粒子都是由6种夸克（或反夸克）组成，每一个
夸克或反夸克可能带有±1/3e或±2/3e的电量。然而至今单独存在的夸克尚未在实验中发现。
π+d
(3) “电荷对称性”。一系列近代高能物理实验表明，对于每种带电的基本粒子，必然存在与之对应的、带等量异号电荷的另一种基本粒子?反粒子。例如，我们有电子和正电子，质子和反质子；π介子和反π介子等等。
(4)电量是相对论性不变量。即电量与质量不同，与带电物质的运动速度无关。
讨论题：请对比电荷与质量的异同？
太阳上核聚变反应的一种可能链式过程：
1
1
2101011H H D e ,e v +
+→++2
131
1102
1D H He ,γ+→+3
34121212210He He He 2H .+→+1965年有人做了一个实验，估计出电子的
寿命超过10年（比推测的宇宙年龄还要
长得多）。
21
§1-2 库仑定律
1. 库仑定律建立的基础
16世纪—18世纪中叶，摩擦起电机；正电、负电两种，同性电荷相斥，异性电荷相吸；天电和地电统一；掌握了电荷转移及储存方法；认识到电荷守恒定律。
电荷之间作用力的大小和方向？
1750年前后，德国的埃皮诺斯发现；
1755年，美国的富兰克林带电金属筒实验；
1767年，德国的普利斯特利的实验与猜想：“难道我们就不可以认为电的吸引力遵从与万
有引力相同的规律，即与距离平方反比有关的规律吗？”
1771-1773年间，英国的卡文迪许静电实验，100多年后才由麦克斯韦整理、注释出版了他生前的手稿。
2. 库仑的扭称实验与电摆实验
（1）扭称实验
1785年库仑自
行设计制作了一台
扭秤，利用银质悬
丝的扭转力的知识，
测量了电荷之间的
相互排斥力与其距
离的关系，建立了
库仑定律。直接的
测量。
电磁学试题(含答案)
一、单选题 1、 如果通过闭合面S 的电通量e Φ为零，则可以肯定 A 、面S 没有电荷 B 、面S 没有净电荷 C 、面S 上每一点的场强都等于零 D 、面S 上每一点的场强都不等于零 2、 下列说法中正确的是 A 、沿电场线方向电势逐渐降低 B 、沿电场线方向电势逐渐升高 C 、沿电场线方向场强逐渐减小 D 、沿电场线方向场强逐渐增大 3、 载流直导线和闭合线圈在同一平面，如图所示，当导线以速度v 向 左匀速运动时，在线圈中 A 、有顺时针方向的感应电流 B 、有逆时针方向的感应电 C 、没有感应电流 D 、条件不足，无法判断 4、 两个平行的无限大均匀带电平面，其面电荷密度分别为σ+和σ-， 则P 点处的场强为 A 、02εσ B 、0εσ C 、0 2εσ D 、0 5、 一束α粒子、质子、电子的混合粒子流以同样的速度垂直进 入磁场，其运动轨迹如图所示，则其中质子的轨迹是 A 、曲线1 B 、曲线2 C 、曲线3 D 、无法判断 6、 一个电偶极子以如图所示的方式放置在匀强电场 E 中，则在 电场力作用下，该电偶极子将 A 、保持静止 B 、顺时针转动 C 、逆时针转动 D 、条件不足，无法判断 7、 点电荷q 位于边长为a 的正方体的中心，则通过该正方体一个面的电通量为 A 、0 B 、0εq C 、04εq D 、0 6εq 8、 长直导线通有电流A 3=I ，另有一个矩形线圈与其共面，如图所 示，则在下列哪种情况下，线圈中会出现逆时针方向的感应电流？ A 、线圈向左运动 B 、线圈向右运动 C 、线圈向上运动 D 、线圈向下运动 9、 关于真空中静电场的高斯定理0 εi S q S d E ∑=?? ，下述说确的是： A. 该定理只对有某种对称性的静电场才成立； B. i q ∑是空间所有电荷的代数和； C. 积分式中的E 一定是电荷i q ∑激发的； σ- P 3 I
电磁学答案第1章
第一部分 习题 第一章 静电场基本规律 1．2．1在真空中有两个点电荷，设其中一个所带电量是另一个的四倍，它们个距2510-?米时，相互排斥力为牛顿。问它们相距0.1米时，排斥力是多少两点电荷的电量各为多少 解：设两点电荷中一个所带电量为q ，则另一个为4q ： （1） 根据库仑定律：r r q q K F ?22 1 =? 得：21 2221r r F F = （牛顿）） （） （4.01010560.12 12 2222112=??==--r r F F (2) 21 2 24r q K F = ∴ 21 9 4221 211109410560.14）（）（????±=± =-K r F q =±×710- （库仑） 4q=±×810- （库仑） 1．2．2两个同号点电荷所带电量之和为 Q ，问它们带电量各为多少时，相互作用力最大 解： 设其中一个所带电量为q ，则一个所带电量为 Q-q 。 根据库仑定律知，相互作用力的大小： 2 ) (r q Q q K F -= 求 F 对q 的极值 使0='F 即：0)2(=-q Q r K ∴ Q q 2 1 =。 1．2．3两个点电荷所带电量分别为2q 和q ，相距L ，将第三个点电荷放在何处时，它所受合力为零 解：设第三个点电荷放在如图所示位置是，其受到的合力为零。 图 1．2．3
即： 41πε 2 0x q q = 041 πε )(220x L q q - =2 1x 2)(2x L - 即：0222=-+L xL x 解此方程得： )()21(0距离的是到q q X L x ±-= （1） 当为所求答案。时，0)12(>-=x L x （2） 当不合题意，舍去。时，0)12(<--=x L x 1．2．4在直角坐标系中，在（0，），（0，）的两个位置上分别放有电量为1010q -=（库）的点电荷，在（，0）的位置上放有一电量为810Q -=（库）的点电荷，求Q 所受力的大小和方向（坐标的单位是米） 解：根据库仑定律知： 121 1?r r Q q K F =? )?sin ?(cos 1121 1j i r Q q K αα-= 2 28 1092.01.010 10109+???= --???? ? ?????+-++2 1222122)2.01.0(?1.0)2.01.0(?2.0j i =j i ?100.8?1061.187--?-? 如图所示，其中 2 1 21211 1) (cos y x x += α 2121 211 1) (sin y x y += α 同理：)?sin ?(cos 2222 12j i r Q q K F αα+?= ? 2281092.01.01010109+???=--×???? ? ?????+-++2 1222122)2.01.0(?1.0)2.01.0(?2.0j i
程稼夫电磁学第二版第一章习题解析
程稼夫电磁学篇第一章《静电场》课后习题 1-1设两个小球所带净电荷为q，距离为l，由库仑定律： 由题目，设小球质量m，铜的摩尔质量M，则有： 算得 1-2 取一小段电荷，其对应的圆心角为dθ： 这一小段电荷受力平衡，列竖直方向平衡方程，设张力增量为T： 解得 1-3（1）设地月距离R，电场力和万有引力抵消： 解得： （2）地球分到，月球分到，电场力和万有引力抵消： 解得：
1-4 设向上位移为x，则有： 结合牛顿第二定律以及略去高次项有： 1-5由于电荷受二力而平衡，故三个电荷共线且q3在q1和q2之间： 先由库仑定律写出静电力标量式： 有几何关系： 联立解得 由库仑定律矢量式得： 解得 1-6（1）对一个正电荷，受力平衡：
解得，显然不可能同时满足负电荷的平衡 （2）对一个负电荷，合外力提供向心力： 解得 1-7（1）设P限制在沿X轴夹角为θ的，过原点的直线上运动（θ∈[0,π)），沿着光滑直线位移x，势 能： 对势能求导得到受力： 小量近似，略去高阶量： 当q＞0时，；当q＜0时， （2）由上知 1-8设q位移x，势能： 对势能求导得到受力： 小量展开有：，知
1-9（1）对q受力平衡，设其横坐标的值为l0：，解得 设它在平衡位置移动一个小位移x，有： 小量展开化简有： 受力指向平衡位置，微小谐振周期 （2） 1-10 1-11 先证明，如图所示，带相同线电荷密度λ的圆弧2和直线1在OO处产生的电场强度相等.取和θ. 有： 显然两个电场强度相等，由于每一对微元都相等，所以总体产生的电场相等. 利用这一引理，可知题文中三角形在内心处产生的电场等价于三角形内切圆环在内心处产生的电场.由对称性，这一电场强度大小为0. 1-12（1）
中科大电磁学期末复习答案
期末复习 一、填空题 1.电荷q均匀分布在半径为r的圆环上，圆环绕圆环的旋转轴线以角速度ω转动，圆环磁矩 =ωqr2/2。轴线上一点A与圆心相距x，则A点磁场强度=ωqr2(r2+x2)?3/2/(4π)。 2.一电子在0.002T的磁场里沿螺旋线运动，半径为5.0mm，螺距20mm。则电子速度的大小 为2.08×106m/s，与磁场的夹角为arctan(π/2)或57.5°。 3.利用霍尔效应可判断半导体载流子的正负性。 4.空心螺绕环的自感为L0，加入铁芯后自感为L1，在铁芯上锯开一个断口后自感为L2，则 这三个自感的大小关系为L0 P r λ2 λ1 R 1 R 2 1．坐标原点放一正电荷Q ，它在P 点(x =+1,y =0)产生的电场强 度为E ρ 。现在，另外有一个负电荷-2Q ，试问应将它放在什么 位置才能使P 点的电场强度等于零？ (A) x 轴上x >1。 (B) x 轴上0 第二章 静电场中的导体与电介质 第一章 静 电 场 §1.1 静电的基本现象和基本规律 计 算 题 ： 1、 真空中两个点电荷q 1=1.0×10-10C ，q 2=1.0×10-11C ，相距100mm ，求q 1受的力。 解：)(100.941 10 2 210排斥力N r q q F -?== πε 2、 真空中两个点电荷q 与Q ，相距5.0mm,吸引力为40达因。已知q=1.2×10-6C,求Q 。 解：1达因=克·厘米/秒=10-5牛顿 C q F r Q r qQ F 13202 01093441 -?-==?=πεπε 3、 为了得到一库仑电量大小的概念，试计算两个都是一库仑的点电荷在真空中相距一米时 的相互作用力和相距一千米时的相互作用力。 解：? ??=?=?==物体的重量相当于当万吨物体的重量 相当于当kg m r N m r N r q q F 900)1000(100.990)1(100.941 3 92210πε 4、 氢原子由一个质子（即氢原子核）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r=5.29×10-11m 。已知质子质量M=1.67×10-27kg ，电子质量m=9.11×10-31kg 。电荷分别为e=±1.6×10-19 C,万有引力常数G=6.67×10-11N ·m 2/kg 2。（1）求电子所受的库仑力；（2）库仑力是万有引力的多少倍？（3）求电子的速度。 解： 不计 万有引力完全可以略去与库仑力相比在原子范围内由此可知吸引力吸引力,,,/1019.241 41)3(1026.2/)(1063.3)2() (1022.841 )1(62 02 2 02394722 18 2 20s m mr e v r e r v m F F N r m m G F N r e F g e g e ?==?=?=??==?==--πεπεπε 5、 卢瑟福实验证明：当两个原子核之间的距离小到10-15米时，它们之间的排斥力仍遵守 库仑定律。金的原子核中有79个质子，氦的原子核（即α粒子）中有2个质子。已知每个质子带电e=1.6×10-19 C ，α粒子的质量为6.68×10-27 kg.。当α粒子与金核相距为6.9×10-15m 时（设这时它们仍都可当作点电荷）。求（1）α粒子所受的力；（2）α粒子的加速度。 第一章习题解答 给定三个矢量、和如下： 求：（1）；（2）；（3）；（4）；（5）在上的分量；（6）； （7）和；（8）和。 解（1） （2） （3）－11 （4）由，得 （5）在上的分量 （6） （7）由于 所以 （8） 三角形的三个顶点为、和。 （1）判断是否为一直角三角形； （2）求三角形的面积。 解（1）三个顶点、和的位置矢量分别为 ，， 则，， 由此可见 故为一直角三角形。 （2）三角形的面积 求点到点的距离矢量及的方向。 解，， 则 且与、、轴的夹角分别为 给定两矢量和，求它们之间的夹角和在上的分量。 解与之间的夹角为 在上的分量为 给定两矢量和，求在上的分量。 解 所以在上的分量为 证明：如果和，则； 解由，则有，即 由于，于是得到 故 如果给定一未知矢量与一已知矢量的标量积和矢量积，那么便可以确定该未知矢量。设为一已知矢量，而，和已知，试求。 解由，有 故得 在圆柱坐标中，一点的位置由定出，求该点在：（1）直角坐标中的坐标；（2）球坐标中的坐标。 解（1）在直角坐标系中、、 故该点的直角坐标为。 （2）在球坐标系中、、 故该点的球坐标为 用球坐标表示的场， （1）求在直角坐标中点处的和； （2）求在直角坐标中点处与矢量构成的夹角。 解（1）在直角坐标中点处，，故 （2）在直角坐标中点处，，所以 故与构成的夹角为 球坐标中两个点和定出两个位置矢量和。证明和间夹角的余弦为 解由 得到 一球面的半径为，球心在原点上，计算：的值。 解 在由、和围成的圆柱形区域，对矢量验证散度定理。 解在圆柱坐标系中 所以 又 故有 求（1）矢量的散度；（2）求对中心在原点的一个单位立方体的积分；（3）求对此立方体表面的积分，验证散度定理。 解（1） （2）对中心在原点的一个单位立方体的积分为 （3）对此立方体表面的积分 故有 计算矢量对一个球心在原点、半径为的球表面的积分，并求对球体积的积分。 解 又在球坐标系中，，所以 求矢量沿平面上的一个边长为的正方形回路的线积分，此正方形的两边分别与轴和轴相重合。再求对此回路所包围的曲面积分，验证斯托克斯定理。 解 又 第五章静电场 5 －9若电荷Q均匀地分布在长为L的细棒上.求证：(1) 在棒的延长线，且离棒中心为r处的电场强度为 2 2 4 π 1 L r Q ε E - = (2) 在棒的垂直平分线上，离棒为r处的电场强度为 2 2 04 π2 1 L r r Q ε E + = 若棒为无限长(即L→∞)，试将结果与无限长均匀带电直线的电场强度相比较. 分析这是计算连续分布电荷的电场强度.此时棒的长度不能忽略，因而不能将棒当作点电荷处理.但带电细棒上的电荷可看作均匀分布在一维的长直线上.如图所示，在长直线上任意取一线元d x，其电荷为d q＝Q d x/L，它在点P 的电场强度为 r r q ε e E 2 d π4 1 d ' = 整个带电体在点P的电场强度 ?=E E d 接着针对具体问题来处理这个矢量积分. (1) 若点P 在棒的延长线上，带电棒上各电荷元在点P的电场强度方向相同， ?=L E i E d (2) 若点P 在棒的垂直平分线上，如图(A)所示，则电场强度E沿x轴方向的分量因对称性叠加为零，因此，点P的电场强度就是 ??= = L y E α E j j E d sin d 证 (1) 延长线上一点P 的电场强度?'=L r πεE 202 ，利用几何关系 r ′＝r －x 统一积分变 量，则 ()220 022 204π12/12/1π4d π41L r Q εL r L r L εQ x r L x Q εE L/-L/P -=??????+--=-=? 电场强度的方向沿x 轴. (2) 根据以上分析，中垂线上一点P 的电场强度E 的方向沿y 轴，大小为 E r εq αE L d π4d sin 2 ? '= 利用几何关系 sin α＝r /r ′，2 2 x r r +=' 统一积分变量，则 () 2 2 03 /2222 2041π2d π41L r r εQ r x L x rQ εE L/-L/+= +=? 当棒长L →∞时，若棒单位长度所带电荷λ为常量，则P 点电场强度 r ελL r L Q r εE l 02 20π2 /41/π21lim = +=∞ → 此结果与无限长带电直线周围的电场强度分布相同［图(B)］.这说明只要满足r 2/L 2 ＜＜1，带电长直细棒可视为无限长带电直线. 5 －14 设匀强电场的电场强度E 与半径为R 的半球面的对称轴平行，试计算通过此半球面的电场强度通量. 分析 方法1：由电场强度通量的定义，对半球面S 求积分，即? ?=S S d s E Φ 方法2：作半径为R 的平面S ′与半球面S 一起可构成闭合曲面，由于闭合面内无电荷，由高斯定理 一.选择题（本大题15小题，每题2分） 第一章、第二章 1.在静电场中，下列说法中哪一个是正确的 [ ] (A)带正电荷的导体，其电位一定是正值 (B)等位面上各点的场强一定相等 (C)场强为零处，电位也一定为零 (D)场强相等处，电位梯度矢量一定相等 2.在真空中的静电场中，作一封闭的曲面，则下列结论中正确的是［］ (A)通过封闭曲面的电通量仅是面内电荷提供的 (B) 封闭曲面上各点的场强是面内电荷激发的 (C) 应用高斯定理求得的场强仅是由面内电荷所激发的 (D) 应用高斯定理求得的场强仅是由面外电荷所激发的 3.关于静电场下列说法中正确的是 [ ] (A)电场和试探电荷同时存在和消失 (B)由E＝F/q知道，电场强度与试探电荷成反比 (C)电场强度的存在与试探电荷无关 (D)电场是试探电荷和场源电荷共同产生的 4.下列几个说法中正确的是： [ ] (A)电场中某点场强的方向，就是将点电荷放在该点所受电场力的方向 (B)在以点电荷为中心的球面上，由该点电荷所产生的场强处处相同 (C)场强方向可由E=F/q定出，其中q为试验电荷的电量，q可正、可负， F为试验电荷所受的电场力 (D)以上说法全不对。 5.一平行板电容器中充满相对介电常数为的各向同性均匀电介质。已知介 质两表面上极化电荷面密度为，则极化电荷在电容器中产生的电 场强度的大小为 [ ] (A) 0εσ' (B) 02εσ' (C) 0εεσ' (D) ε σ' 6. 在平板电容器中充满各向同性的均匀电介质，当电容器充电后，介质中 D 、 E 、P 三矢量的方向将是 [ ] (A) D 与E 方向一致，与P 方向相反 (B) D 与E 方向相反，与P 方向一致 (C) D 、E 、P 三者方向相同 (D) E 与P 方向一致，与D 方向相反 7. 在一不带电荷的导体球壳的球心处放一点电荷，并测量球壳内外的场强分 布，如果将此点电荷从球心移到球壳内其它位置，重新测量球壳内外的场强分布，则将发现： [ ] (A) 球壳内、外场强分布均无变化 (B) 球壳内场强分布改变，球壳外的不变 (C) 球壳外场强分布改变，球壳内的不变 (D) 球壳内、外场强分布均改变 8. 一电场强度为E 的均匀电场，E 的方向与x 轴正向平行，如图所示，则通过 图中一半径为R 的半球面的电场强度通量为 [ ] (A) 2R E π；(B) 21 2 R E π； (C) 22R E π；(D ) 0。 9. 在静电场中，电力线为均匀分布的平行 直线的区域内，在电力线方向上任意两点的电场强度E 和电势U 相比较 [ ] (A) E 相同，U 不同 (B) E 不同，U 相同 (C) E 不同，U 不同 (D) E 相同，U 相同 第一章 习题解答 1.2给定三个矢量A ，B ，C ： A =x a +2y a -3z a B = -4y a +z a C =5x a -2z a 求：⑴矢量A 的单位矢量A a ； ⑵矢量A 和B 的夹角AB θ； ⑶A ·B 和A ?B ⑷A ·（B ?C ）和（A ?B ）·C ； ⑸A ?（B ?C ）和（A ?B ）?C 解：⑴A a =A A （x a +2y a -3z a ） ⑵cos AB θ =A ·B /A B AB θ=135.5o ⑶A ·B =-11, A ?B =-10x a -y a -4z a ⑷A ·（B ?C ）=-42 （A ?B ）·C =-42 ⑸A ?（B ?C ）=55x a -44y a -11z a （A ?B ）?C =2x a -40y a +5z a 1.3有一个二维矢量场F(r) =x a （-y ）+y a (x)，求其矢量线方程，并定性画出该矢量场图 形。 解：由dx/(-y)=dy/x,得2x +2y =c 1.6求数量场ψ=ln （2x +2y +2 z ）通过点P （1，2，3）的等值面方程。 解：等值面方程为ln （2x +2y +2 z ）=c 则c=ln(1+4+9)=ln14 那么2x +2y +2z =14 1.9求标量场ψ（x,y,z ）=62x 3y +z e 在点P （2，-1，0）的梯度。 解：由ψ?=x a x ψ??+y a y ψ??+z a z ψ??=12x 3y x a +182x 2y y a +z e z a 得 ψ?=-24x a +72y a +z a 1.10 在圆柱体2x +2y =9和平面x=0，y=0,z=0及z=2所包围的区域，设此区域的表面为S: ⑴求矢量场A 沿闭合曲面S 的通量，其中矢量场的表达式为 A =x a 32x +y a （3y+z ）+z a (3z -x) ⑵验证散度定理。 解：⑴??s d A = A d S ?? 曲+A dS ?? xoz +A d S ?? yoz +A d S ?? 上+A d S ?? 下 A d S ?? 曲=232(3cos 3sin sin )z d d ρθρθθρθ++?曲 =156.4 A dS ?? xoz =(3)y z dxdz +?xoz =-6 A d S ?? yoz =-23x dydz ?yoz =0 A d S ?? 上+A d S ?? 下=(6cos )d d ρθρθρ-?上+cos d d ρθρθ?下=272π ??s d A =193 ⑵dV A V ???=(66)V x dV +?=6(cos 1)V d d dz ρθρθ+?=193 即：??s s d A =dV A V ??? 1.13 求矢量A =x a x+y a x 2y 沿圆周2x +2y =2a 的线积分，再求A ?? 对此圆周所包围的表 面积分，验证斯托克斯定理。 解：??l l d A =2L xdx xy dy +? =44a π A ?? =z a 2y 第一章 给定三个矢量A u r ，B u r ，C u r ： A u r =x a u u r +2y a u u r -3z a u u r B u r = -4y a u u r +z a u u r C u r =5x a u u r -2z a u u r 求：⑴矢量A u r 的单位矢量A a u u r ； ⑵矢量A u r 和B u r 的夹角AB θ； ⑶A u r ·B u r 和A u r ?B u r ⑷A u r ·（B u r ?C u r ）和（A u r ?B u r ）·C u r ； ⑸A u r ?（B u r ?C u r ）和（A u r ?B u r ）?C u r 解：⑴A a u u r =A A u r u r =u r （x a u u r +2y a u u r -3z a u u r ） ⑵cos AB θu r u r =A u r ·B u r /A u r B u r AB θ=135.5o ⑶A u r ·B u r =-11, A u r ?B u r =-10x a u u r -y a u u r -4z a u u r ⑷A u r ·（B u r ?C u r ）=-42 （A u r ?B u r ）·C u r =-42 ⑸A u r ?（B u r ?C u r ）=55x a u u r -44y a u u r -11z a u u r （A u r ?B u r ）?C u r =2x a u u r -40y a u u r +5z a u u r 有一个二维矢量场F(r)r =x a u u r （-y ）+y a u u r (x)，求其矢量线方程，并定性画出该矢量场图形。 解：由dx/(-y)=dy/x,得2x +2y =c 求数量场ψ=ln （2x +2y +2z ）通过点P （1，2，3）的等值面方程。 解：等值面方程为ln （2x +2y +2 z ）=c 期中复习 一、填空 1.经典氢原子模型中，电子与质子相距0.529×10-10m，则电子与质子间的库仑力 =8.24×10-8N。 2.半径为a的薄圆板均匀带电，中心区域表面附近电场大小为E，则离平板中心 r (r>>a) 处的电场大小=a2E/(2r2)。 3.点电荷q位于边长为a的立方体中心，则q在立方体一个面上的电通量=q/(6ε0)。 4.一球壳由彼此绝缘的两个金属半球壳组成，一半接地，另一半电势为U，则球 心处的电势为U/2。 5.四个标称值均为20pF，10V的电容器，其中两个并联后再与另外两个串联，则 总电容=8pF，可以耐受的最高电压值=25V。 6.三个点电荷排列在x轴上，q1=q2=-q3，q1位于x=0，q2位于x=1，则当q3位于 、、时，该点电荷系的总相互作用能为零。 x=或 1/22/3(9(3 7.点电荷q与接地无穷大导体平板相距a，则q受力=q2/(16πε0a2)，体系互能 =-q2/(16πε0a)。 8.四面体的全部棱边所构成的电路中，节点数=4，独立回路数=3。 9.一根长2m，横截面10cm2的铜棒，两端电压为50mV。已知铜的电导率是 5.8×107S/m，则铜棒电阻=3.45×10-5Ω，0.1秒内产生的焦耳热=7.25J。 10.如图所示，U ab=10V，则I=10/27A，R ab=108/55Ω。 二、判断 1.(×) 闭合曲面上各点电场均为零时，面内必没有宏观电 荷。 2.(×) 等势面间距大的地方电场线较密。 3.(×) 两导体均带正电，则二者不可能相互吸引。 4.(√) 铁电体中电位移与电场强度一般不成正比。 5.(√) 电源的路端电压可以大于其电动势。 6.(√) 如果点电荷之间的库仑力不与其距离平方成反比，则高斯定理不再成立。 7.(×) 一导体空腔中有一正点电荷，则该电荷越靠近内腔表面，导体的电势越高。 8.(√) 无限大金属平板外有一点电荷，则该体系电场分布与金属板是否接地无关。 9.(×) 由于像电荷与感应电荷产生完全等效的静电场，所以像电荷量等于总感应 电荷量。 10.(√) 导体通以稳恒电流，则宏观电荷只能分布于导体表面和不均匀处。 第4章 光的电磁理论 1、计算由下式表示的平面波电矢量的振动方向、传播方向、相位速度、振幅、频率、波长，并求解该平面波所处介质的折射率，同时证明该平面波的横波性，该平面波是何种偏振态？（其中x 和y 分别为x 和y 方向上的单位矢量，式中所有数值均为国际单位制表示） ( )) 8223exp 610E x y i y t ??=-+++?? ? 答案： 由题意得到电矢量的振动方向为1322 O x y =- +，为线偏振态。 x 和y 方向的波数分别为)1x k m -=和() 11y k m -= ，所以平面波传播方向为 3122 P x y =--，总波数为()12k m -== =。 ()4V m = 角频率为()8610rad s ω=?，所以频率为()83 102Hz ωυππ = =? 波长为()88310310c m s m Hz λπυπ ?== =? 相位速度为()881 6103102rad s v m s k m ω -?===? 该平面波所处介质的折射率为88 3101310c m s n v m s ?===? 振动方向132O x y =- + 和传播方向3 12 P x y = +的内积为 1111 02222???-?=-+= ? ????? 所以振动方向与传播方向垂直，平面波的横波性得证。 2、已知单色平面光波的频率为1410Hz υ=，在0z =平面上相位线性增加的情况 如图所示，求空间频率x f 、y f 、z f 。 答案： 单色平面光波的波长814 310310c m s m Hz λμυ?===，空间频率6111 103 f m λ-==?。 从图中可以看到x 和y 方向上的波长为8x m λμ=、5y m λμ=，所以x 和y 方向上的空间频率()5111 1.25108x x f m m λμ-= = =?、() 5111 2105y y f m m λμ-===?。 由关系式2222x y z f f f f =++得到()512.3554910z f m -=≈?。 3、设一单色平面光波的频率为1410Hz υ=，振幅为1V m 。0t =时，在xOy 面（0z =）上的相位分布如图所示：等相位线与x 轴垂直（即与y 轴平行），0?=的等相位线坐标为5x m μ=-，?随x 线性增加，x 每增加4m μ，相位增加2π。求此单色平面光波的空间相位因子。 电磁学第二版习题答案 电磁学 第二版 习题解答 电磁学 第二版 习题解答 (2) 第一章 .......................................................................................................................................................... 2 第二章 ........................................................................................................................................................ 16 第三章 ........................................................................................................................................................ 24 第四章 ........................................................................................................................................................ 32 第五章 ........................................................................................................................................................ 36 第六章 ........................................................................................................................................................ 43 第七章 .. (48) 第一章 1．2．2 两个同号点电荷所带电荷量之和为Q 。在两者距离一定的前提下，它们带电荷量各为多少时相互作用力最大？ 解答： 设一个点电荷的电荷量为1 q q =，另一个点电荷的电荷量为2()q Q q =-，两者距离为r ，则由 库仑定律求得两个点电荷之间的作用力为 2 0() 4q Q q F r πε-= 令力F 对电荷量q 的一队导数为零，即 2 0()04dF Q q q dq r πε--== 得 122 Q q q == 即取 122 Q q q == 时力F 为极值，而 第五章 静 电 场 5 －9 若电荷Q 均匀地分布在长为L 的细棒上.求证：(1) 在棒的延长线，且离棒中心为r 处的电场强度为 2 204π1L r Q εE -= (2) 在棒的垂直平分线上，离棒为r 处的电场强度为 2204π21L r r Q εE += 若棒为无限长(即L →∞)，试将结果与无限长均匀带电直线的电场强度相比较. 分析 这是计算连续分布电荷的电场强度.此时棒的长度不能忽略，因而不能将棒当作点电荷处理.但带电细棒上的电荷可看作均匀分布在一维的长直线上.如图所示，在长直线上任意取一线元d x ，其电荷为d q ＝Q d x /L ，它在点P 的电场强度为 r r q εe E 2 0d π41d '= 整个带电体在点P 的电场强度 ?=E E d 接着针对具体问题来处理这个矢量积分. (1) 若点P 在棒的延长线上，带电棒上各电荷元在点P 的电场强度方向相同， ?=L E i E d (2) 若点P 在棒的垂直平分线上，如图(A )所示，则电场强度E 沿x 轴方向的分量因对称性叠加为零，因此，点P 的电场强度就是 ??==L y E αE j j E d sin d 证 (1) 延长线上一点P 的电场强度?'=L r πεE 202， 利用几何关系 r ′＝r －x 统一积分变量，则 ()220 022 204π12/12/1π4d π41L r Q εL r L r L εQ x r L x Q εE L/-L/P -=??????+--=-=? 电场强度的方向沿x 轴. (2) 根据以上分析，中垂线上一点P 的电场强度E 的方向沿y 轴，大小为 E r εq αE L d π4d sin 2 ? '= 利用几何关系 sin α＝r /r ′，2 2 x r r +=' 统一积分变量，则 () 2 2 03 /2222 2041π2d π41L r r εQ r x L x rQ εE L/-L/+= +=? 当棒长L →∞时，若棒单位长度所带电荷λ为常量，则P 点电场强度 r ελL r L Q r εE l 02 20π2 /41/π21lim = +=∞ → 此结果与无限长带电直线周围的电场强度分布相同［图(B )］.这说明只要满足r 2/L 2 ＜＜1，带电长直细棒可视为无限长带电直线. 5 －14 设匀强电场的电场强度E 与半径为R 的半球面的对称轴平行，试计算通过此半球面的电场强度通量. 分析 方法1：由电场强度通量的定义，对半球面S 求积分，即? ?=S S d s E Φ 方法2：作半径为R 的平面S ′与半球面S 一起可构成闭合曲面，由于闭合面内无电荷，由高斯定理 1坐标原点放一正电荷Q,它在P点(x=+1,y=0)产生的电场强度为E。现在，另外有一个负电荷-2Q，试问应将它放在什么位置才能使P点的电场强度等于零？ (A) x 轴上x>1。(C) x 轴上x<0。(E) y 轴上y<0。(B) x 轴上0 用力为F 。小球3不带电并装有绝缘手柄。用小球 去。则此时小球1和2之间的相互作用力为 3先和小球1碰一下，接着又和小球 2碰一下，然后移 (B) F / 4。 (D) F / 2。 6.图所示，CDEF 为一矩形，边长分别为 I 和21。在DC 延长线上CA =I 处的A 点有点电荷+ q ,在CF 的中点B 点有点电荷-q ,若使单位正 电荷从C 点沿CDEF 路径运动到F 点，则电场力所作的功等于: q V5 1 (A) 4 o l 5 I q 晶 1 (C) 4 o l ,3 (B) 7.个带正电荷的质点，在电场力作用下从 A 点出发经C 点运动到 B 点，其运动轨迹如图所示。已知质点运动的速率是递减的，下 面关于C 点场强方向的四个图示中正确的是： [ D : &带正电荷的物体 M ，靠近一原不带电的金属导体 N , N 的左端 感生出负电荷，右端感生出正电荷。若将 N 的左端接地，如图所示，则 (A) N 上有负电荷入地。 (B) N 上有正电荷入地。 (C) N 上的电荷不动。 (D) N 上所有电荷都入 地。 9 .空中有“孤立的”均匀带电球体和一均匀带电球面，如果它们的半径和所带的电荷都相等。则它们的 静电能之间的关系是 (A)球体的静电能等于球面的静电能。 (B)球体的静电能大于球面的静电能。 (C)球体内的静电能大于球面内的静电能，球体外的静电能小于球面外的静电能。 (D)球体的静电能小于球面的静电能。 10.实线为某电场中的电场线，虚线表示等势(位)面，由图可看出: (A) E A > E B > E C , (B) E A V E B V E C , (C) E A > E B > E C , (D) E A V E B V E C , U A > U B > U C 。 U A V U B V U C 。 U A V U B V U C 。 U A > U B > U C 。 11.有三个直径相同的金属小球。小球 1和小球2带等量异号电荷，两者的距离远大于小球直径，相互作 (A) 0。 (C) F /8。(完整版)电磁学练习题及答案
中国科技大学电磁学教案7
§2-1 物质的电性质
一、物质电性质分类
纳米变阻箱
1. 导体、绝缘体与半导体
各种物质电性质的不同，早在18世纪初就为人们所 各种物质电性质的不同，早在 世纪初就为人们所 注意了。 年 英国人格雷（ ） 注意了。1729年，英国人格雷（Stephen Gray）就 发现金属和丝绸的电性质不同， 发现金属和丝绸的电性质不同，前者接触带电体时 能很快把电荷转移或传导到别的地方， 能很快把电荷转移或传导到别的地方，而后者却不 能。 由于不同原子内部的电子数目和原子核内的情况各 不相同， 不相同，由不同原子聚集在一起构成的不同物质的 电性质也各不相同，甚至有的差别很大。 电性质也各不相同，甚至有的差别很大。即使是由 相同原子构成的物质，由于所处的环境条件（ 相同原子构成的物质，由于所处的环境条件（如温 度、压强等）不同，电性质也有差异。 压强等）不同， 电性质也有差异。 电阻率（用符号ρ表示） 电阻率（用符号ρ表示）是可以定量反映物质传导 电荷能力的物理量，在数值上等于单位横截面、 电荷能力的物理量，在数值上等于单位横截面、单 位长度的物质电阻。物质的ρ越小， 位长度的物质电阻。物质的ρ越小，其传移和传导 电荷的能力越强。 电荷的能力越强。
（1）导 体
B.
J.Y
e
转移和传导电荷能力很强的物质， 转移和传导电荷能力很强的物质，或者 说电荷很容易在其中移动的物质； 说电荷很容易在其中移动的物质；导体 之间。 的电阻率约在 10-8 m～10-6 m之间。 ～ 之间 导体有固态物质，如金属、合金、石墨、 导体有固态物质，如金属、合金、石墨、 人体、地等；有液态物质，如电解液， 人体、地等；有液态物质，如电解液， 即酸、碱、盐的水溶液等；也有气体物 即酸、 盐的水溶液等； 如各种电离气体．此外， 质，如各种电离气体．此外，在导体中 还有等离子体和超导体。 还有等离子体和超导体。
（2）绝缘体
转移和传导电荷能力很差的物质， 转移和传导电荷能力很差的物质，即电 荷在其中很难移动的物质； 荷在其中很难移动的物质；绝缘体的电 阻率一般为10 阻率一般为 6 m～1018 m。 ～ 。 绝缘体同样有固态物质，如玻璃、橡胶、 绝缘体同样有固态物质，如玻璃、橡胶、 塑料、瓷器、云母、纸等。 塑料、瓷器、云母、纸等。 有液态物质，如各种油。 有液态物质，如各种油。 也有气态物质，如未电离的各种气体。 也有气态物质，如未电离的各种气体。电磁学(赵凯华_陈熙谋_)__第二版_课后答案1.
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