课后练习答案-物理学(第二版)祝之光编[1]

课后练习 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 -物理学(第二版)祝之光编[1] 物理学(祝之光)习题解答 专科用《物理学》(祝之光编) 部分习题解答 第一章 质点运动 时间 空间 tt1-1 一质点在平面上作曲线运动，时刻的位置矢量为，时刻的位置rij,,，(26)121 rij,，(24),,,ttt矢量为。求:(1)在时间内位移的矢量式: (2)该段时间221 ,rrr,内位移的大小和方向:(3)在坐标图上画出及。(题中以计，以计) rtms12 解:(1) ,,,,，,,，,,rrrijijij(24)(26)4221 22,,，,,rm4(2)4.47() (2) ,,y210 ,,,tan26.6,,,,,,,(为与轴的夹角)rx,x42 Y (3) 6 ,r 4 r 1 2 r 2 X -2 6 0 2 4 21-2 一质点作直线运动，其运动方程为，其中以计，t以计。求:xmsxtt,，,14 (1)第3秒末质点的位置;(2)前3秒内的位移大小;(3)前3秒内经过的路程(注 意质点在何时速度方向发生变化);(4)通过以上计算，试比较位置、位移、路程三个 概念的区别 2 解(1) xm,，,,,14334()3 2 (2) ,,,,，,,,,xxxm(1433)13()30 dx,ts,2() (3) vtv,,,,420时dt sxxxxm,,，,,5()2032 (4)(略) 第1页 物理学(祝之光)习题解答 Av1-3 质点从某时刻开始运动，经过时间沿一曲折路径又回到出发点。已知初速度,t0 v与末速度大小相等，并且两速度矢量间的夹角为，如题1-3图所示。(1)求时间,,tt 内质点的平均速度;(2)在图上画出时间内速度的增量，并求出它的大小;(3)求,t 出时间内的平均加速度的大小，并说明其方向。 ,t ,r 解(1) v,,0,,r0v tv,t,v 0 22 , ,,，,vvvvv2cos, (2) (如图所示) tt00 ,vA (3) 方向同方向。 a,,v,t 2xtyt,,,2,2,y1-4 已知一质点的运动方程为式中以计，和以计。 tsxm(1)计算并图示质点的运动轨迹;(2)求出 到这段时间内质点的平均速ts,1ts,2度; (3)计算1秒末和2秒末质点的速度;(4)计算1秒末和2秒末质点的加速度。 2xt,2,x 解(1) 由得y,,，2,y 2yt,,24, 运动轨迹如图 2 2rtitj,，,2(2) (2) 1 ,,,,,,，,,rrrijijij(42)(2)2321 x o2 3 1 ,,rij23,1vijms,,,,,23() ,,t21 dr(3) vitjvijvij,,,,,,,22222412dt dv(4) ajaaj,,,,,,2212dt H 1-5 一 身高为的人，用绳子跨过滑轮拉一雪橇匀速奔跑。雪橇在高出地面的平台上，h Lv如题1-5图所示，人奔跑的速率为，绳子总长为，起始时刻()，人到滑轮间的t,00 l绳长为。试按如图所示坐标系:(1)写出雪橇在平台上的运动方程;(2)求出雪橇在平0 台上的运动速度。 解(1)(示意图见课本P19 题图1-5) xLl,, 由题意知，当时，; t,000 第2页 物理学(祝之光)习题解答 2222，， 在时刻， txLllHhlHhvt,,,,，,,，其中()()00，， 所以，雪橇在平台上的运动方程为: 2222，，xLlLHhlHhvt,,,,,，,,，()() 00，， 22，，,,,，lHhvtv()000dx，， (2) v,,2dt222，，()lHhvtHh,,，，，()00，， AB1-6 球无摩擦地沿如图所示的坡路上加速滑动。试分别讨论在点(平地上)、点(上坡 dvdvD,起点)、点(坡的最高点)和点(下坡路中的一点)，关系式是否成立,为什Cdtdt dv么,(设) ,0dt C解: 在A点成立，B/、C、D点均不成立。 D dvdv22,,，,aaaa 因为nttA B dtdt dvdv,a,0只有当时，才有 ndtdt 21-7 一质点作圆周运动的运动方程为 (以计，t以计)，在时开s,,,24tt,radt,0始逆时针转动。问:(1)时，质点以什么方向转动, (2)质点转动方向改变的瞬ts,0.5 间 ，它的角位置等于多少, , d,-1 解(1),0 ,,,,,,280.52tts时，(s),,dt 所以该时刻与初始时刻的转动方向相反，以顺时针方向转动。 (2)转动方向改变的瞬间，即角速度为0的瞬间。所以， ,,,,,2800.25tt得(s) 由 22,,,,,,,,2420.2540.250.25()ttrad M1-8如图示，图(a)为矿井提升机示意图，绞筒的半径。图()为料斗工rm,0.5b ,1vt,作时的图线，图中。试求tsss,2,8,14等时刻绞筒的角速度、角加速度和vms,,4 绞筒边缘上的一点的加速度。 N 第3页 物理学(祝之光)习题解答 v ,1()ms, v N t O 16 4 8 12 s M 题1-8图 解 由图示可知， ,,21,tamsvtms[0,4]1()(),,,,11,,,21 tamsvms[4,12]0()4(),,,,,22,,21,tamsvtms[12,16]1()4(12)(),,,,,,,33, 2,,1,,,4()ss2,0.5,v4,,1 角速度 ,,,8()s,,,8sr0.5, 42,,,1s,,4()14s,,0.5, a1,,21,,,,2()ss2,r0.5,aa,,22 角加速度 ,,,0()s,,,s8rr, a,1,,23,,,,2()s,s14,r0.5, N点的加速度 4220,,,arms,，,,,,,,8.06()82522242,2222ssssaaar,，,，,,,nt,,4220,2arms32()90(),，,,,指向轴心,,,,,8888ssssa,n,,arctanarctan,,,4220,a,,arms,，,,,8.06()8252t,,,,14141414ssss,, ,21-9 质点从静止出发沿半径的圆周作匀变速运动，切向加速度。问: ams,,3Rm,3t 0(1)经过多少时间后质点的总加速度恰好与半径成角,(2)在上述时间内，质点所经45历的角位移和路程各为多少, ,2由题意知，aa,Rms,,3() 解(1) tn ,2,2,,1()s,2 可得 解得 333(),,,,,ms,,1,1()s,, ,,0且质点作匀变速圆周运动又因为 0 第4页 物理学(祝之光)习题解答 由 ,,,,tts可得1() 12(2)由匀变速圆周 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ,,,,，tt02 12 得 ,,,,，,,,,,,,01110.5()30.51.5()radsRm2 21-10 列车沿圆弧轨道行驶，方向由西向东逐渐变为向北，其运动规律(以xmstt,,80 A计，以计)。当时，列车在点，此圆弧轨道的半径为1500.若把列车视为质点， tsmt,0 A求列车从点行驶到处的速率和加速度。 sm,1200北 ds解 (1) vt,,,802dt 2东 当时，有 120080,,ttsm,1200 tsts,,20()60() 解得 (不合题意，舍去) 12A ,1ts,20()vms,,,,,8022040()将代入(1)式， 1 题1-10图 s12000 ,,,,,东偏北0.8()45.84()radR1500 dv,,1,2ams,,,,2(),ams,,,2()tt,,dt, 又 时 ts,20,,1522,2vt(802),ams,,(),n,a,,n16,,R1500, 34222, aaams,，,,,2.27()tn15 a150n设与的夹角为，则=,,,,, aatan25.13 ta32t 第二章 力 动量 能量 ,的木块放在与水平成角的固定斜面上，两者间的静摩擦因数较小，2-2 把一个质量为m,, 因此若不加支持，木块将加速下滑。 ,tan,,,(1)试证。 F(2)必须加多大的水平力，才能使木块恰不下滑,这时木块对斜面的正压力多大, F(3)如不断增大力的值，则摩擦力和正压力将有怎样的变化, (1)证明 第5页 物理学(祝之光)习题解答 y FN f,, F mm xmg ,, 建立如图坐标系，根据牛顿第二运动定律，可得: y ,,mgma(sincos)0sincos0,,,,,, ,,,,,FNf,, F ,,tan0tan,,,, ,,,证毕m (2)由牛二定律，可得: xmg ,, FmgmgFcossin(cossin)0,,,,,,，，, ,sincos,,,,Fmg, 解得 ,cossin，,,, mg,，,cossin,,FmgF N,cossin，,,, FmgF,，cossin,,(3)由，正压力随着F的增大而增加。 N 当即时，FmgFmgcossintan,,,,, F静摩擦力fmgF,,sincos,,随的增加而减少，方向沿斜面向上; 当即时，FmgFmgcossintan,,,,,; f,0 当即时，FmgFmgcossintan,,,,，, ,0,,，fFmg(sincos)方向沿斜面向下。,,, FNmkgmkg,,,4,0.3,0.2,2-3 如图所示，已知两物体与平面的摩擦因数均为0.2.12 m求质量为的物体的加速度及绳子对它的拉力(绳子和滑轮质量均不计) 2 F m 1m 2 题2-3图 第6页 物理学(祝之光)习题解答 mm,解:隔离物体，作出受力分析图，由牛二定律可得: 12 FFfma,,,,T111,1F T1 m f m ,FF 221T2Ffma,,fT222,12, FF,2,TTf12,fmg,,,11由题意: 且代入上式，可得,,1fmg,,aa,22, ,12,2 1,FFmgma,,,,,2,T1122 2, ,Fmgma,,,T2222, Fgmm,，,(2),,212ams,,,4.78()2,m1，2m,2解此方程组，解得 2, ,(23)Fmg,,1FmN,,1.35(),T22mm，412, mmkgmkg,,,0.1,0.82-4 三个物体，质量分别是。当把它们如图()所ABC,,aABC 示放置时，物体系正好匀速运动。(1)求物体与水平桌面间的摩擦因数;(2)如果将物C AB体移到物体的上面，如图()所示，求系统的加速度及绳中张力(滑轮与绳的质量b 不计) A 解(1)取物体系为研究对象，受力分析如图: Cf C 由于物体系匀速运动，所以有 mgf,,0 BC B fmmg,，,() CACmg B m0.1B,,,,1.1 两式联立，解得 ，，mm0.10.8AC F TAB2)隔离物体和物体、，受力分析如图所示 (CF N 由牛顿运动第二定律，可得: A f F CFfma:,, TTCC B ()()mmgFmma，,,， AB和:ABTABmg C ()mmg， ABfmg,, 其中 C 第7页 物理学(祝之光)习题解答 三式联立，解得: mmm，,,,,2ABCagms,,,1.1(),mmm，，,ABC ,(1)()，，mm,AB,FmgN,,1.7()TC,mmm，，ABC, 2-5 的箱子放在卡车的车厢底板上，已知箱与底板之间的静摩擦因数为0.40，滑动摩40kg ,2擦因数为0.25.试求下列情况下，作用在箱上的摩擦力的大小和方向:(1)当卡车以2ms, ,2加速度行驶时: (2)当卡车以减速行驶时。 3.5ms, 00.40409.8160(),,,，，,fmgN,解:由题意知 man0 fmaNf,,，,,40280()(1) 1man 所以作用在箱上的静摩擦力为80牛，方向向前。 fmaNf,,，,,403.5140()(2) 2man 所以作用在箱上的静摩擦力为140牛，方向向后。 A2-6 一质量为的小球最初静止于如图所示的m 点，然后沿半径为r的光滑圆弧的内表面下ADCBA B O滑。试求小球在点时的角速度和对圆弧表面的作C r, 用力。 解:设小球 t 时刻，转过的角度为(如图所示) , CD 由牛顿第二定律可得: 题2-6图 d, cos,,mgmamr,tdtA dgdddd,,,,, , 即 ,,,,cos又因为,,, dtrdtddtd,, F dgg,T 所以 ,,coscos即dd,,,,,,drr, CD t,,00时，,,=0 对上式两边同时积分，并且考虑到 00 mg ,,g ,,,,dd,cos,,00r 12gg2,,,,,,sinsin 得 2rr 第8页 物理学(祝之光)习题解答 22gg,,,，,sin()cos 在点， 所以 ,,,,，C,,Crr22 点，小球对圆弧表面的作用力与圆弧对小球的作用力是一对作用力与反作用力，圆 在C 弧对小球的作用力与重力在径向的分力的合力充当向心力，所以有 FTC 22FmgmrFmgmrmg,,,，,coscos3cos,,,,, TCTcCC ,1vims,,20j2-7 将质量的物体，以初速抛出。取水平向右，竖直向下，mg,800i0 忽略阻力，试计算并作出矢量图: ,2gms,,10(1)物体抛出后，第2秒末和第5秒末的动量()。 (2)第2秒末至第5秒末的时间间隔内，作用于物体的重力的冲量。 解:(1)物体抛出后作平抛运动，所以有 ,,11,,vvmsPmvkgms,,,,,,,20()16(),,xxx0 ,,,,113 6 o xvgtmsPmvtkgms,,,,,,()8(),,yyy,, P2s,PPiPjij,，,，1616,2sxy11 20, PPPiPjij,，,，16405s I5sxy,22,G 40(2)重力即物体受到的合外力，根据动量定理，有 y IPPPijijj,,,,,，,，,(1640)(1616)24Gss52 A2-8一质量为的滑块，沿如图所示的轨道以初速无摩擦地滑动。求滑块由运mvRg,20 Bj动到的过程中所受到的冲量，并图示(与地面平行。取水平向右，竖直向上)。 iOB 解:滑块从A到C的过程中，由于受到的合外力为零，所以冲量为零。整个过程受到的冲量 即为从C到B受到的冲量。 如图所示， v t F TB O ,, v 0 R Ft mg v 0C A 滑块在圆弧上任一位置时，由牛顿第二定律，可得: dvdvdvdv, mgmmmcos,,,,,,,,dtddtRd,, 第9页 物理学(祝之光)习题解答 (分离变量) gRdvdvcos,,,, , (两边同时积分)并考虑到 ,,,,02;时，时，设vRgivvj,,02 ,v11222RgdvdvRgvRg,,,,,,，得: cos(2),,02Rg22 解得 或记作 vRg,2vRgj,2 由动量定理， IPPmvmvmRgiRgjmRgij,,,,,,，,,，(22)(22)210 0,12-9 质量为 的小球，以的速率和的仰角投向竖直放置的木板，如图所0.25kg20ms,45示。设球与板碰撞时间为，反弹角度与入射角相等，小球速度在水平方向分量的大小0.05s 不变，求木板对小球的冲力(取轴水平向右建立坐标系)。 x y 解:建立如图坐标系，则 00Pmvmvij,,，(sin45cos45)000 mv 00Pmvmvij,,,，(sin45cos45) o xvv,由题意知 0 0 45根据动量定理，木板对小球的冲量为: mv 00 IPPmvi,,,,2sin4500 02,，，，20.2520,2sin45mvI02Fiii,,,,141 ,,tt0.05 mmmm,,,22-10 炮弹在抛物线轨道最高点炸裂成A、B两块，。设爆炸前瞬时，炮AB11 v弹速度为。若忽略重力，此爆炸过程符合什么规律,并就下面两种情况写出该规律的方0 v程:(1)B落在爆炸点的下方，设爆炸后瞬时B的速率为;(2)B沿原来的轨道返回抛B出点。并就第(2)种情况回答:A将沿什么方向飞去,是否落在原来预计的着地点,A、B 是否同时落地,落地时的速率是否相等, 解:若忽略重力，炮弹不受外力，遵守动量守恒定律。 (1) PmviPmvj,,320101BB 根据动量守恒定律，应有 PPPPmvimvj,，,,所以，320101BAAB 第10页 物理学(祝之光)习题解答 (2) PmviPPPPmvi,,,，,25所以，BBAA1010 ,12-12 质量为的人以的水平速度从后面跳上质量为的小车上，小车原来60kg80kg2ms, ,1。问:(1)小车的运动速度将变为多少,(2)人如果迎面跳上小车，小车的速度为1ms, 的速度又将变为多少, 解:(1)人和小车组成的系统不受外力作用，系统的动量守恒。 设人跳上车后的共同速度(即小车的速度)为，根据动量守恒定律，有 v mvmvmmvv，,，，，，,，()即(60280160+80)人人人车车车 ,1vms,,1.43() 解得 -1 (2)当人迎面跳上小车时， vms,,,()2人 60(2)801，,，，,1 代入上式，解得 vms,,,,0.286()6080， 2-13 从深的井中，把的水匀速上提，若每升高漏去的水。(1)画出示10kg0.2kg10m1m意图，设置坐标轴后，写出外力所作元功的表达式:(2)计算把水从水面提到井口外力dw 所作的功。 y 解 建立如图坐标系。因匀速上升，所以外力大小等于重力。 y 当水位于任一位置时，其质量为mykg,,(100.2)() 此时外力大小为 FmgygN,,,(100.2)() (1)dwygdy,,(100.2)(J) dy 10100.22 (2) wygdygygy,,,,(100.2)10y ,002 o ,,,98098882()J k2-14 原子核与电子的吸引力的大小随它们之间的距离r而变，其规律为，求电子从F,2r rrr(),r运动到，核的吸引力所作之功。 1212 kF o 解 r(是减小的) dwFdrdr,,,,()2r rrr 21 rk112 wdrk,,,,()() 2,r1rrr21 第11页 物理学(祝之光)习题解答 2-15 用铁锤将一铁钉钉进木板。设木板对钉的阻力与钉进木板之深度成正比。在第一次锤 击时，钉被钉进木板。问第二次锤击时，钉被钉进木板多深,假设每次锤击铁钉前速1cm 度相等，且锤与铁钉的碰撞为完全非弹性碰撞。 解 设 Fkx, 由题意，铁锤每次锤击，钉克服阻力做相同的功。 1cm1cm11,22 第一次锤击做功为: ,,,，wkxdxkxkJ10()1,0022 x1,,222 第二次锤击做功为: wkxdxkxkxJ,，,，,10(1)()10()2,02 112 由 wwkkxkx,,，得1222 解得 xcmx,,，,,,,120.4112()()不合题意，舍去12 8000,3210，kg2-16 质量为的子弹，在枪筒中前进时受到的合力是的单位FxF,,400,9 ,1是的单位是。子弹在枪口的速度为，试计算枪筒的长度。 Nx,m300ms, wE,, 解 取子弹为研究对象根据动能定理，，有: k L80001122 wxdxmvmv,,,,(400)0,0922 ,,31 积分，并将代入， mkgvvms,，,,,210,0,300()0 2得 400360810LL,，, 解得 Lm,0.45() 2-17 一条均匀链条，质量为，长为，成直线状放在桌面上。已知链条下垂长度为时，mal 链条开始下滑。试用动能定理计算下面两种情况链条刚好离开桌面时的速率。 ,(1)不计链条与桌面间的摩擦。(2)设链条与桌面间的摩擦因数为。 mgy 解:(1)取链条为研究对象，当其下落长度时，受到的合外力为 Fy,l 链条从开始下落到刚好全部离开桌面，外力做的总功为: lmgmg122 wydyla,,,,(),all2 wE,, 设链条刚好全部离开桌面时速度为，根据动能定理，，有 vk 11mg222 ,,,,()0lamv22l 第12页 物理学(祝之光)习题解答 g22vla,,() 解得 l mgmg, (2) Fylya,，,,()ll l0mgmg,,，,，,，[()]wwwydylyady12,,,alall 11mgmg,222,,,,,,()()lala22ll mgmg111,2222wE,, 根据动能定理，，有 ,,,,,,()()lalamvkll222 g222vlala,,,,[()()], 解得 l 原长开始，第一次拉伸长度，在此基础上，第二次使弹簧再伸长，继 2-20 从轻弹簧的ll而，第三次又拉伸长度。求第三次拉伸和第二次拉伸弹力作功的比值。 l 解:弹簧各次升长弹力作功分别为: 113152222222 WklWkllklWkllkl,,,,,,,(4)(94)12322222 WW,53 第三次拉伸和第二次拉伸弹力作功的比值为: 32 kk,2-21 两轻弹簧A、B，劲度系数分别为，把它们如图串接后，再12 A 悬一质量为的重物，释手后，任其运动。 mC ABxx(1)设某时刻两弹簧共伸长，求、的分别伸长值和。 x12B AB(2)、串接后，把它们看作一个新弹簧，设新弹簧的劲度系数为 mC kk,，请用表示 。 kk题2-21图 12 (3)某时刻，作用在重物上的弹力正好等于重物的重量，这时(弹簧、重物、地球)CC 系统处于平衡。求此时两弹簧的总伸长量。 4)重物从初位置(两弹簧都没有伸长时)运动到平衡位置的过程中，弹力和重力作功( 分别是多少,二者合力作功是多少, (5)设重力势能的零势能点和弹性势能的零势能点都在初位置处，分别求在平衡状态时的重力势能和弹性势能。 EE(6)运动过程中不计任何阻力，求平衡位置处重物的动能和系统的机械能。 CkM 第13页 物理学(祝之光)习题解答 xxx，,解:(1)由题意知 (1) 12 kxkx, (2) 某时刻，系统处于平衡状态，所以有 1122 kx,2x,1,kk，,12 两式联立，解得 ,kx1,x,2,kk，12, kxkxkxkx,,()或 (2)根据受力分析，应有 1122 kxkk212 将代入上式，得 x,kxx,1kk，kk，1212 kk11112 即,， 所以k,kkkkk，1212 mgkk，12 (3)由题意，，所以xmg,, kxmg,kkk12 kk，212()Wmgxmg,, (4) Gkk12 x111kkkkkk，，222121212 Wkxdxkxmgmg,,,,,,,,,()()()F,0222kkkkkk，121212 1kk，212 WWWmg,，,,() GF2kk12 WEEE,,,,,,() (5)根据 PPPo kkkk，，1221212EEWWmgEmg,,,,,,,,()() PGPPF0kkkk21212 (6)由(4)知，重物从初始位置运动到平衡位置的过程中，重力和弹力做的总功为 kk，1212WWWmg,，,,() 。 GF2kk12 WE,,E,0取重物C为研究对象，根据动能定理，且 kk0 kk，1212EEEEWmg,,,,,,,()所以有 kkkk02kk12 第14页 物理学(祝之光)习题解答 11kkkkkk，，，222121212 EEEEmgmgmg,，，,,，,，,,()(())()0kPGPF22kkkkkk121212 ,1mkg,0.022-22 已知子弹质量，木块质量是，弹簧的劲度系数， 8.98kgm100Nm,0 vv子弹以初速射入木块后，弹簧被压缩。求的大小。设木块与平面间的滑动摩10cm00 擦因数为0.2，不计空气阻力。 解:取子弹和木块组成的系统为研究对象， v 0 m在子弹射入的过程中，由于不受外力作用， m0 系统的动量守恒，设碰后系统的速度为， 题2-22图 v v取方向为轴正方向，根据动量守恒定理，有 x0 mvmmv,，() (1) 000 在压缩弹簧的过程中，系统受到弹力和摩擦力的阻碍作用，最终停下来。根据动能定理， 1122有 (2) ，,，，,()()mmvmmgxkx0022 ,1(1)(2)联立，并将已知数值代入，解得 vms,,319()0 mm2-23 质量为的物体静止地置于光滑的水平桌面上并接有一轻弹簧。另一质量为的12 v物体以速度与弹簧相撞。问当弹簧压缩最甚时有百分之几的动能转化为弹性势能, 0 12mm，m解:取()组成的系统为研究对象。碰前系统的总动能为的动能， Emv,122k0202 mm， 当()有共同速度时，弹簧压缩最甚。碰撞过程系统的动量守恒，所以有: 12 22mvmvmv112202020 mvmmvvEmm,，,,，,()()()k201212mmmmmm，，，22121212 22mvmm111222012 EEEmvv,,,,,,,Pkk0200222mmmm，，1212 EmP1,,,100%, ，Emmk012 第三章 刚体的定轴转动 ,13-2 一飞轮以转速nr,,1500min转动，受制动均匀减速，经后静止。 ts,50 第15页 物理学(祝之光)习题解答 (1)求角加速度和从制动开始到静止这段时间飞轮转过的转数; ,N(2)求制动开始后时飞轮的角速度; ,ts,25 (3)设飞轮的半径，求在时飞轮边缘上一点的速度和加速度。 rm,1ts,25 ,n150060,,22解:(1) ,,,,,,,,,,,0.5()()rsradst50 11500122 ,,,,,,,,,Nnttr500.550625()2602 1500,1 (2) ,,,,,,,250()rads060 ,1 ,,,,,,,,,,,,,,trads50252578.5()0 ,1vrms,,，,,,178.578.5() (3) ,2 arms,,，,,,,,,,,,1()3.14()t 2232, arms,，,，,,1(78.5)6.1610()n 32, aaeaeeems,，,,，，,(3.146.1610)ttnntn 3-3 有一均匀细棒，质量为，长为。设转轴通过棒上离中心为的一点并与棒垂直，mlh求棒对此轴的转动惯量。这一转动惯量与棒对通过棒的中心并与此轴平行的转轴的转动 惯量相差多少, 解:(1)关于轴的转动惯量: O dmC O mm22如图 dmdxdJxdmxdx,,, hll ll，hmmll12332,,,，，,JdJxdxhh[()()]lO,,(),,hll3222 122,，mlmh12 12(2)关于通过棒的中心轴的转动惯量: Jml,OC12 2,,,,JJJmh (3)转动惯量之差: OC 246mkg,，6.0103-4地球的质量，半径，求其对自转轴的转动惯量和Rm,，6.410E 自转运动的动能。(假定地球密度均匀，其转动惯量可按均匀实球体公式计算)。 22解:由球体的转动惯量，可知地球自转的转动惯量为: Jmr,5 第16页 物理学(祝之光)习题解答 2222462372 JmRkgm,,，，，，,，,6.010(6.410)9.8310E55 12,24 由 EJTs,,,，，,，12436008.6410(),,kT2 12,37229 得 EJ,，,,，(9.8310)()2.6210()k4，28.6410 3-5 试求匀质圆环(为已知)对中心垂直轴的转动惯量。 mR, m解:在圆环上取质量元，dmdl ,dm2,R mR2 dJRdmdl,,2, 2,RmR2 ,,,JdJdlmR,,02, mm 3-6如图所示。两物体的质量分别为和，滑12F T2 m2m轮的转动惯量为，半径为。如与桌面的摩擦rJ2 F T1,F因数为，求系统的加速度及绳中的张力与aT1 题3-6图 m 1F(设绳子与滑轮间无相对滑动)。 T2 解:根据牛顿运动第二定律和转动定理，分别对两物体和滑轮列方程为 : mgFma,, (1) 111T Fmgma,,, (2) T222 ()FFrJ,,, (3) TT12 a 由题意可知 (4) ,,r ()mmg,,12a, 四式联立，解得: 2()mmJr，，12 22mmmJrgmmmJrg()()，，，，,,,122211 FF,,,.TT1222mmJrmmJr，，，，1212 Rr3-7 两个半径不同的同轴滑轮固定在一起，两滑轮半径分别为和。下面悬二重物， mm质量分别为和，如图所示。滑轮的转动惯量为。绳的质量，绳的伸长，轴承摩J12 m擦均不计。求重物下降的加速度和两边绳中的张力。 1 解:由牛顿运动第二定律和转动定律分别对二重物和滑轮可列方程为: 第17页 物理学(祝之光)习题解答 mgFma,,(1),1111T,Fmgma,,(2) ,T2222 ,FRFrJ,,(3),,TT12 又由系统各物体间的联系，可列方程为: ,,aR(4),1rR ,ar,(5),2, 五式联立，解得: mm21,mRmr, 题3-7图 12aRg,1,22()mRmrJ，，12,2,mrmRrJ，，,22 Fmg,,11T22()mRmrJ，，12, 2,mRmRrJ，，11,Fmg,22T22()mRmrJ，，,,12 m3-8 质量、长的均匀直棒，可绕垂直于棒的一端的水平轴无摩擦地转。它原来静lO1 Om止在平衡位置上。现在一质量为的弹性小球飞来，正好在2 棒的下端与棒垂直地相撞。撞后，棒从平衡位置处摆动达到最m 1,0大角度，如图，(1)设碰撞为弹性的，试计算小球的,,30 mv 2初速度的大小。 (2)相撞时，小球受到多大的冲量, 题3-8图 解:(1)设为小球碰后的速度，由于弹性碰撞，碰撞过程角u 动量和动能守恒。所以有: 12 ,，,，,,mvlJmulmlmul22123 ml,1vu,,(1)化简得: 3m2 11112222 ,，,mvmlmu()2122232 22ml,221化简得: vu,,(2)3m2 (2)vul，,,(3)得: (1) 第18页 物理学(祝之光)习题解答 3mm，21 ,(1)(，,3)得:vl()(4)6m2 撞后，由于无外力作用，棒的机械能应守恒，所以有: 113g20,,,,,,解得:mmgl(1cos30)(23)(5) 11222l mm，312将(5)式代入(4)式，得: vgl,,6(23)12m2 (2)根据动量定理，小球受到的冲量等于小球动量的增量，所以有: Imumvmvu,,,,,() 222 m1将(1)式和(5)式代入，解得: Igl,,,6(23)6 AB3-9 两轮、分别绕通过其中心的垂直轴向同一方向转动，如图示。角速度分别为 ,,11。已知两轮的半,,,,,,50,200radsradsAB ,A径与质量分别为,B rmrmmkgmkg,,,,0.2,0.1,2,4.两轮沿轴线 ABAB 方向彼此靠近而接触，试求两轮衔接后的角速度。 B 解:在两轮靠近的过程中，由于不受外力矩的作用， 题3-9图 A 角动量守恒，所以有: 11112222 LLmrmrmrmr,，,，即,,,()()[()()]AAABBBAABB02222 1122mrmr,,，()()AAABBB,122 ,,,rads100(),1122mrmr，()()AABB22 3-11 质量为0.06kg，长的均匀细棒，可绕垂直于棒的一端的光滑水平轴转动。如0.2m 将此棒放在水平位置，然后任其开始转动。求:(1)开始转动时的角加速度;(2)落到 ,2gms,,10竖直位置时的动能;(3)落到竖直位置时的动量矩(指对转轴)。取。 lg1321,)由转动定律，得 解:(1,,,,,,mgmlrads75()MJ,,232l (2)在转动过程中，由于不受外力作用，机械能守恒。所以落到竖直位置时的动能 1等于初始位置时的势能。即 EEmglJ,,,0.06()kP02 第19页 物理学(祝之光)习题解答 6E1111222k,,,,,,得EJml() (3)由 k223lm 6E11l2321,,k,,,,，,,,LJmlmEkgms()()69.8410() k33lm 3-12 质量均匀分布的圆柱形木棒可绕水平固定轴在竖直面内转动，转轴过棒的中点与棒身 mkg,1垂直且光滑，棒长，质量。当棒在竖直面内静止时，有一子弹在距棒中lm,0.41 l,1vms,,200mg,10点处穿透木棒，该子弹质量，初速大小，方向与棒和轴都垂直，204 ,1，方向不变。求子弹穿出棒的瞬时棒的角速度的大子弹穿出棒后速度大小变为vms,,50 小。 m 1解:由碰撞过程角动量守恒，可得: ll12 ,，,mvmvml() 2021 l Oll4412 m2 vv 440解得: ,33m31010，，,12,,,,,,,()(20050)11.25()vvrads0ml10.4，1 自测题1 一、选择题 22rtitj,，341、 有一质点在平面上运动，运动方程为，则该质点作( ) ABD()曲线运动;()匀速直线运动;()匀变速直线运动;()变加速直线运动。 C 2、如图1-1所示，细绳通过两轻质定滑轮在两端各挂一 ABABmm,个物块和，设，初始、处于同一高度AB,, B且都静止。若使偏离平衡位置角而来回摆动，则物,AB A块将 ( ) 图1-1 AB()保持不动; ()向上运动; D()向下运动; ()上下运动。 C ,pi3、有一物体在Oxy平面上运动，受力作用后其动量沿两轴方向的变化分别为和x ，则该力施于此物体的冲量大小为 ( )(C) ,,pjy 第20页 物理学(祝之光)习题解答 ABIpp,,，,Ipp,,,,() () xyxy 2222DIpp,,，,Ipp,,,,() () Cxyxy F4、如图1-2所示，有一物体置于小车的左端，小车放在光滑的水平面上。用力拉物体 F使它从车的左端运动到右端，保持的大小和方向不变， F 以地面为参考系，在车固定和不固定的两种情况下，下列结论正确的是:( ) 图1-2 AF()两种情况力作的功相等。 B()两种情况物体与车间的摩擦力对物体作的功相等， ())两种情况物体获得的动能相等。 C D()两种情况由于摩擦而产生的热相等。 ABAB5、如图1-3所示，质点沿直线作匀速运动，、为轨道直线上任意两点，为线O ABLL外的任一定点(可视为垂直纸面的轴与纸面的交点)，和代表质点在、两点处AB对定点(轴)的角动量，则 ( ) O B ALLLL,()、方向不同，但。 ABAB BLLLL,()、方向相同，但 ABAB O图1-3 A LL()、的方向和大小都不同。 CAB DLL()、的方向和大小都相同。 AB 6、对于质点组，内力可以改变的物理量是 ( ) AB()总动量 ()总角动量 D ()总动能 ()总质量 C 7、如图1-4，一绳穿过水平桌面中心的小孔联接桌面上的小物 图1-4 块，令物块先在桌面上作以小孔为圆心的圆周运动，然后将绳的下端缓慢向下拉，则小物块的 OA A()动量、动能、角动量都改变。 B()动量不变，动能、角动量都改变。 ()动能不变，动量、角动量都改变。 C D()角动量不变，动量、动能都改变。 图1-5 第21页 物理学(祝之光)习题解答 ( ) 8、如图1-5，均匀木棒可绕其端点并与棒垂直的水平光滑轴转动。令棒从水平位置OAO 开始下落，在棒转到竖直位置的过程中，下列说法中正确的是: A()角速度从小到大，角加速度从小到大。 B()角速度从小到大，角加速度从大到小。 ()角速度从大到小，角加速度从大到小。 C D()角速度从大到小，角加速度从小到大。 -6，均匀木棒可绕过其中点的水平光滑轴在竖直面内转动。棒初始位于水平位9、如图1 置，一小球沿竖直方向下落与棒的右端发生弹性碰撞。碰撞过程中，小球和棒组成的系统 ( )(B) A()动量守恒、动能守恒。 OB()动量守恒、角动量守恒。 ()角动量守恒、动能守恒。 C图1-6 D()只有动能守恒。 二、填空题 xtytSI,,5cos,5sin(),,单位1、 质点的运动方程为，则质点 (1)在第1内的位移 ，第1内的路程 。 ss (2)第1内的平均速度 ，第1内的平均速率 。 ss (3)任意时刻的速度 ，任意时刻的速率 。 (4)任意时刻的切向加速度 ，任意时刻的总加速度的大小 ， 方向 。 AB2、如图1-7所示，质量相等的两物块、用轻弹簧相连后再用轻 p P绳吊在天花板之下，初始系统平衡。迅速将绳在处烧断，则在绳 mA ABa,断开瞬间，物块的加速度 ，物块的加速度A m a, 。 B B 图1-7 3、一颗子弹在枪筒里前进时受到的合力大小为 5410，,1FtSI,,400(),单位子弹从枪口射出的速率为，设子弹离开枪口300ms,3 第22页 物理学(祝之光)习题解答 I,时所受合力恰好为零。则(1)子弹在枪筒中所受合力的冲量 ;(2)子弹的质量 。 m, 4、如图1-8所示，人造地球卫星绕地球沿椭圆轨道M mB ABr运转，地球在轨道的一个焦点上。、分别为轨 r ABA rr道的远地点和近地点，到地心的距离设为和 。AB图1-8 ABv若卫星在点的速率为则卫星在点的速率A v, 。 B FxiSI,，(32)()单位5、沿轴运动的质点所受合力。质点的质量，由原点zmkg,1 F从静止出发，则质点到达处时，在这段位移上，合力对质点所作的功 ，w,xm,3 质点在处的速率为 。 v,xm,3 R6、质量为的火箭从地面发射上升一个地球半径，地球引力对火箭作的功mE m 。(设地球质量为，引力常数为) w,GE ABC7、如图1-9所示，、两物块和滑轮的质CA Rmmm,,量分别为，滑轮半径为、对轴的转ABC B 12动惯量为。设桌面和转轴光滑，绳JmR,C2 不伸长且质量不计，绳在滑轮上不打滑。则物块 图1-9 Aa,的加速度 。 A ,8、转动惯量为的飞轮以角速度作定轴转动，受到与角速度的平方成正比的制动力J0 ,0矩作用(比例系数为)，使其角速度逐渐减小。从开始制动到角速度减小为时所经k3历的时间为 。 第六章 静电场 ,,663,06-3、在坐标原点及()点分别放置电荷的点QCQC,,，,，2.010,1.01012 P(3,1),电荷，求点处的场强(坐标单位为m)。 解:(如图)，由点电荷的场强公式，可得: 第23页 物理学(祝之光)习题解答 y ,13QQ311,EEcos,,,,,,,,,11x44232,,,,,00 ,QQ1111,EE,,,,,sin,y11,44232,,,,Q 00,1 12 x , O E11QQ22Q 2,,,,,,, EEy222P(3,1), ,,,,,4(1)4 ,-1 00 E 2 3QQQ31,112,,，,,,，，,EijijNC()(3.96.8)10(),,,,,,32324000 R6-5 一根玻璃棒被弯成半径为的半圆形，其上电荷 y q均匀分布，总电荷量为。求半圆中心点的场强。 O dlq解:(如图)，在棒上取电荷元，则 ,dqdlR d,,R x O , dqqdE dEdl ,, (方向如图) 22344,,,,RR00 由对称性分析，可知EEEj,,0, xy qq,,,,,,,sinsinsin,,,, dEdEdldy23244RR,,,,002 ,qq,,,,sin,,Ed y2222,042RR,,,,00 q,,Ej 222,,R0 Rq6-6 如图所示，有一半径为的均匀带电圆环，总电荷量为。利用例6-4所得结果， (1)求环心处的场强;(2)轴线上什么地方场强最大,它的数值是多少,(3)画出轴 R线上的曲线;(4)若是均匀带电的圆盘(半径为，电荷面密度为)，你能否利,Ex, 用例6-4的结论提出计算此圆盘上离盘心x处的场q 强的方法, R P 解:由例6-4知，均匀带电圆环在中心轴线上任一点 x x O 1qxP,Ei 的场强为: 2232,,，4()Rx0 第24页 物理学(祝之光)习题解答 (1)环心处()时 x,0E,0 2dEdqxqx113(2)令 即 ,0,,,()[]0223222322252dx,,,,，，，dxRxRxRx4()4()()00 2xR,, 解得2 (3)(略) q(4)取 dqdsrdr,,,,,()(2)2R, qxrdr()(2),211xdqqxrdrR,,,,方向沿轴正方向dEx()2232223222232，，，4()4()2()rxrxRrx,,,,,,000 Rqxrdrqx,,,(1) E222322,220,,,,2()2，RrxR，Rx00 qq6-11 两个均匀的带电同心球面，内球面带有电荷，外球面带有电荷，两球面之间区域12 3000,1中距球心为的点的场强为方向沿球面半径指向球心，外球面之外距球心为rr,NC2r 2000,1qq的点的场强为，方向沿球面半径向外。试求和各为多少, ,NC122r 解:由高斯定理和已知条件可得: 130001q,,,1661,,,,,,,，,,，,,，,,ENCqC()30004100.3310()1102243rr,,0 ()qq，12000,,1612,,ENCqqC,,,,,，,,，()200040.5610() 2201224rr,,0 6-12 用高斯定理求均匀带正电的无限长细棒外的场强分布，设棒上电荷的线密度为。 , 解:由电荷的对称性分布可知，距无限长细棒距离相等的点的场r 强都相等，方向在垂直于细棒的平面内且呈发散状。 r取以细棒为轴心，高为、底面半径为的圆柱面为高斯面，根据l l ,高斯定理，有: ,l,,,，,,,,,22EdsEdsEdsEdsrlE ,,,,,s底侧侧,0 第25页 物理学(祝之光)习题解答 ,E, 2r,,0 q6-16有一对点电荷，所带电荷量的大小都为，它们间的距离为。试就下述两种情形求2l 这两点电荷连线中点的场强和电势:(1)两点电荷带同种电荷;(2)两点电荷带异种电荷。 解:(1)根据点电荷的场强和电势公式，有: qq 所以 EE,,,()方向相反E,0122l,,l204(),,02 qqq VVVV,,,,,2121l,,,,2ll004(),,02 2qqqE,(2) 所以 (方向指向负电荷) EE,,,()方向相同1222ll,,,,l2004(),,02 qqVVV,,,,,所以012l,,2l04(),,02 CA,q6-17 如图所示，点有电荷点有电荷，，qB, BABlOCD,2,是以为中心、为半径的半圆。 l ,q ，q + —BD (1)将单位正电荷从点沿移到点，电OOCD OAD — l 2l场力作功多少, 题6-17 DAB(2)将单位负电荷从点沿延长线移到无穷 远处，电场力作功多少, WOCD,0()是等势面解:(1) ,q qq11,,,,,WVVJ()() ，，，qOD,,,,436lll00 q,，,()WWWJ ,，qq,,6l0 ,qqq(1)()(1)()()WWWVVJ,，,,，,,，, (2) ,，,，qqDD,,,,,,4436lll,000 RR6-19 在半径分别为和的两个同心球面上，分别均匀带电，电荷量各为 12 QRR,(2)RrR,,;QrR,;和，且 。求下列区域内的电势分布:(1) 1212112 第26页 物理学(祝之光)习题解答 Q 2R 2rR,(3)。 2Q 1解:由高斯定理可得场强分别为: R 1 OrRE,,时，0 11 Q1 RrRE,,,时, 1222,,4r0 QQ，12 rRE, ,,时232,,4r0 取无限远处为电势零点，根据电势的定义式，可得; rR,时，1 ,,,RRR1122QQQQQ，11212()VEdlEdrEdrEdrdrdr,,,，，,，,，1123,,,,,,22rrRRRR1212,,,,,,444rrRR00012 RrR,,时,12 ,,,RR 22QQQQQ，111212VEdlEdrEdrdrdr,,,，,，,，()223,,,,,22rrRrR22,,,,,,444rrrR0002 ,QQQQ，，1212时,rRVdr,,, 232,r,,,,44rr00 2ABABA6-25 、、是三块平行金属板，面积均为，、相距 、相4.0,mm200cmCC ,7BAqC,，3.010距 、两板都接地，如图所示。设板带正电，不计边缘效应2.0,mmC B,,1.00(即认为电场集中在平板之间且是均匀的)。(1) 若平板之间为空气()，求板r AAB,,5和板上的感应电荷，以及板上的电势;(2)若在、间另充以 的均匀电介质，Cr BA再求板和板上的感应电荷，以及板上的电势。 C CA B qqq,,，()(1)解:(1) CB VEdEd,,,, 由 ，得: AACAB12 qqCBdd,,,12,,ss00 d42qqqq,,,2(2)CBBBd21题6-25图 第27页 物理学(祝之光)习题解答 2,,7qqC,,,,，2.010()C,,3(1)、(2)联立，解得: ,1,7,qqC,,,,，1.010()B,3, ,7q2.010，C,33 ,,,,,,，,，2102.310()VEddVAAC11,,124,s8.851020010，，，0 qq12dCB2,(2)由 得 ,,,,,,Vddqqq()(2)A12CBB,,,,ssd5r00r1 26,,7qqC,,,,，10()C,,77,(1)、联立，解得 2)(,515,7,qqC,,,,，10()B,77, 6,7，10qC,327 VEddV,,,,,,，,，2109.710()AAC11,,124,s，，，8.8510200100 ,6QC,，1.0106-28 一空气平板电容器的电容，充电到电荷为后，将电源切断。CpF,1.0 (1)求板极间的电势差和电场能量;(2)将两极板拉开，使距离增到原距离的两倍，试计 算拉开前后电场能的改变，并解释其原因。 ,6Q1.010，6UV,,,，1.010()解:(1) ,12C1.010， 1166, WUQJ,,，，，，,1.0101.0100.5()e22 QE,(2)由于拉开前后板极的电荷量不变，场强大小不变，而，可见拉UEd,,,s0 UU,2。 开后两板间的电势差是原来的2倍，即0 11 ,,,,,,,,WWWQUQUJ(2)1.00.50.5()eee00022 外力克服电场力作功，电势能增加。 ,6-29 平板电容器两极间的空间(体积为)被相对介电常数为的均匀电介质填满。极板Vr上电荷的面密度为,。试计算将电介质从电容器中取出过程中外力所作的功。 221111,,,解: WQUSdSdV,,,,,,()()(),e02222,,,,,,rrr000 第28页 物理学(祝之光)习题解答 21,同理，可得 WV,,,e2,0 根据功能关系，外力作的功等于电容器电势能的增量，所以有: 211,V ,,,,WWW(1)ee02,,r0 自测题,2～ 一、 选择题(每小题给出的几个答案中，只有一个是正确的) 1、 平行板空气电容器的两极板间的距离为，极板面积为，两极板所带电荷分别为和，qdS,q，若很小时，则两极板相互作用的静电力为 d 2222q1qqqABD.()()()() ...C22S,,,2,SS4d000 PAq2、 如图1-1所示，闭合面内有一点电荷，为面上一点，在面外的点另一点SSS1 Bqq电荷。若将移至也在面外的点，则 S22 AP()穿过面的E通量改变，点的场强不变。 S PB A BP()穿过面的E通量不变，点的场强改变。 Sq q 12 SPE()穿过面的通量和点的场强都不变。 CS 图1-1 DPE()穿过面的通量和点的场强都改变。 S ,q R ,q3、 如图1-2所示，一圆环均匀带电，另有 两个带电荷 ，q0 ，q O都为的点电荷位于环的轴线上，分别在环的两侧，它，q R们到环心的距离都等于环的半径。当此电荷系统处于平RR q衡时，则(数值比)为 ( ) 图1-2 q0 1ABD2.22()()()()4 C2 BA4、 如图1-3所示，和是同一圆周上的两点，为圆内的任意点，C B 当在圆心处置一正点电荷时，则正确的是 ( ) A CBCBC O AB()() EdlEdl,,,EdlEdl,,,q ,,,,AAAA 图1-3 第29页 物理学(祝之光)习题解答 BCBCD()()和大小不确定。 EdlEdl,,,Edl,Edl,C,,,,AAAA AB5、如图1-4所示，和为两段同心(在点)的圆弧，CDO ,它们所张的圆心角都是。两圆弧都均匀带正电，并且电荷的线 A CABVV密度也相等。设和在点产生的电势分别为和，则CDO12 , ) 正确的是 (，,，, O D ABVV,VV,VV,() () () C121212B 图1-4 DVV()、大小不定。 12 R,6、有一半径为的金属球壳，其内部充满相对介电常数为的r 均匀电介质，球壳外面是真空。当球壳上均匀带有电荷时，则此球壳上面的电势为 Q QQAB() () R4,,,4,,Rr0r Q11QD(),() () ( ) C4,,R4,,,R00r AB7、如图1-5所示，一带正电荷的质点在电场中从点经点运动到点，轨迹为 C 弧。若质点的速率递减，则点处场强方向正确的是四个图中的 ( ) ACBC B B B B E C C C C E E E A A A A A () () CBD () () 图1-5 E8、如图1-6，图中的实线为线，虚线表示等势面，则由图可判定 ( ) AEEEVVV,,,,,. () ABCABCV ABEEEVVV,,,,,. () A V ABCABCB B V CEEE,,,VVV,,.) (CABCABC C E DEEEVVV,,,,,.() ABCABC 图1-6 第30页 物理学(祝之光)习题解答 9、如图1-7所示，轴上的两个电荷量都为的点电荷相距，球面的 球心位于x，q2aSO 。S和S为球面上两块相等的小面积，分别位于点的左右两侧。左边电荷处，半径为aO12 ,,SS,设通过、的通量分别为和，通过球面的通量为，则正确的是:( ) EES1212s qA(),,,. ,,,12s,0 S 2qq q S B (),,,,, ,.S212s1 , x0 O q,,,.(),,, C a a12s,0图1-7 qD,,,.),,, (12s,0 10、极板间为真空的平行板电容器充电后与电源断开，今将两极板用绝缘工具拉开一些距离，则下列结论中不正确的是 ( ) AB ()电容器两极板间的电势差增大。 ()电容器的电容减少。 D()电容器中电场能量增加。 ()电容器两极间的电场强度增大。 C 二、填空题 1、 说明下列各式的物理意义: EdS,(1) 。 1EdSq,,(2) 。 ,i,S,(内)S0 Edl,(3) 。 b(4) 。 Edl,,a Edl,,0(5) 。 ,L 2、一均匀带电的空心橡皮球，在吹大的过程中始终维持球状，球内任意点的场强 ，电势 ;始终在球外的任意点的场强 ，电势 (填写变大、变小或不变)。 ,q3、如图1-8(a)在一边长为a的正六边形的六个顶点放置六个点电荷(或)，，q 第31页 物理学(祝之光)习题解答 E,则此六边形中心处的场强大小为 ，场强方向为 。若如图()Ob q放置，并把一试验电荷由无限远处移至点，则电场力所作的功为 。O0 (取零电势点在无限远。) 4、设有一无限长均匀带电直线，如图1-9所示。电荷线密度为两点分别在线的,.AB、两侧，它们到线的距离分别为和。则两点间的电势差为 。将一试abAB、 ABqq验电荷从点移到点，带电直线和组成的系统的电势能改变量为 。 00 y , A ，q ，q,q ，qa , , ,,, ，q,q ,q B , b ,,,, , ,,q x , ,, , ,q ，q，q ，q图1-9 ()a()b图1-8 S q5、如图1-10所示，一点电荷位于不带电的空3 SS腔导体(灰色者)腔内。设有三个封闭曲面、12 S 2SE和(用虚线表示)，在这三个曲面中，通量 S31 , q 为零的曲面是 ，场强处处为零的曲面 是 。 ,,6、电荷线密度分别为和的两平行均匀带电12 图1-10 长直导线，相距为，则单位长度上的电荷受到d 的静电力大小为 。 R,r7、一半径为的球体均匀带电，电荷体密度为，则球体外距球心为的点的场强大小 r为 ;球体内距球心为的点的场强大小为 。 ,8、两无限大的平行平面均匀带电，面电荷密度都是,,(0),，如图1-11所示，则区域中各点场强 ，区域?中各点场强 ，，区域?中E,E,21 E各点场强 。(方向用单位矢量表示) iE,3 第32页 物理学(祝之光)习题解答 ARRqR9、半径为的导体球，带有电荷，球外有一内外半径分别为和的同心导体球123 BAB，壳上带有电荷。则球的电势V, ，球壳的电势V, 。壳QAB(取零电势点在无限远。) AB10、两无限大金属平板和的面积都是，平行相对，板间距离为。将两板接电源Sd VVV,,,0.q后，使两板电势分别为现将另一带电荷、面积也为 SAB AB厚度可不计的金属薄片平行相对地插在、两板之间，如图1-12所示。则金属薄片 C V,的电势 。 c i ，,，, ? ? ? 图1-11 第七章 稳恒磁场 y 7-5、如图1所示，已知一均匀磁场的磁感应强度 e 40cm30cm b ，方向沿轴正向。试求: xBT,0.2 a B (1)通过图中面的磁通量; abcd c 30cm x O(2)通过图中befc面的磁通量; f d50cm(3)通过图中aefd面的磁通量。 z 图1 解: (1) ,,,,,,，，,,,BSBSTcos0.2(0.40.3)(1)0.24()m ,(2)由于， ,,,,BSBScos0SB,,mn2 ,,0.24()Taefd(3)从面穿入的磁感线全部从穿出，所以 abcdm 7-6一载有电流的硬导线，转折处为半径的四分之一圆周。均匀外IA,7.0rm,0.10ab磁场的大小为，其方向垂直于导线所在的平面，如图2所示，求圆弧部分所受BT,1.0ab的力。 第33页 物理学(祝之光)习题解答 解:在圆弧上任取一电流元，根据安培定律 IdldFIdlB,， 得:(方向沿半径指向外) dFIBdl, y 设方向为轴正方向，方向为轴正方向，且 与的夹角设为，则: xObOadFOb, dFdFIBdlIBrd,,,coscoscos,,,,,xa ，，，，，，, BI dFdFIBdlIBrd,,,sinsinsin,,,,y,，，，，，， ，，，，，，,,2FIBrdIBrNcos7.01.00.10.7(),,,,,，，,,x，，,，，，， b,0,,O ,2FIBrdIBrNsin7.01.00.10.7(),,,，，,,,图2 y,,0, F,y ,,,,21.0()arctan与的夹角FFNOb,x4Fx7-8 一半圆形闭合线圈，半径，通有电流，放在均匀磁场中，磁场方向Rm,0.1IA,10与线圈平面平行，大小为，如图3所示，求线圈所受力矩的大小。 0.5T 1,2MISeBISB,，,,，，，sin10(0.1)0.5,n解: 22 ,2I ,，,Nm7.810() B R R7-11一条无限长直导线在在一处弯折成半径为的圆弧， I如图4所示，若已知导线中电流强度为，试利用毕奥-萨伐尔定律求(1)当圆弧为半圆周时，圆心处的磁感应强O图3 1BB度;(2)当圆弧为圆周时，圆心处的磁感应强度。 O4 ,Idle，0rdB,解:由毕奥-萨伐尔定律知，由于场点与直线电流的夹角总是为O24r, ,Idle，000r0dB,,，所以。因而，总的磁感强度只是由圆弧电流产生的。 0180或24r, Idl(1)在圆弧上任取电流元， R II O0,,,IdleIdlIdl，sin90000rdB,,,(a) 222 444rRR,,, ()方向垂直纸面向里 ,R,,,IIdlI000 ,,,,BdBR,22,,0444RRR,, 第34页 物理学(祝之光)习题解答 I ,R,,,IIdlIR,I 0002,,,,(2)同理可得: BdB22,,04428RRR,, I ABO如图5所示，两根导线沿半径方向引到铁环上的、两7-12 R () b点，并在很远处电源相连，求环中心的磁感应强度。 图4 ,Il011解:(如图5)(方向向外) ,,Bl122rr, ,Il022 (方向向里) ,BI l22I 22rr,A ,0 lIl (1) BIlIl,,() 121O112224r,B I IRIR,ll、RR、ll、并联，所以(为的 又因为1211221212 图5 IR12电阻)即, IR21 RlIl2212IlIl, 根据电阻定律，又有,,，所以，即 (2) 1122RlIl1121 (2)式代入(1)式，得 B,0 IA,20IA,107-13一长直导线，通有电流，其旁放置一段导线，通有电流，且cdab12与在同一平面上，端距为，端距为，如图6所示。求导线所ccdcdabab1cmdab10cm受的作用力。 b解:直电流在周围空间产生磁场，直电流放在其磁场中，cdab 受到安培力的作用。 I 2I 1Idr在 上任取一电流元，距的垂直距离为r，则: cdab2 c d I,01B (方向垂直纸面向里) ,图6 2r,a IIIdr,,01012dFIdrBIdr (方向向上) ,，,,,2222rr,, 10cm,,IIIIdr,,75012012 ,,,,，，，，,，ln1021020102.39.210()FdFN,,1cm22r,, I7-17如图7所示，载流长直导线中的电流为。求通过矩形面积的磁通量。 CDEF r解:在距载流长直导线距离为处的磁感强度为 I,0B (方向垂直纸面向里) ,2r, 在矩形线框中取面元 dsldr, 第35页 物理学(祝之光)习题解答 则通过面元的磁通量为: dsD CIIldr,,00 dBdsldr,,,,,22rr,, lI b,,IlIldrb00 ,,,lnd,,,,a22ra,,F E dr a b 图7 第八章 电磁感应 电磁场 ,28-3 一长直导线，通有电流，在与其相距处放一矩形线圈，线圈1000dm,，5.010IA,5 ,,21匝，线圈在如图8-1所示位置以速度沿垂直于长导线的方向向右运动的瞬vms,，,310 时，线圈中的感应电动势是多少,方向如何,(设线圈长 ,2,2，宽。) bm,，4.010am,，2.010 BC aI AD解:、边不切割磁感线，不产生感应电动势( BC v bd AB产生电动势 B,I0 ,，,,,()dNvBlNvBbNvb,1,AAD2d , 图8-1 产生电动势 CD D,I0,，,,,()dNvBlNvb ,2,C2π()，ad ?回路中总感应电动势 ,Ibv11,60 ,，,,,，NV()6.8610(),,,12，2πdda 方向沿顺时针( 8-6如图8-2所示，通过回路的磁感应线与线圈平面垂直指向纸内，磁通量以下列关系式变 23,,,，，，(671)10()ttWbt化，式中以秒计。求时回路中感ts,2，，，， B ，，，，应电动势的大小和方向。 ，，，，dd,233,,解: ,,,,，，，,,，，(671)10(127)10ttt,i，，，，dtdt ,,32当 时， ,,,，，，,,，(1227)103.110()Vts,2i R 由右螺旋定则知，电动势方向为逆时针方向 图8-2 第36页 物理学(祝之光)习题解答 08-7 、两段导线，长度均为，在处相接而成角，如图8-3所示。若使30abcd0.10mb ,1导线在均匀磁场中以速率向右运动，磁场的方向垂直纸面向里，的大小BBvms,,1.5 ,2为。问、之间的电势差为多少,哪一端电势高,若导线向上运动，则又如何, ac2.510，T ,1解:(1)以速率向右运动时 vms,,1.5 ，，，，，，，， c, B,,，,,,,,,vBlvBlvBlcos()sin,,,i，，，，，，，， 2 ,,203，，，， ，，，，v ,,，，，，,,，1.52.5100.10sin301.910()Vb a ，，，，，，，，由右螺旋定则可以判定，感应电动势的方向向上， 图8-3 所以点电势高。 c (2)导线向上运动时 3023,,,,，,，，，，，,，BlvBlvVcos302.5100.101.5(1)7.010() i2 由右螺旋定则可以判定，感应电动势的方向向左，所以点电势高。 a ABA8-8一长直导线，载有电流。在其旁边放置一金属杆。端与导线的距离为IA,40 ,1BAB，端与导线的距离为，如图8-4所示。设金属杆以匀速vms,,2am,0.1bm,1.0 向上运动，试求此金属杆中的感应电动势，并问哪一端电势较高, AB解:在上距长直导线电流为r处任取一微元，根据动生dr v电动势的定义式，可得: A B I IIvdr,,000 dvBdrvdr,，,,,,()()(cos180), a22rr,, 1.0,,IvIvdr,7 b00,,,,,,,，，，，dln102104022.3,,,,0.122r,, ,5图8-4 ,,，3.6810()V A由右螺旋定则可以判定，感应电动势的方向向左，所以点电势高。 B8-9 长为的一金属杆，水平放置在均匀磁场中，如labB ,图8-5所示。金属棒可绕点在水平面内以角速度,旋转，Oa b l O点离a端的距离为(设)。试求a、两端的电Ok,2bk l k势差，并指出哪端电势高。 l 图8-5 第37页 物理学(祝之光)习题解答 解:(1)两端的电势差: Ob 在金属棒上任取一微元，根据动生电动势的定义式，可得: dr 0 dvBdrrBdrrBdr,,,,，,,,,(cos180) 12l,(1),Bl12k,,,,, (电动势方向由指向，端电势低) rBdr(1),,bObOb,02k (2)两端的电势差: Oa 12l,(1),Bl1k,,,, 同理可得rBdr (电动势方向由指向，端电势低) aa,,OOa2,02k 222,,,BlBlBl1122,,,,,,,,,, (3)UVV[(1)](1)0 abab2222kkk 端电势高。 a 自测题,3～ 一、选择题(每小题给出的答案中，只有一个是正确的) B1、一带电粒子的径迹如图3-1所示。此带电粒子进入均匀磁场(方向垂直纸面向里)中 运动，穿过一水平放置的铅板后，继续在磁场中运动。则粒子带电的正负以及粒子穿过铅b 板的方向是(要考虑带电粒子穿过铅板将损失动能) ( ) (1)粒子带负电，且从点出发穿过铅板到达点。 acb (2)粒子带负电，且从点出发穿过铅板到达点。 cab (3)粒子带正电，且从点出发穿过铅板到达点。 acb (4)粒子带正电，且从c点出发穿过铅板到达a点。 b EB2、一电子，在互相正交的均匀电场和均匀磁场(如图3-2所示)中作直线运动，则此 电子的运动方向必定是: ( ) y (1)沿x轴正向。 (2)沿x轴负向。 yy(3)沿轴正向。 (4)沿轴负向。 E zz(5)沿轴正向。 (6)沿轴负向。 x OB z 图3-2 第38页 物理学(祝之光)习题解答 a，，，，，，，，， ，，，，，，，，，LI3、一环形导线中通有电流，对3-3图示的回路 B ，，，，，，，，，磁感强度的环流应 ( ) B ，，，，，，，，， 2I2,I,2,I(1) (2) (3) 00 b，，，，，，，，， ,2I(4) (5) 0 ，，， ，，， ，，， c ，，，，，，，，，4、下列各种说法中正确的是 ( ) 图3-1 (1)电荷在空间各点要激发电场，电流元在空Idl 间各点也要激发磁场。 (2)在稳恒磁场中，若闭合曲线不围绕有任何电流，则该闭合曲线上各点的磁感应强度必为零。 )静止电荷在磁场中不受磁场力，运动电荷在磁场中必受磁场力。 (3 (4)所有电场都是保守力场，所有磁场都是涡旋场。 ILL5、在一圆形电流的平面内，取一个同心的圆形闭合回路，如图3-4所示。对回路， LB由安培环路定理:BdlBdlI,,,,，(式中为B在回路上的切向分量)，则,ll0,,LL 下列结论中正确的是 ( ) BdlB,,,0,0.且BdlB,,,0,0.且(1) (2) ll,,LL BdlIB,,,,,0.且BdlIB,,,,,0.且(3) (4) 0l0,,LL I L I L I 图3-4 图3-3 Idl6、一个电流元置于直角坐标系的原点，电流沿z轴正向，则空间点Pxyz(,,)的磁感应强度沿x轴的分量是 ( ) ,,,()Idly()Idlx()Idly000,,,(1)(2)(3)(4) 02223222232222，，，，，，4()xyz4()xyz4xyz,,,7、由导线组成的一矩形线框，以匀速率从无磁场的空间进入均匀磁场中，然后从磁场中出 第39页 物理学(祝之光)习题解答 来，又在无磁场的空间运动。在图3-5中正确地表示了线框中电流对时间的函数关系的图是 ( ) I vI t O () b t O () a I I I t OO t O t() d()e IW8、真空中一长直螺线管通有电流时，储存的磁能为;若螺线管中充以相对磁导率11 WW,,4II,2W的磁介质，且电流增加为，螺线管中储存的磁能为。则为1r2122( ) 116181412(1) (2) (3) (4) 9、一条形磁铁，沿一根很长的竖直铜管自由落下，不计空气阻力，磁铁速率的变化将是下面四种说法的哪一种, ( ) (1)速率越来越大。 (2)速率越来越小。 (3)速率越来越大，经一定时间后，速率越来越小。 (4)速率越来越大，经一定时间后，以恒速率运动。 ABB10、如图3-6所示，在均匀磁场中的导体棒，绕通过C O , B ,点的轴转动，。下面哪种说法对, OOACBC, ( ) ABC ABAB(1)点比点电势高。 (2)点与点电势相等。 AB(3)点比点电势低。 图3-6 , O11、在感生电场中，电磁感应定律可表达为 第40页 物理学(祝之光)习题解答 d,m，式中为感生电场的场强。此式表明: ( ) ,,,EEdlii,Ldt L(1)闭合曲线上处处相等。 (2)感生电场是保守力场。 Ei (3)感生电场线不闭合。 (4)感生电场中不能像静电场那样引入电势的概念。 Ei I随时间的变化规律如图3-7()所示，则代表线圈中自12、一个线圈中，通过的电流ta,感电动势变化规律的图线应是图(1)至图(4)中的哪一种情况, LI, L I t O t aceO b d f ace b d f ()a (1) , L,,LL I t O II c ae d t ft bO O c ace ae d d f fb b (3)(2) (4) 图3-7 二、填空题 B1、在真空中，有如图3-8所示的电流分布。则圆心处的磁感应强度的大小为 。 O AB2、如图3-9所示，和为两条材料和截面积都相同的同心圆弧形导线，所张的圆心CD rIrI角都为，半径分别为和，导线中的电流分别为和，它们在圆心产生的磁感应,O1212 BBUU,BB,强度大小分别为和。(1)若，则 。 12ABCD12 II,BB,(2)若，则 。 1212 I 1I2 I 2 B R I IA r1 , O D Cr 2 O I2 图3-9 图3-8 vqq和在同一平面内运动，当它们相距为时，速度分别为和3、真空中的两个正点电荷a121 第41页 物理学(祝之光)习题解答 vvvqv，的方向指向，与垂直，如图3-10所示。 22112 q在q处产生的磁感应强度的大小为 ，方向为 。 (1) 12 q (2) 所受磁场力的大小为 ，方向为 。 2 LP4、如图3-11所示，闭合回路上一点的磁感应强度由电流 所激发;B 。 Bdl,,,LP , v 1 ，I 2L ,q 1 ,v I 2 1 , q 图3-10 2图3-11 y 5、在均匀磁场中有一正方形载流线框，已知磁感MNOPN M I应强度为B，线框边长为，电流强度为，如图3-12a I O0所示。载流线框在图示位置平衡时，所受外力矩的大小 30 x PB 为 ，方向为 。 z 图3-12 6、一面积为的小线圈，在一单位长度线圈匝数为、nS iit,sin,i通过电流为的长螺线管内，并与螺线管共轴。若，小线圈中感生电动势的表达0 式为 。 ,, R8、一均匀密绕的细螺绕环，其平均半径为，环的横截面积为，总匝数为，管内充满SN L,,磁导率为的磁介质。此螺绕环的自感系数 。 PEB9、在同时存在电场和磁场的空间区域中，某点的电场强度为，磁感应强度为，此空 P,,,,,,间区域介质的介电常数，磁导率。点处电场和磁场的总能量体密度为 00 。 自测题参考答案 自测题1参考答案: 一、选择题 第42页 物理学(祝之光)习题解答 DD1、; 2、; 3、; 4、; 5、; 6、; CCCC BB7、; 8、; 9、; 10、; 11、。 CCC 二、填空题: ,,11,10(),5()imm,,,,10(),5()imsms, 1、(1) (2) ,,1125(sincos)(),5();,,,,,，,,titjmsms0,5,,(3) (4)沿轨迹半径指向圆心 ,3210，kg2、 3、(1) (2) 0.6()Ns,2,0g r,1B18(),6()Jms,,GmmR2v 5、 6、 4、EEArA 312Jk,c7、 8、 9、 10、 mgmmm，，()30BABC22 自测题2参考答案: 一、选择题 BBD1、; 2、; 3、; 4、; 5、; CC BBD6、; 7、; 8、; 9、; 10、。 CC二、填空题: E1、(1)通过任一小面元dS的通量; E(2)在真空中，通过任一闭合曲面的通量，等于该曲面所包围的所有电荷的代数和S ,q除以。 ,0iS内 dl(3)将单位正电荷移动时，电场力作的功; (4)将单位正电荷从a点移动到点，电场力作的功; b (5)静电场的环流为零。 qqq0,x轴负向，2、不变，变小，不变，不变; 3、; 2,,,,22aa00 ,q,,,1111012SS,;,,(),()4、 5、 6、 122d22abba,,,,,,000 3,,Rr,,,ii,0,;7、 8、 ,;233r,,,,0000 第43页 物理学(祝之光)习题解答 11qQqQ，V 9、 10、 VV,，,(),AB,,,,44RRR201303 自测题3参考答案: 一、选择题 1、(3); 2、(5); 3、(1); 4、(1); 5、(1); 6、(2) 7、(b); 8、(1); 9、(4); 10、(1); 11、(4); 12、(3)。 二、填空题: 2RR221、0; 2、(1)(2); 2RR11 ,qv,qqvv00121212v 3、(1)向外，(2)垂直于斜向下; ,,2224a4a,, 12I,,,,,,nSitcosI,,Iy4、和， 5、，轴正方向; 6、 BIa1202i002 22NS,1B28、; 9、。 w,,，()E02R2,,0 第44页