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大学物理(机械工业出版社)上下册合集课后练习及答案

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⼤学物理(机械⼯业出版社)上下册合集课后练习及答案第⼀章质点的运动1-1 已知质点的运动⽅程为:23010t t x +-=,22015t t y -=。

式中x 、y 的单位为m ,t 的单位为s。

试求:(1) 初速度的⼤⼩和⽅向;(2) 加速度的⼤⼩和⽅向。

分析由运动⽅程的分量式可分别求出速度、加速度的分量,再由运动合成算出速度和加速度的⼤⼩和⽅向.解 (1) 速度的分量式为t txx 6010d d +-==v t ty y 4015d d -==v当t =0 时,v o x =-10 m·s-1 ,v o y =15 m·s-1 ,则初速度⼤⼩为120200s m 0.18-?=+=y x v v v设v o 与x 轴的夹⾓为α,则23tan 00-==xy αv vα=123°41′(2) 加速度的分量式为2s m 60d d -?==ta xx v , 2s m 40d d -?-==ta y y v则加速度的⼤⼩为222s m 1.72-?=+=y x a a a设a 与x 轴的夹⾓为β,则32tan -==x ya a ββ=-33°41′(或326°19′)1-2 ⼀⽯⼦从空中由静⽌下落,由于空⽓阻⼒,⽯⼦并⾮作⾃由落体运动。

现测得其加速度a =A-B v ,式中A 、B 为正恒量,求⽯⼦下落的速度和运动⽅程。

分析本题亦属于运动学第⼆类问题,与上题不同之处在于加速度是速度v 的函数,因此,需将式d v =a (v )d t 分离变量为t a d )(d =v v后再两边积分.解选取⽯⼦下落⽅向为y 轴正向,下落起点为坐标原点.(1) 由题 v vB A ta -==d d (1) ⽤分离变量法把式(1)改写为t B A d d =-vv(2)将式(2)两边积分并考虑初始条件,有=-t t B A 0d d d 0v v v vv 得⽯⼦速度 )1(Bte B A --=v由此可知当,t →∞时,BA→v 为⼀常量,通常称为极限速度或收尾速度.(2) 再由)1(d d Bt e BAt y --==v 并考虑初始条件有 t e BAy tBt yd )1(d 00?--= 得⽯⼦运动⽅程)1(2-+=-Bte B A t B A y1-3 ⼀个正在沿直线⾏驶的汽船,关闭发动机后,由于阻⼒得到⼀个与速度反向、⼤⼩与船速平⽅成正⽐例的加速度,即a = -k v 2,k 为常数。

大学物理下册课后习题答案第二版

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大学物理下册课后习题答案word精品文档43页

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大学物理下册课后习题答案习题八8-1 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 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,求每个小球所带的解: 如题8-2图示解得 θπεθtan 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: 020π4r r q Eε=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 =2024d q πε,又有人说,因为f =qE ,SqE 0ε=,所以f =Sq 02ε.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SqE 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 qE 02ε=,另一板受它的作用力Sq S qq f 02022εε==,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 . ∴ 场点P 在r 方向场强分量垂直于r 方向,即θ方向场强分量题8-5图 题8-6图8-6 长l =15.0cm AB 上均匀地分布着线密度λ=5.0x10-9C ·m-1(1)在导线的延长线上与导线B 端相距1a =5.0cm 处P 点的场强;(2)在导线的垂直平分线上与导线中点相距2d =5.0cm 处Q 解: 如题8-6图所示(1)在带电直线上取线元x d ,其上电量q d 在P 点产生场强为用15=l cm ,9100.5-⨯=λ1m C -⋅, 5.12=a cm 代入得21074.6⨯=P E 1C N -⋅ 方向水平向右(2) 2220d d π41d +=x xE Q λε 方向如题8-6图所示由于对称性⎰=lQx E 0d ,即Q E只有y 分量,以9100.5-⨯=λ1cm C -⋅, 15=l cm ,5d 2=cm 代入得21096.14⨯==Qy Q E E 1C N -⋅,方向沿y 轴正向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ϕRd dl =题8-7图ϕλλd d d R l q ==,它在O 点产生场强大小为20π4d d R R E εϕλ=方向沿半径向外则 ϕϕελϕd sin π4sin d d 0RE E x ==积分RR E x 000π2d sin π4ελϕϕελπ==⎰∴ RE E x 0π2ελ==,方向沿x 轴正向.8-8 均匀带电的细线弯成正方形,边长为l ,总电量为q .(1)求这正方形轴线上离中心为r 处的场强E ;(2)证明:在l r >>处,它相当于点电荷q 产生的场强E解: 如8-8图示,正方形一条边上电荷4q在P 点产生物强P E d 方向如图,大小为P Ed 在垂直于平面上的分量βcos d d P E E =⊥题8-8图由于对称性,P 点场强沿OP 方向,大小为 ∴ 2)4(π422220l r l r qrE P ++=ε 方向沿OP8-9 (1)点电荷q 位于一边长为a 的立方体中心,试求在该点电荷电场中穿过立方体的一个面的电通量;(2)如果该场源点电荷移动到该立方体的一个顶点上,这时穿过立方体各面的电通量是多少?*(3)如题8-9(3)图所示,在点电荷q 的电场中取半径为R 的圆平面.q 在该平面轴线上的A 点处,求:通过圆平面的电通量.(xRarctan=α) 解: (1)由高斯定理0d εqS E s⎰=⋅立方体六个面,当q 在立方体中心时,每个面上电通量相等∴ 各面电通量06εqe =Φ. (2)电荷在顶点时,将立方体延伸为边长a 2的立方体,使q 处于边长a 2的立方体中心,则边长a 2的正方形上电通量06εq e =Φ 对于边长a 的正方形,如果它不包含q 所在的顶点,则024εqe =Φ, 如果它包含q 所在顶点则0=Φe .如题8-9(a)图所示.题8-9(3)图题8-9(a)图 题8-9(b)图 题8-9(c)图(3)∵通过半径为R 的圆平面的电通量等于通过半径为22x R +的球冠面的电通量,球冠面积**关于球冠面积的计算:见题8-9(c)图8-10 均匀带电球壳内半径6cm ,外半径10cm ,电荷体密度为2×510-C ·m -3求距球心5cm ,8cm ,12cm 各点的场强.解: 高斯定理0d ε∑⎰=⋅q S E s,02π4ε∑=q rE当5=r cm 时,0=∑q ,0=E8=r cm 时,∑q 3π4p=3(r )3内r - ∴ ()2023π43π4rr r E ερ内-=41048.3⨯≈1C N -⋅, 方向沿半径向外. 12=r cm 时,3π4∑=ρq -3(外r )内3r ∴ ()420331010.4π43π4⨯≈-=rr r E ερ内外 1C N -⋅ 沿半径向外. 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0d ε∑⎰=⋅qS E s取同轴圆柱形高斯面,侧面积rl S π2=则 rl E S E Sπ2d =⋅⎰对(1) 1R r < 0,0==∑E q(2) 21R r R <<λl q =∑∴ rE 0π2ελ=沿径向向外(3) 2R r >=∑q题8-12图8-12 两个无限大的平行平面都均匀带电,电荷的面密度分别为1σ和2σ,试求空间各处场解: 如题8-12图示,两带电平面均匀带电,电荷面密度分别为1σ与2σ,两面间, n E)(21210σσε-= 1σ面外, n E)(21210σσε+-= 2σ面外, n E)(21210σσε+= n:垂直于两平面由1σ面指为2σ面.8-13 半径为R 的均匀带电球体内的电荷体密度为ρ,若在球内挖去一块半径为r <R 的小球体,如题8-13图所示.试求:两球心O 与O '点的场强,并证明小球空腔内的电场是均匀的.解: 将此带电体看作带正电ρ的均匀球与带电ρ-的均匀小球的组合,见题8-13图(a). (1) ρ+球在O 点产生电场010=E,ρ- 球在O 点产生电场'dπ4π3430320OO r E ερ=∴ O 点电场'd33030OO r E ερ= ; (2) ρ+在O '产生电场'd π4d 3430301OO E ερπ=' ρ-球在O '产生电场002='E∴ O ' 点电场 003ερ='E 'OO 题8-13图(a) 题8-13图(b)(3)设空腔任一点P 相对O '的位矢为r',相对O 点位矢为r (如题8-13(b)图)则 03ερrE PO =,∴腔内场强是均匀的.8-14 一电偶极子由q =1.0×10-6Cd=0.2cm ,把这电偶极子放在1.0×105N ·C-1解: ∵ 电偶极子p在外场E中受力矩 ∴ qlE pE M ==max 代入数字8-15 两点电荷1q =1.5×10-8C ,2q =3.0×10-8C ,相距1r =42cm ,要把它们之间的距离变为2r =25cm ,需作多少功?解: ⎰⎰==⋅=22210212021π4π4d d r r r r q q r r q q r F A εε )11(21r r -外力需作的功 61055.6-⨯-=-='A A J题8-16图8-16 如题8-16图所示,在A ,B 两点处放有电量分别为+q ,-q 的点电荷,AB 间距离为2R ,现将另一正试验点电荷0q 从O 点经过半圆弧移到C 点,求移动过程中电场力作的解: 如题8-16图示8-17 如题8-17图所示的绝缘细线上均匀分布着线密度为λ的正电荷,两直导线的长度和半圆环的半径都等于R .试求环中心O解: (1)由于电荷均匀分布与对称性,AB 和CD 段电荷在O 点产生的场强互相抵消,取θd d R l =则θλd d R q =产生O 点Ed 如图,由于对称性,O 点场强沿y 轴负方向题8-17图(2) AB 电荷在O 点产生电势,以0=∞U同理CD 产生 2ln π402ελ=U 半圆环产生 0034π4πελελ==R R U8-18 一电子绕一带均匀电荷的长直导线以2×104m ·s -1的匀速率作圆周运动.求带电直线上的线电荷密度.(电子质量0m =9.1×10-31kg ,电子电量e =1.60×10-19C) 解: 设均匀带电直线电荷密度为λ,在电子轨道处场强 电子受力大小 re eE F e 0π2ελ== 得 1320105.12π2-⨯==emv ελ1m C -⋅ 8-19 空气可以承受的场强的最大值为E =30kV ·cm -1,超过这个数值时空气要发生火花放电.今有一高压平行板电容器,极板间距离为d =0.5cm解: 平行板电容器内部近似为均匀电场8-20 根据场强E与电势U 的关系U E -∇= ,求下列电场的场强:(1)点电荷q 的电场;(2)总电量为q ,半径为R 的均匀带电圆环轴上一点;*(3)偶极子ql p =的l r >>处(见题8-20图)解: (1)点电荷 rqU 0π4ε=题 8-20 图 ∴ 0200π4r rq r r U E ε=∂∂-= 0r 为r 方向单位矢量. (2)总电量q ,半径为R 的均匀带电圆环轴上一点电势(3)偶极子l q p=在l r >>处的一点电势8-21 证明:对于两个无限大的平行平面带电导体板(题8-21图)来说,(1)相向的两面上,电荷的面密度总是大小相等而符号相反;(2)相背的两面上,电荷的面密度总是大小相等而符证: 如题8-21图所示,设两导体A 、B 的四个平面均匀带电的电荷面密度依次为1σ,2σ,3σ,4σ题8-21图(1)则取与平面垂直且底面分别在A 、B 内部的闭合柱面为高斯面时,有 说明相向两面上电荷面密度大小相等、符号相反;(2)在A 内部任取一点P ,则其场强为零,并且它是由四个均匀带电平面产生的场强叠加而成的,即又∵ +2σ03=σ说明相背两面上电荷面密度总是大小相等,符号相同.8-22 三个平行金属板A ,B 和C 的面积都是200cm 2,A 和B 相距4.0mm ,A 与C 相距2.0mm .B ,C 都接地,如题8-22图所示.如果使A 板带正电3.0×10-7C ,略去边缘效应,问B 板和C 板上的感应电荷各是多少?以地的电势为零,则A 板的电势是多少? 解: 如题8-22图示,令A 板左侧面电荷面密度为1σ,右侧面电荷面密度为2σ题8-22图(1)∵ AB AC U U =,即且 1σ+2σSq A= 得 ,32S q A =σ Sq A321=σ而 7110232-⨯-=-=-=A C q S q σCC10172-⨯-=-=S q B σ(2) 301103.2d d ⨯===AC AC AC A E U εσV 8-23 两个半径分别为1R 和2R (1R <2R )的同心薄金属球壳,现给内球壳带电+q ,试计(1) (2) *(3) 解: (1)内球带电q +;球壳内表面带电则为q -,外表面带电为q +,且均匀分布,其电势题8-23图(2)外壳接地时,外表面电荷q +入地,外表面不带电,内表面电荷仍为q -.所以球壳电势由内球q +与内表面q -产生:(3)设此时内球壳带电量为q ';则外壳内表面带电量为q '-,外壳外表面带电量为+-q q ' (电荷守恒),此时内球壳电势为零,且 得 q R R q 21=' 外球壳上电势8-24 半径为R 的金属球离地面很远,并用导线与地相联,在与球心相距为R d 3=处有一点电荷+q ,试求:金属球上的感应电荷的电量.解: 如题8-24图所示,设金属球感应电荷为q ',则球接地时电势0=O U8-24图由电势叠加原理有:得 -='q 3q 8-25 有三个大小相同的金属小球,小球1,2带有等量同号电荷,相距甚远,其间的库仑力为0F .试求:(1)用带绝缘柄的不带电小球3先后分别接触1,2后移去,小球1,2之间的库仑力; (2)小球3依次交替接触小球1,2很多次后移去,小球1,2解: 由题意知 2020π4r q F ε=(1)小球3接触小球1后,小球3和小球1均带电 小球3再与小球2接触后,小球2与小球3均带电 ∴ 此时小球1与小球2间相互作用力(2)小球3依次交替接触小球1、2很多次后,每个小球带电量均为32q . ∴ 小球1、2间的作用力00294π432322F r q q F ==ε *8-26 如题8-26图所示,一平行板电容器两极板面积都是S ,相距为d ,分别维持电势A U =U ,B U =0不变.现把一块带有电量q 的导体薄片平行地放在两极板正中间,片的面积也是S ,片的厚度略去不计.求导体薄片的电势.解: 依次设A ,C ,B 从上到下的6个表面的面电荷密度分别为1σ,2σ,3σ,4σ,5σ,6σ如图所示.由静电平衡条件,电荷守恒定律及维持U U AB =可得以下6个方程题8-26图 解得 Sq 261==σσ 所以CB 间电场 Sqd U E 00422εεσ+==注意:因为C 片带电,所以2U U C ≠,若C 片不带电,显然2U U C = 8-27 在半径为1R 的金属球之外包有一层外半径为2R 的均匀电介质球壳,介质相对介电常数为r ε,金属球带电Q .试求:(1)电介质内、外的场强; (2)电介质层内、外的电势; (3)金属球的电势.解: 利用有介质时的高斯定理∑⎰=⋅q S D Sd(1)介质内)(21R r R <<场强 介质外)(2R r <场强 (2)介质外)(2R r >电势介质内)(21R r R <<电势 (3)金属球的电势8-28 如题8-28图所示,在平行板电容器的一半容积内充入相对介电常数为r ε的电介质.试求:在有电介质部分和无电介质部分极板上自由电荷面密度的比值.解: 如题8-28图所示,充满电介质部分场强为2E ,真空部分场强为1E,自由电荷面密度分别为2σ与1σ 由∑⎰=⋅0d q S D得而 101E D ε=,202E D r εε=题8-28图 题8-29图8-29 两个同轴的圆柱面,长度均为l ,半径分别为1R 和2R (2R >1R ),且l >>2R -1R ,两柱面之间充有介电常数ε的均匀电介质.当两圆柱面分别带等量异号电荷Q 和-Q 时,求: (1)在半径r 处(1R <r <2R =,厚度为dr ,长为l 的圆柱薄壳中任一点的电场能量密度和整个薄壳中的电场能量; (2)电介质中的总电场能量; (3)圆柱形电容器的电容.解: 取半径为r 的同轴圆柱面)(S则 rlD S D S π2d )(=⋅⎰当)(21R r R <<时,Q q =∑(1)电场能量密度 22222π82l r Q D w εε== 薄壳中 rlrQ rl r l r Q w W εευπ4d d π2π8d d 22222=== (2)电介质中总电场能量(3)电容:∵ CQ W 22=*8-30 金属球壳A 和B 的中心相距为r ,A 和B 原来都不带电.现在A 的中心放一点电荷1q ,在B 的中心放一点电荷2q ,如题8-30图所示.试求: (1) 1q 对2q 作用的库仑力,2q 有无加速度;(2)去掉金属壳B ,求1q 作用在2q 上的库仑力,此时2q 有无加速度. 解: (1)1q 作用在2q 的库仑力仍满足库仑定律,即 但2q 处于金属球壳中心,它受合力..为零,没有加速度. (2)去掉金属壳B ,1q 作用在2q 上的库仑力仍是2210π41r q q F ε=,但此时2q 受合力不为零,有加速度.题8-30图 题8-31图8-31 如题8-31图所示,1C =0.25μF ,2C =0.15μF ,3C =0.20μF .1C 上电压为50V .求:AB U .解: 电容1C 上电量电容2C 与3C 并联3223C C C += 其上电荷123Q Q =8-32 1C 和2C 两电容器分别标明“200 pF 、500 V ”和“300 pF 、900 V ”,把它们串联起来后等值电容是多少?如果两端加上1000 V ? 解: (1) 1C 与2C 串联后电容 (2)串联后电压比231221==C C U U ,而100021=+U U 即电容1C 电压超过耐压值会击穿,然后2C 也击穿.8-33 将两个电容器1C 和2C 充电到相等的电压U 以后切断电源,再将每一电容器的正极板与另一电容器的负极板相联.试求: (1)每个电容器的最终电荷; (2)电场能量的损失.解: 如题8-33图所示,设联接后两电容器带电分别为1q ,2q题8-33图则⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==-=-=+2122112*********U U U C U C q qU C U C q q q q 解得 (1) =1q U C C C C C q U C C C C C 21212221211)(,)(+-=+- (2)电场能量损失8-34 半径为1R =2.0cm 的导体球,外套有一同心的导体球壳,壳的内、外半径分别为2R =4.0cm 和3R =5.0cm ,当内球带电荷Q =3.0×10-8C(1)整个电场储存的能量;(2)如果将导体壳接地,计算储存的能量; (3)此电容器的电容值.解: 如图,内球带电Q ,外球壳内表面带电Q -,外表面带电Q题8-34图(1)在1R r <和32R r R <<区域在21R r R <<时 301π4r rQ E ε=3R r >时 302π4rrQ E ε = ∴在21R r R <<区域 在3R r >区域∴ 总能量 )111(π83210221R R R Q W W W +-=+=ε(2)导体壳接地时,只有21R r R <<时30π4r rQ E ε =,02=W(3)电容器电容 )11/(π422102R R QW C -==ε 习题九9-1 在同一磁感应线上,各点B的数值是否都相等?为何不把作用于运动电荷的磁力方向定义为磁感应强度B的方向?解: 在同一磁感应线上,各点B的数值一般不相等.因为磁场作用于运动电荷的磁力方向不仅与磁感应强度B的方向有关,而且与电荷速度方向有关,即磁力方向并不是唯一由磁场决定的,所以不把磁力方向定义为B的方向.题9-2图9-2 (1)在没有电流的空间区域里,如果磁感应线是平行直线,磁感应强度B的大小在沿磁感应线和垂直它的方向上是否可能变化(即磁场是否一定是均匀的)? (2)若存在电流,上述结论是否还对?解: (1)不可能变化,即磁场一定是均匀的.如图作闭合回路abcd 可证明21B B=(2)若存在电流,上述结论不对.如无限大均匀带电平面两侧之磁力线是平行直线,但B方向相反,即21B B≠.9-3 用安培环路定理能否求有限长一段载流直导线周围的磁场?答: 不能,因为有限长载流直导线周围磁场虽然有轴对称性,但不是稳恒电流,安培环路定理并不适用.9-4 在载流长螺线管的情况下,我们导出其内部nI B 0μ=,外面B =0,所以在载流螺线管 外面环绕一周(见题9-4图)的环路积分⎰外B L·d l =0 但从安培环路定理来看,环路L 中有电流I 穿过,环路积分应为⎰外B L·d l =I 0μ这是为什么?解: 我们导出nl B 0μ=内,0=外B 有一个假设的前提,即每匝电流均垂直于螺线管轴线.这时图中环路L 上就一定没有电流通过,即也是⎰∑==⋅LI l B 0d 0μ外,与⎰⎰=⋅=⋅Ll l B 0d 0d外是不矛盾的.但这是导线横截面积为零,螺距为零的理想模型.实际上以上假设并不真实存在,所以使得穿过L 的电流为I ,因此实际螺线管若是无限长时,只是外B 的轴向分量为零,而垂直于轴的圆周方向分量rIB πμ20=⊥,r 为管外一点到螺线管轴的距离.题 9 - 4 图9-5 如果一个电子在通过空间某一区域时不偏转,能否肯定这个区域中没有磁场?如果它发 生偏转能否肯定那个区域中存在着磁场?解:如果一个电子在通过空间某一区域时不偏转,不能肯定这个区域中没有磁场,也可能存在互相垂直的电场和磁场,电子受的电场力与磁场力抵消所致.如果它发生偏转也不能肯定那个区域存在着磁场,因为仅有电场也可以使电子偏转.9-6 已知磁感应强度0.2=B Wb ·m-2x 轴正方向,如题9-6图所示.试求:(1)通过图中abcd 面的磁通量;(2)通过图中befc 面的磁通量;(3)通过图中aefd 面的磁通量.解: 如题9-6图所示题9-6图(1)通过abcd 面积1S 的磁通是 (2)通过befc 面积2S 的磁通量(3)通过aefd 面积3S 的磁通量24.0545.03.02cos 5.03.0233=⨯⨯⨯=θ⨯⨯⨯=⋅=S BΦWb (或曰24.0-Wb )题9-7图9-7 如题9-7图所示,AB 、CD 为长直导线,C B为圆心在O 点的一段圆弧形导线,其半径为R .若通以电流I ,求O 点的磁感应强度.解:如题9-7图所示,O 点磁场由AB 、C B、CD 三部分电流产生.其中AB 产生 01=BCD 产生RIB 1202μ=,方向垂直向里CD 段产生 )231(2)60sin 90(sin 24003-πμ=-πμ=︒︒R I R I B ,方向⊥向里 ∴)6231(203210ππμ+-=++=R I B B B B ,方向⊥向里. 9-8 在真空中,有两根互相平行的无限长直导线1L 和2L ,相距0.1m ,通有方向相反的电流,1I =20A,2I =10A ,如题9-8图所示.A ,B 两点与导线在同一平面内.这两点与导线2L 的距离均为5.0cm .试求A ,B题9-8图解:如题9-8图所示,A B方向垂直纸面向里(2)设0=B在2L 外侧距离2L 为r 处则02)1.0(220=-+rIr I πμπμ 解得 1.0=r m题9-9图9-9 如题9-9图所示,两根导线沿半径方向引向铁环上的A ,B 两点,并在很远处与电源相连.已知圆环的粗细均匀,求环中心O 的磁感应强度. 解: 如题9-9图所示,圆心O 点磁场由直电流∞A 和∞B 及两段圆弧上电流1I 与2I 所产生,但∞A 和∞B 在O 点产生的磁场为零。

大学物理(机械工业出版社)第13章课后答案

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第十三章 振动#13-1 一质点按如下规律沿x 轴作简谐振动:x = 0.1 cos (8πt +2π/3 ) (SI),求此振动的周期、振幅、初相、速度最大值和加速度最大值。

解:周期T = 2π/ ω= 0.25 s振幅A = 0.1m初相位φ= 2π/ 3V may = ωA = 0.8πm / s ( = 2.5 m / s )a may = ω2 A = 6.4π2m / s ( = 63 m / s 2)13-2 一质量为0.02kg 的质点作谐振动,其运动方程为:x = 0.60 cos( 5 t -π/2) (SI)。

求:(1)质点的初速度;(2)质点在正向最大位移一半处所受的力。

解:(1) )( )25sin(0.3 SI t dt dx v π--==0.3 20x m ma x ω-== (2) 2x m ma F ω-==5.13.052.0,2/ 2N F A x -=⨯⨯-==时13-3 如本题图所示,有一水平弹簧振子,弹簧的倔强系数k = 24N/m ,重物的质量m = 6kg ,重物静止在平衡位置上,设以一水平恒力F = 10 N 向左作用于物体(不计摩擦),使之由平衡位置向左运动了0.05m ,此时撤去力F ,当重物运动到左方最远位置时开始计时,求物体的运动方程。

解:设物体的运动方程为:x = A c o s (ωt +φ)恒外力所做的功即为弹簧振子的能量:F ⨯ 0.05 = 0.5 J当物体运动到左方最位置时,弹簧的最大弹性势能为0.5J ,即:1 /2 kA 2 = 0.5 J ∴A = 0.204 mA 即振幅ω2 = k / m = 4 ( r a d / s )2ω= 2 r a d / s按题目所述时刻计时,初相为φ= π∴ 物体运动方程为x = 0.204 c o s (2 t +π) ( SI ) 13-4 一水平放置的弹簧系一小球。

已知球经平衡位置向右运动时,v =100cm ⋅s -1,周期T =1.0s ,求再经过1/3秒时间,小球的动能是原来的多少倍?弹簧的质量不计。

大学物理(机械工业出版社)第三章课后答案

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第三章 刚体力学#3-1 一通风机的转动部分以初角速度ω0绕其轴转动,空气的阻力矩与角速度成正比,比例系数C 为一常量。

若转动部分对其轴的转动惯量为J ,问:(1)经过多少时间后其转动角速度减少为初角速度的一半?(2)在此时间内共转过多少转? 解:(1)由题可知:阻力矩ωC M -=,又因为转动定理 dtd JJ M ωβ== dtd JC ωω=-∴ dt JC d t ⎰⎰-=∴00ωωωω t JC-=0lnωω t JCe-=0ωω当021ωω=时,2ln CJt =。

(2)角位移⎰=tdt 0ωθ⎰-=2ln 00C Jt JC dt eωCJ 021ω=,所以,此时间内转过的圈数为CJ n πωπθ420==。

3-2 质量为M ,半径为R 的均匀圆柱体放在粗糙的斜面上,斜面倾角为α ,圆柱体的外面绕有轻绳,绳子跨过一个很轻的滑轮,且圆柱体和滑轮间的绳子与斜面平行,如本题图所示,求被悬挂物体的加速度及绳中张力解:由牛顿第二定律和转动定律得ma T mg =- ααJ R Mg TR =-.sin 2由平行轴定理 223MR J =联立解得 g m M M m a 83sin 48+-=αmg mM MT 83)sin 43(++=α3-3 一平板质量M 1,受水平力F 的作用,沿水平面运动,如本题图所示,板与平面间的摩擦系数为μ,在板上放一质量为M 2的实心圆柱体,此圆柱体在板上只滚动而不滑动,求板的加速度。

解:设平板的加速度为a 。

该平板水平方向受到拉力F 、平面施加的摩擦力1f 和圆柱体施加的摩擦力2f ,根据牛顿定律有,a M f f F 121=--。

m g设圆柱体的质心加速度为C a ,则C a M f 22=遵守转动定理,ββ22221R M J R f ==又因为圆柱体无滑滚动 βR a a C += 且 g M M f )(211+=μ解以上各方程得 212131)(M M gM M F a ++-=μ3-4 质量面密度为σ的均匀矩形板,试证其对与板面垂直的,通过几何中心的轴线的转动惯量为)(1222b a ab J +σ=。

大学物理下册练习与答案

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I电磁学DC7・ 1 |如图所示,一电子经过Uo = 1 >10 7m / s o(1) 欲使这电子沿半圆自A 至C 运动,试求所需的磁场 大小和方向;(2) 求电子自A 运动到C 所需的时间。

9解:(1)电子所受洛仑兹力提供向心力 evoB = m —Rmv o 9.1 lx 10~ x IX 10 ?3_得出 B 二 = _i9= 1./10 TeR 1 .6X 10 - x 0 .05磁场方向应该垂直纸面向里。

(2) 所需的时间为 t =# =药-=兀0. 05 = 1 .6 X 10 rs22 vo l x 107血工地2.0怡2的一个正电子,射入磁感应强度B 二0.1T 的匀强磁场中,其速 度矢量与B 成89角,路径成螺旋线,其轴在B 的方向。

试求这螺旋线运动的周 期T 、螺距h 和半径r o解:正电子的速率为I /XX X X - v ==1 ------- 2~~10 ' 110 19 = 2 .6x 10 7 m/s* m *9.1 1X 10做螺旋运动的周期为2 Jim 2 K X 9.1 丈 1(T 31T = ---------- = -------------- --- --------- = 3 ,6X 10 SeB 1 .6X 10一 X 0.1螺距为 h = vcos 89 °T =2.6 * 10 7 X cos 89 0 :<3. 6 X 10 10 = 1 .6^ lO^m317ZX _X X X_丰径为 r = mv sin 89 = 9.11 ~F02 .6⑴ TO Sih 89 = 1 .5 ^103 Hlx — xeBL6 10'0.1磁力A 点时,具有速率V0 /0 10cmA h -----------------DC7・3加1图所示,一铜片厚为d二1.0mm,放在B=1.5T的磁场中,磁场方向与铜片表面垂直。

已知铜片里每立方厘米有8.4^ 1022个自由电子,每个电子的电荷C - = -1.6 19T,当铜片中有I=200A的电流流通时,(1)求铜片两侧的电势差Uaa' ;(2)铜片宽度b对Uaa,有无影响?为什么?/// B i ////Z/-------- 28 — = -2.23 X 10_ V,8/ 10X「1.6 ¥o f X 1 .0 X 10一负号表示『侧电势高。

大学物理(下册)课后部分习题答案

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11畅13( a)
11畅13( b)
(2) 设该异线应放在 y = - d 处 ,显然 ,该异线在轴线处产生的磁成应强度应
与原来的半圆柱面产生的磁感应强度相同 ,即
μ0 I 2π d

μ0 I π2 R
所以
d=
πR 2
因面 ,另一导线应放在 y = - π2R处 .
12唱7 均匀磁场 B 被限制在半径 R = 0 .10 m 的无限长圆柱空间内 ,方向垂
同理 ,空腔轴线上的磁感应强度
因 R2 = 0 ,B0′2 = 0 ,故
B0′ = B0′1 + B0′2
B0′1

μ0 Ia 2π( R21 - R22 )

2 × 10 -4 T
11畅13 如图11畅13( a)所示 ,一半径为 R 的无限长半圆柱面导体 ,其上电流与其
轴线上一无限长直导线的电流等值反向 ,电流 I 在半圆柱面上均匀分布 .试求 :
当 r < R1 时 ,有
促 E · d S = E · 4π r2 = 0

E =0
当 R1 < r < R2 时 ,有
促S
E · d S = E · 4π r2 =
1 ε0



1 4π ε0
q r2
当 r > R2 时 ,有
促S
E · d S = E · 4π r2 =
1 ε0
ab · h
= 1600π - 4 3 × 10 -2 V 式中 h 为由 O 到ab的垂直距离 ,感应电流沿顺时针方向 .
∮ 此题也可用 Ei = Ev · d l 公式直接积分求解 .
图 12 唱7

大学物理教材下册习题及答案(学生用)[1]

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⼤学物理教材下册习题及答案(学⽣⽤)[1]教材下册习题及答案(校正版2011年8⽉)第12章课后习题知识点1⾄6题应⽤理想⽓体状态⽅程计算V,摩尔质量M 和数密度n; 7题计算⾃由度;7.8.9.10.11题温度公式.内能公式及状态⽅程的综合应⽤计算; 12题(供参考)考虑重⼒时的粒⼦分布;13.14.15.16.17.18.19应⽤麦⽒速率函数的计算问题; 20.21.22.23计算平均⾃由程和碰撞频率;24,25题(供参考)由粘滞系数、导热系数求分⼦有效直径26题(供参考)应⽤范⽒⽅程计算压强并和理想⽓体计算结果进⾏⽐较.第12章课后习题答案1.122121T p T p l l = 2. 0.028kg/mol3.()()Vp p RTM M 2121-- 4. 3510452-?cm.5. 321098--??mkg . 6. 2.9×103Pa 7.(1)2(2)3(3) 6 8. (1)32510452-?m. (2)kg.2610315-? (3)3301-?mkg. (4)121084(5)2110216-?.J (6)210797?.J9.(1)310743?.J(2)310492?.J(3)20.8J10. 310675?.J,410611?.J 11.10:3,5:3 12. m .310302? (题⽬修改为273K ) 13. 0.83% 14. 1310711-??sm.1310841-??sm ., 1310501-??sm .氧⽓分⼦的三种速率为氢⽓分⼦相应速率的四分之⼀ 15. ()1 2500-?=sm O p v ;()122000-?=sm H p v ;()1221222450-?=sm H v16. (1)032v N a=(2)N127(有误)应该为7108N(3)23631v m 17.(1)略(2)0 v NK=(2)05402v v .;(有误)应该为00;23v18.(a)()2x kTm x f -=π(b)()k kTk kekT m f επεε-=23124221pkpm kT v ==ε(有误)应该为(a)()22xf x x e-=(b)()321k f ek T ε?=12k p19.1221m m =v v VU p34=20. m.710092-?,1910138-?=s.z21. (1)m.81074-?=λ,11010061-?=s.z(2) 1182⼩时 22. Pa p 1.0? 23. (1)1 91077-?=s.z (2)1321038-?s.81059-?=λ,m.d81003-?= 25.m.d 101022-?=26. Pa.,Pa .771044910994??第13章课后习题知识点1.2.3.4.6.7.8.10题是四个等值过程的功.热量和内能的计算; 5.9.10.题有关热容量的计算; 11题绝热过程与12章综合 12.13.14计算热机效率; 15.计算卡诺热机效率;16.*17是有关线性过程的功.内能和热量的计算; 18.19题计算卡诺致冷循环效率; 20题应⽤热⼆律证明; 21.22.23题计算熵.第13章课后习题答案2.(1)252J ,(2)放热294J 3. (1)JE 21056.4?=?总J.A 210325?=总JQ 21088.9?=总(2)10564?-=? J.A 210043?-=J.Q 210607?-= (3)J.A 210193?=4.(1) J E 3 106.0?=?总J.A 31090?=总 J Q 3 105.1?=总(2) JE 3106.0?=?总 J .A 310231?=总JQ 31083.1?=总5. J Q V 690=J Q P 966=(原书答案此处有误,题⽬改为51.0110p a)15.J.A310341?= (原书答案此处有误)16. (1)21→:?E=6232.5J A=1246.5J Q=7479J32→:?E=-6232.5J A=6232.5J Q=0 13→:?E=0 A=Q=-5184J (2)30.7%*17.超基过难。

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第11章 热力学基础11-1 在水面下50.0 m 深的湖底处(温度为4.0℃),有一个体积为1.0×10-5 m 3的空气泡升到湖面上来,若湖面的温度为17.0℃,求气泡到达湖面的体积。

(大气压P 0 = 1.013×105 Pa ) 分析:将气泡看成是一定量的理想气体,它位于湖底和上升至湖面代表两个不同的平衡状态。

利用理想气体物态方程即可求解本题。

位于湖底时,气泡内的压强可用公式gh p p ρ+=0求出,其中ρ为水的密度(常取ρ = 1.0⨯103 kg·m -3)。

解:设气泡在湖底和湖面的状态参量分别为(p 1,V 1,T 1)和(p 2,V 2,T 2)。

由分析知湖底处压强为gh p gh p p ρρ+=+=021。

利用理想气体的物态方程可得空气泡到达湖面的体积()3510120121212m 1011.6-⨯=+==T p V T gh p T p V T p V ρ11-2 氧气瓶的容积为3.2×10-2 m 3,其中氧气的压强为1.30×107 Pa ,氧气厂规定压强降到1.00×106 Pa 时,就应重新充气,以免经常洗瓶。

某小型吹玻璃车间,平均每天用去0.40 m 3 压强为1.01×105 Pa 的氧气,问一瓶氧气能用多少天?(设使用过程中温度不变) 分析:由于使用条件的限制,瓶中氧气不可能完全被使用。

从氧气质量的角度来分析。

利用理想气体物态方程pV = mRT /M 可以分别计算出每天使用氧气的质量m 3和可供使用的氧气总质量(即原瓶中氧气的总质量m 1和需充气时瓶中剩余氧气的质量m 2之差),从而可求得使用天数321/)(m m m n -=。

解:根据分析有RT V Mp m RT V Mp m RT V Mp m 333122111===;;则一瓶氧气可用天数()()5.933121321=-=-=V p V p p m m m n11-3 一抽气机转速ωmin -1,抽气机每分钟能抽出气体20升。

设容器的容积V 0=2.0升,问经过多长时间后才能使容器内的压强由 1.01×105Pa 降为133Pa 。

设抽气过程中温度始终不变。

分析:抽气机每打开一次活门, 容器内气体的容积在等温条件下扩大了V ,因而压强有所降低。

活门关上以后容器内气体的容积仍然为V 0 。

下一次又如此变化,从而建立递推关系。

解:抽气机抽气体时,由玻意耳定律得: 活塞运动第一次:)(0100V V p V p +=001p VV V p +=活塞运动第二次:)(0201V V p V p +=0201002p V V V p V V V p ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=+=活塞运动第n 次:)(001V V p V p n n +=-nn VV V p p ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+= 00VV V np p n n +=000ln抽气机每次抽出气体体积l 05.0l )400/20(==V l 0.20=V Pa 1001.150⨯=p Pa 133=n p将上述数据代入(1)式,可解得 276=n 。

则s 40s 60)400/276(=⨯=t11-4 l.0 mol 的空气从热源吸收了热量2.66⨯105J ,其内能增加了4.18⨯105J ,在这过程中气体作了多少功?是它对外界作功,还是外界对它作功?解:由热力学第一定律得气体所作的功为J1052.15⨯-=-=E Q W ∆负号表示外界对气体作功。

11-5 1mol 双原子分子的理想气体,开始时处于P 1=1.01×105Pa ,V 1=10-3m 3的状态。

然后经本题图示直线过程Ⅰ变到P 2=4.04×105Pa ,V 2=2×10-3m 3的状态。

后又经过程方程为PV 1/2=C(常量)的过程Ⅱ变到压强P 3=P 1=1.01×105Pa 的状态。

求:(1)在过程Ⅰ中的气体吸收的热量;(2)整个过程气体吸收的热量。

解:(1)在过程I 中气体对外作的功 2/))((12211V V p p A -+= 在过程I 中气体内能增量)(25)(251122121V p V p T T R E -=-=∆OV 习题11-5在过程I 中气体吸收的热量JE A Q 3111002.2⨯=+=∆ (2)在过程II 中气体对外作的功 )(222332223232V p V p V dVV p pdV A V V V V -===⎰⎰由常量=21pV可算得3331032m V -⨯=,带入上式得J A 321085.4⨯= 整个过程中气体对外作功J A A A 321101.5⨯=+= 整个过程中气体内能增量JT T R E 3131083.7)(25⨯=-=∆整个过程中气体吸收的热量J A E Q 41029.1⨯=+=∆ 11-6 如本题图所示,系统从状态A 沿ABC 变化到状态C 的过程中,外界有326J 的热量传递给系统,同时系统对外作功126J 。

当系统从状态C 沿另一曲线返回到状态A 时,外界对系统作功为52J ,则此过程中系统是吸热还是放热?传递热量是多少?分析:已知系统从状态C 到状态A ,外界对系统作功为W CA ,如果再能知道此过程中内能的变化为CA E ∆,则由热力学第一定律即可求得该过程中系统传递的热量Q CA 。

由于理想气体的内能是状态(温度)的函数,利用题中给出的ABC 过程吸热、作功的情况,由热力学第一定律即可求得由A 至C 过程中系统内能的变化AC E ∆,而CA AC E E ∆-=∆,故可求得Q CA 。

解:系统经ABC 过程所吸收的热量及对外所作的功分别为J 126J,326ABC ABC ==W Q则由热力学第一定律可得由A 到C 过程中系统内能的增量J 200ABC ABC AC =-=∆W Q E由此可得从C 到A ,系统内能的增量J 200CA -=∆E从C 到A ,系统所吸收的热量为J 252CA CA CA -=+∆=W E Q式中负号表示系统向外界放热252 J 。

这里要说明的是由于CA 是一未知过程。

上述求出的放热是过程的总效果,而对其中每一微小过程来讲并不一定都是放热。

12-7 空气由压强为1.52⨯105 Pa ,体积为5.0⨯10-3 m 3,等温膨胀到压强为1.01⨯105 Pa ,然后再经等压压缩到原来的体积。

试计算空气所作的功。

解:空气在等温膨胀过程中所作的功为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2111121T ln ln p p V p V V RT M mW空气在等压压缩过程中所作的功为()212p d V V p V p W -==⎰利用等温过程关系2211V p V p =,则空气在整个过程中所作的功为()J7.55ln 11122111p T =-+=+=V p V p p p V p W W W12-8 如本题图所示,使l mol 氧气(1)由A 等温地变到B ;(2)由A 等体地变到C ,再由C 等压地变到B ,试分别计算氧气所作的功和吸收的热量。

分析:从p -V 图上可以看出,氧气在AB 与ACB 两个过程中所作的功是不同的,其大小可通过()⎰=V V p W d 求出。

考虑到内能是状态的函数,其变化值与过程无关,所以这两个不同过程的内能变化是相同的,而且因初、末状态温度相同B A T T =,故0=E ∆,利用热力学第一定律E W Q ∆+=,可求出每一过程所吸收的热量。

解:(1)沿AB 作等温膨胀的过程中,系统作功J 1077.2ln ln 3A B A A A B AB⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=V V V p V V RT M mW由分析可知在等温过程中,氧气吸收的热量为 J1077.23AB AB ⨯==W Q(2)沿A 到C 再到B 的过程中系统作功和吸热分别()J100.23C B C CB CB AC ACB ⨯=-==+=V V p W W W WJ100.23ACB ACB ⨯==W Q11-9一定量的某单原子分子理想气体装在封习题11-6图习题11-8图闭的气缸里,此气缸有可活动的活塞(活塞与气缸壁之间无摩擦且无漏气)。

已知气体的初压强P 1=1atm,体积V 1=10-3m 3,现将该气体在等压下加热直到体积为原来的两倍,然后在等体下加热,到压强为原来的2倍,最后作绝热膨胀,直到温度下降到初温为止,试求:在整个过程中气体内能的改变、吸收的热量和所作的功。

解: 因为14T T =,所以内能增量为零。

Jp p V V V p Q 2111111106.5)2(223)2(25⨯=-+-=J Q A 2106.5⨯==11-10 有1mol 刚性多原子分子的理想气体,原来的压强为1.0atm,温度为27℃,若经过一绝热过程,使其压强增加到16atm 。

试求:(1) 气体内能的增量;(2) 在该过程中气体所作的功;(3) 终态时气体的分子数密度。

解:(1) ()K p p T T 60012112==γγ-JT T R i M E 31210479.7)(2⨯=-μ=∆(2) J E A 310479.7⨯=-=∆(3)32622/1096.1m kT pn 个⨯== 11-11 有一绝热的圆柱形的容器,在容器中间放置一无摩擦、绝热的可动活塞,活塞两侧各有ν摩尔同种单原子分子理想气体,初始时,两侧的压强、体积、温度均为(P 0,V 0,T 0)。

气体的定容摩尔热容量为C V =3R/2。

现将一通电线圈放在活塞左侧气体中,对气体缓慢加热。

左侧气体膨胀,同时压缩右方气体,最后使右方气体体积为V 2=V 0/8。

求:(1)左、右两侧气体的终温是多少?(2)左侧气体吸收了多少热量?解:(1)右则气体经历一绝热过程,初态()000T V P 、终态()222T V P ,由方程 122100--=γγV T V T 得出右侧气体末态温度:0013/50120248T T T VV T ==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=--γ 由理想气体物态方程,右侧气体终态压强为002200232P T V T V P P ==由于活塞是可动的,左、右两侧的压强应相同:02132P P P ==,左侧末态体积: 02018152V V V V =-= 左侧气体末态温:000001116081532T T T V P V P T =⨯== (2)000021936223)2(U U W V P T R T T T C U Q V =⨯=-+=∆∆∆=→νν +=+右左右左左 11-12 如本题图所示,有一除底部外都是绝热的气筒,被一位置固定的导热板隔成相等的两部分A 和B ,其中各盛有一摩尔的理想气体氮。

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