静电场练习题.ppt
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1、1,一个半径为R的球体内,分布着电荷体密度=kr,式中r是径向距离,k是常量。求空间的场强分布,并画出E-r图.,补充题,球内时,据高斯通量定理,得,解:,R,dr,球外时,,O,E,r,R,2,例:*图为一球对称电荷分布的静电场的 曲线,请指出它是下面哪一种带电体产生的?,1.半径为R的均匀带电球面,2.半径为R的均匀带电球体,4.半径为R,电荷体密度(A为常数)的非均匀带电球体,3.半径为R,电荷体密度(A为常数)的非均匀带电球体,解:,(1),(2),(3),(4),(常数),3,半径为R的无限长圆柱体,柱内电荷体密度=ar-br,r为某点到圆柱轴线的距离,a、b为常量。试求带电圆柱体内
2、外电场分布。,解:,选取长为l,半径为r,与带电圆柱同轴的柱形高斯面S.,2,补充题,R,l,r,因此可用高斯定理求解。,由高斯定理可知:,当rR时,高斯面S内所包围电荷的代数和为:,代入(1)可得:,当rR时,高斯面S内所包围电荷的代数和为:,代入(1)可得:,因为电荷相对轴线呈对称分布,所以距轴线为r的场点的场强数值相等,场强方向沿圆柱径向.,S,4,实验发现,在地球大气层的一个广大区域中存在着电场,其方向是竖直向下的.在2.0102米高度,场强为1.0102伏特/米;而在3.0102米高度,场强为0.60102伏特/米.求从离地200米至300米之间大气中电荷的平均体密度,解:,选取厚为
3、h,半径为r的园柱形高斯面S.,由高斯定理:,得,h,r,E,补充题,5,补充题 如图所示,一半径为R的半球面,其上均匀地带有正电荷,电荷面密度为,试求球心处的电场强度E。,解:取坐标轴OX,将带电半球面分成许多宽度极窄的半径不同的带电圆环,其上任意一个圆环上的带电量为:,为便于计算,可采用角量描述。,因为:,据带电圆环在轴线上一点的场强公式,,可得该带电圆环在P点产生场强dE的大小为,注意:,斜边,由于dq为正,故dE方向沿X轴正方向。,将dq带入上式,可得:,则整个半球面在球心P点处产生的场强的大小为:,方向沿X轴正方向,6,补充题 如图所示,一无限大均匀带电平面,电荷面密度为+,其上挖去
4、一半径为R的圆孔。通过圆孔中心O,并垂直于平面的X轴上有一点P,OP=x。试求P点处的场强。,解:本题可用取圆环带的方法求解,也可用补偿法求解。,解法一 取一细圆环带,其半径为r(rR),带宽为dr,则圆环带的面积为dS=2rdr,其上带电量为dq=dS=2rdr;应用已知带电细圆环在轴线上的场强公式,可得该圆环带在轴线上,7,P点产生电场的大小:,因此,该系统在P点产生总场强的大小为:,方向沿X轴正方向。,8,解法二 半径为R的圆孔可以看成是其上均匀地分布着电荷面密度为+和-的两种电荷。,若在圆孔上补一个半径为R、电荷面密度为-的圆盘,则P点处的场强可以看成是电荷面密度为+的无限大均匀带电平
5、面在P点产生的场强E1和电荷面密度为-、半径为R的带电圆盘在P点产生的场强E2的矢量和,由于E1和E2方向均沿X轴方向,P点的总场强E的大小为:,方向沿X轴正方向。,9,补充题,解:,据高斯通量定理,得,当rR时,,当rR时,,q,R,O,E,R,r,.p,.p,10,电荷q均匀分布在半径为R的球体内。求距离球心r处(r小于R)的电势。,据高斯通量定理,得,.p,解:,.p,补充题,11,两个均匀带电的同心球面,内半径为,外半径为,电量分别为,。求内球和外球的电势。要求:用多种方法求解。,q1,q2,R1,R2,方法(一):,由高斯定理可得带电系统在空间的电场分布为,解:,用电势定义求解,补充
6、题,由电势的定义可得:,内球电势为,外球电势为,12,q1,q2,R1,R2,解:,方法(二):,应用电势叠加原理求解,半径为R的均匀带电球面的电势分布为:,球内,球外,根据叠加原理,有,13,高斯面,两同心均匀带电球面,带电量分别为 q1、-q2,半径分别为 R1、R2,求各区域内的场强和电势。,三个区域中的任意点分别作同心球面高斯球面,设面内电荷为q,则,解:,补充题,14,高斯面,电势分布 可由叠加原理和场强积分,两种方法求出。,下面用叠加原理方法求解。,15,据高斯通量定理,得,又,补充题 球形电容器是由内半径为RA和外半径RB的两个同心的金属球壳所组成.求其电容为多少?,设内球带电+
7、q,外球带电-q,,解:,RA,RB,O,+q,-q,16,例 计算电量为 Q 的带电球面球心的电势,解:在球面上任取一电荷元,则电荷元在球心的电势为,由电势叠加原理球面上电荷在球心的总电势,思考:电量分布 均匀?圆环?圆弧?,17,两条平行的无限长直均匀带电线,相距为a,电荷线密度分别为,求:(1)这两根线构成的平面上任一点P的场强;(2)任一带电线每单位长度上所受的吸引力。,作业题1-12,18,19,根据量子理论,正常状态的氢原子可以看成一电量为+e的点电荷和球对称地分布在其周围的电子云,电子云的电荷密度-,式中,试求(1)氢原子内的电场分布;(2)计算 处的电场强度,并与经典原子模型计
8、算所得的结果相比较。,称为玻尔半径。,作业题1-14,7,(1)在半径为r的球面内的电子电量 与 之比为,由对称性和高斯定理得,解:,20,(2)当取 时,按经典原子模型,电子以半径 作绕核运动,原子核带电e 它在电子所在处 产生的场强为;,21,解:,选取厚为h,半径为r的园柱形高斯面S.,由高斯定理:,得,h,r,E,实验表明,靠近地面处存在着电场,场强E垂直于地面向下,大小约为100V/m,在离地面1.5km高的地方,场强E也是垂直于地面向下的,大小约为25V/m。(1)计算从地面到此高度的大气中电荷的平均体密度。(2)若这些电荷全部分布在地球表面,求面电荷密度。,作业题1-15,(2)
9、当电荷全部分布在地球表面时,地表面可以看成无限大带电导体平面,由导体表面附近一点场强公式得,其中 为地表面外法线方向单位矢量,作业题1-26*求均匀带电圆面(盘)轴线上任一点的电场。,解:由均匀带电圆环(模型)轴线上一点的电场,知,强调:,斜边,半径为R的圆面(盘)均匀带电,电荷的面密度为。求:轴线上距离圆心坐标为 的P处的场强。,讨论:,即无限大均匀带电平面的场强为,可视为点电荷的电场,即带电平面在无限远处的场强为,24,半径分别为 和 的两个同心球面都均匀带电,带电量分别为 和,两球面把空间分划为三个区域。求各区域的电势分布,并画出 曲线。,作业题1-36,根据高斯定理,得三个区域,场强变
10、化规律是,解:,25,点电荷q处在导体球壳的中心,球壳的内半径为R1,外半径为R2.求场强和电势的分布,并画出E-r和U-r曲线.,作业题1-50,解:,点电荷位于球壳的中心,由静电感应知,球壳内表面将均匀带有总电量-q,球壳外表面均匀带有总电量+q,,可用两种方法求球壳的电势。,1)积分法,2)叠加法,q,R1,R2,-q,+q,III,I,II,根据高斯定理得,O,O,r,r,E,U,R1,R1,R2,R2,26,半径为R1的导体球带有电荷q,球外有一个内外半径分别为R2、R3的同心导体球壳,壳上带有电荷Q。求(1)两球的电势 和;(2)两球的电势差;(3)若用导线把内球和球壳连接起来后,
11、,和 分别为多少?(4)在情形(1)和(2)中,若外球壳接地,,和 分别为多少?(5)设外球离地面很远,且内球接地,和 各为多少?,(1)由静电感应知,球壳内表面带电为-q,外表面带电为Q+q,如图,根据电势叠加原理得,解:,(2)由式式得,作业题1-52,27,(3)用导线把内球和球壳接起来后,电荷只分布在球壳外表面上,且二者等势,如图,则有,(4)当外球壳接地时如图所示,外球壳电势为零由电势定义有,28,(5)当内球接地时,内球电势为零,因无限远外的电势也为零,这就要求导体球所带电量重新分布。,由电势叠加原理知,由上式得,设内球表面带电为,则球壳内表面带电-,球壳外表面带电,29,一球形电
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