大学物理(张三慧版)课后题部分答案
张三慧《大学物理学：力学、电磁学》(第3版)(B版)(课后习题 静电场中的导体)【圣才出品】
第9章 静电场中的导体9.1 求导体外表面紧邻处场强的另一方法。
设导体面上某处面电荷密度为σ，在此处取一小面积ΔS，将ΔS 面两侧的电场看成是ΔS 面上的电荷的电场（用无限大平面算）和导体上其他地方以及导体外的电荷的电场（这电场在ΔS 附近可以认为是均匀的）的叠加，并利用导体内合电场应为零求出导体表面紧邻处的场强为σ/ε0（即教材式（8.2））。
解：如图8-1所示，导体表面小面积ΔS 上所带电荷在它的两侧分别产生场强为σ/2ε的电场E'1和E'2，ΔS以外的电荷在ΔS 附近产生的电场为E"，可视为均匀的。
由电场叠加原理，在ΔS 的导体内一侧应有于是在ΔS的导体外一侧，则合电场应为这说明E ex 的大小为2σ/（2ε0）＝σ/ε0，而其方向垂直于导体表面。
图8-19.2 一导体球半径为R1，其外同心地罩以内、外半径分别为R2和R3的厚导体壳，此系统带电后内球电势为φ1，外球所带总电量为Q 。
求此系统各处的电势和电场分布。
解：设内球带电为q 1，则球壳内表面带电将为－q1，而球壳外表面带电为q 1＋Q ，这样就有由此式可解得于是，可进一步求得9.3 在一半径为R1＝6.0 cm 的金属球A 外面套有一个同心的金属球壳B 。
已知球壳B 的内、外半径分别为R2＝8.0 cm ，R3＝10.0 cm 。
设A 球带有总电量QA ＝3×10－8 C ，球壳B 带有总电量QB ＝2×10－8C 。
（1）求球壳B 内、外表面上各带有的电量以及球A 和球壳B 的电势；（2）将球壳B 接地然后断开，再把金属球A 接地。
求金属球A 和球壳B内、外表面上各带有的电量以及球A 和球壳B 的电势。
解：（1）由高斯定律和电荷守恒可得球壳内表面带的电量为球壳外表面所带电量为于是（2）B 接地后断开，则它带的总电量变为然后球A 接地，则φ'a＝0。
设此时球A 带电量为q'A ，则由此解得9.4 一个接地的导体球，半径为R ，原来不带电。
张三慧《大学物理学：力学、电磁学》(第3版)(B版)(课后习题 刚体的转动)【圣才出品】
对直尺，手刚释放时，由转动定律
在米尺转到竖直位置的过程中，机械能守恒给出
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图 5-7
5.13 从质元的动能表示式
出发，导出刚体绕定轴转动的动能表示式
图 5-4
解：对 AA＇轴的转动惯量为
对 BB＇轴的转动惯量为
5.9 在伦敦的英国议会塔楼上的大本钟的分针长 4.50 m，质量为 100 kg；时针长 2.70 m，质量为 60.0kg。二者对中心轴的角动量和转动动能各是多少？将二者都当成均 匀细直棒处理。
解：对分针，有
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（1）按均匀球面计算，此球形分子对其一个直径的转动惯量是多少？ （2）在室温下一个 C60 分子的自转动能为 6.12×10-21J。求它的自转频率。
解： （2）由
图 5-3 可得频率
5.7
一个氧原子的质量是 2.66×10-26kg，一个氧分子中两个氧原子的中心相距
1.21×10-10m。求氧分子相对于通过其质心并垂直于二原子连线的轴的转动惯量。如果一
解：平均角加速度为
5.4 求位于北纬 40°的颐和园排云殿（以图 5-1 中 P 点表示）相对于地心参考系的线 速度与加速度的数值和方向。
图 5-1 解：如图 5-1 所示，所求线速度的大小为
方向垂直于地轴向东。
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加速度的大小为
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解：以 ri 表示质元 Δmi 到转轴的垂直距离，此质元的速率为 υi＝riω，于是整个刚体 的动能为
张三慧《大学物理学：力学、电磁学》(第3版)(B版)(课后习题 磁 力)【圣才出品】
第13章 磁 力13.1 某一粒子的质量为0.5 g ，带有2.5×10－8C的电荷。
这一粒子获得一初始水平速度6.0×104m/s ，若利用磁场使这粒子仍沿水平方向运动，则应加的磁场的磁感应强度的大小和方向各如何？解：粒子仍沿水平方向运动时，它受的重力应被磁力平衡，即由此得此磁场方向应垂直于速度，水平向左。
13.2 如图13-1，一电子经过A 点时，具有速率v0＝1×107m/s 。
（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。
图13-1解：（1）对电子的圆运动用牛顿第二定律由此得（2）所需时间应为13.3 把2.0×103eV的一个正电子，射入磁感应强度B＝0.1 T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。
解：正电子的速率为作螺旋运动的周期为螺距为半径为13.4 估算地球磁场对电视机显像管中电子束的影响。
假设加速电势差为2.0×104V，如电子枪到屏的距离为0.2 m，试计算电子束在大小为0.5×10－4T的横向地磁场作用下约偏转多少？假定没有其他偏转磁场，这偏转是否显著？解：电子离开电子枪的速度为如图13-2所示，电子的偏转距离为此偏转比较大，但由于全画面电子束均有此偏转，故对图像无影响。
图13-213.5 北京正负电子对撞机中电子在周长为240 m的储存环中作轨道运动。
已知电子的动量是1.49×10－18kg·m/s，求偏转磁场的磁感应强度。
解：由R＝mv/（eB）＝p/（eB）可得13.6 蟹状星云中电子的动量可达10－16kg·m/s，星云中磁场约为10－8T，这些电子的回转半径多大？如果这些电子落到星云中心的中子星表面附近，该处磁场约为108T，它们的回转半径又是多少？解：13.7 在一汽泡室中，磁场为20 T，一高能质子垂直于磁场飞过时留下一半径为3.5 m的圆弧径迹。
张三慧《大学物理学：力学、电磁学》(第3版)(B版)【课后习题】(7-16章)【圣才出品】
第2篇电磁学第7章静电场7.1在边长为a的正方形的四角，依次放置点电荷q，2q，－4q和2q，它的正中放着一个单位正电荷，求这个电荷受力的大小和方向。
解：如图7-1所示，两个2q对q0的作用力相抵消，q0受的即q和－4q对它的合力，其大小为力的方向指向－4q。
图7-17.2三个电量为－q的点电荷各放在边长为r的等边三角形的三个顶点上，电荷放在三角形的重心上。
为使每个负电荷受力为零，Q之值应为多大？解：如图7-2所示，Q受其他三个电荷的合力等于0，与Q的大小无关。
一个－q受其他三个电荷的合力的大小为此合力为零给出图7-27.3如图7-3所示，用四根等长的线将四个带电小球相连，带电小球的电量分别是－q，Q，－q和Q。
试证明当此系统处于平衡时，。
图7-3解：如图7-3所示，电荷－q受合力为零要求化简后可得同理，电荷Q受合力为零要求将上两式相比，即得各电荷受力均为零时，7.4一个正π介子由一个u夸克和一个反d夸克组成。
u夸克带电量为，反d夸克带电量为。
将夸克作为经典粒子处理，试计算正π介子中夸克间的电力（设它们之间的距离为）。
解：7.5精密的实验已表明，一个电子与一个质子的电量在实验误差为的范围内是相等的，而中子的电量在的范围内为零。
考虑这些误差综合的最坏情况，问一个氧原子（具有8个电子、8个质子和8个中子）所带的最大可能净电荷是多少？若将原子看成质点，试比较两个氧原子间电力和万有引力的大小，其净力是相吸还是相斥？解：一个氧原子所带的最大可能净电荷为两个氧原子间的最大库仑力为两个氧原子间的引力为所以两氧原子间净力为引力。
7.6一个电偶极子的电矩为p＝ql，证明此电偶极子轴线上距其中心为处的一点的场强为证：电偶极子的＋q和－q两个电荷在轴线上距中心为r处的合场强为由于，并考虑到方向可得7.7电偶极子电场的一般表示式。
将电矩为p的电偶极子所在位置取作原点，电矩方向取作x轴正向。
由于电偶极子的电场具有对x轴的轴对称性，所以可以只求xy平面内的电场分布E（x，y）。
张三慧《大学物理学：力学、电磁学》(第3版)(B版)【课后习题】(1-6章)【圣才出品】
（1）求质点运动的轨道方程并画出轨道曲线；
（2）求
和
时，质点的位置、速度和加速度。
图 1-1
解：（1）在运动函数中消去 t，可得轨道方程为 1-1 所示。
（2）由
轨道曲线为一抛物线如图
可得在 t＝1 s 时， 在 t＝2 s 时，
1.8 男子排球的球网高度 2.43 m，球网两侧的场地大小都是 9.0 m×9.0 m。一运动 员采用跳发球姿势，其击球点高度为 3.5 m，离网的水平距离是 8.5 m。
由此可知θ无实数解，所以该目标不在可能的轨道上，所以不能被石头击中。 只有当
时，θ才有解，由此得 所以在 L＝50 m 这个距离上，他能击中的目标的最高高度为 12.3 m。附带算出相应的
1.11 为迎接香港回归，柯受良 1997 年 6 月 1 日驾车飞越黄河壶口瀑布（见图 1-4）。 东岸跑道长 265 m，柯驾车从跑道东端起动，到达跑道终端时速度为 150 km/h，他随即 以仰角 5°冲出，飞越跨度为 57 m，安全落到西岸木桥上。
，他能击中一个与他的手水平距离 L
＝50 m，高 h＝13 m 处的一个目标吗？在这个距离内他能击中的目标的最高高度是多少？
解：如图 1-3 所示，石头的轨道方程为
图 1-3
以
代入可得
能击中该目标的θ角需满足上式，即条件为
将已知数据代入后，可得根号下的值
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第1篇 力 学
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第 1 章 质点运动学
1.1 木星的一个卫星——木卫 1——上面的珞玑火山喷发出的岩块上升高度可达 200
张三慧《大学物理学：力学、电磁学》(第3版)(B版)(课后习题 恒定电流)【圣才出品】
第11章 恒定电流11.1 北京正负电子对撞机的储存环是周长为240m 的近似圆形轨道。
当环中电子流强度为8mA 时，在整个环中有多少电子在运行？已知电子的速率接近光速。
解：以N 1表示单位长度轨道上的电子数，则。
在整个环中的电子数为11.2 在范德格拉夫静电加速器中，一宽为30cm 的橡皮带以20cm/s 的速度运行，在下边的滚轴处给橡皮带带上表面电荷，橡皮带的面电荷密度足以在带子的每一侧产生的电场，求电流是多少毫安？解：11.3设想在银这样的金属中，导电电子数等于原子数。
当1mm 直径的银线中通过30A 的电流时，电子的漂移速度是多大？给出近似答案，计算中所需要的那些你一时还找不到的数据，可自己估计数量级并代入计算。
若银线温度是20℃，按经典电子气模型，其中自由电子的平均速率是多大？解：银的摩尔质量取密度取，则11.4 一铜棒的横截面积为长为2 m ，两端的电势差为。
已知铜的电阻率为，铜内自由电子的数密度为。
求：（1）棒的电阻；（2）通过棒的电流；（3）棒内的电流密度；（4）棒内的电场强度；（5）棒所消耗的功率；（6）棒内电子的漂移速度。
解：11.5 一铁制水管，内、外直径分别为 2.0cm 和2.5 cm ，这水管常用来使电气设备接地。
如果从电气设备流入到水管中的电流是20A ，那么电流在管壁中和水中各占多少？假设水的电阻率是，铁的电阻率为解：以I 1和I2分别表示通过水和铁管的电流，则由于I 1和I 2相比甚小，所以11.6 地下电话电缆由一对导线组成，这对导线沿其长度的某处发生短路（图11-3）。
电话电缆长 5 m。
为了找出何处短路，技术人员首先测量AB 间的电阻，然后测量CD 间的电阻。
前者测得电阻为，后者测得为，求短路出现在何处。
图11-1解：设在P 处短路，则又因，，所以得即短路出现在离A端1.5 m 处。
11.7 大气中由于存在少量的自由电子和正离子而具有微弱的导电性。
（1）地表附近，晴天大气平均电场强度约为大气平均电流密度约为。
大学物理学 清华 张三慧 7-8-9章习题课
i
表三 作用力
1.点(元)受力
静电场
稳恒磁场
类比总结
三
f qE
f qv B
2.电荷(电流)受力
f
dq E
(Q )
f
(I)
Id l B
3.典型题目
孤立导体
ds
思路：
受力？
i da
dl
单位面积受力
df ds E 其余
M mB sin
mB sin 60
0
6 如图所示，两导线直径为d，中心线间距为3d， 导体块质量为m，可沿长为L的导轨滑动， 求：⑴静止滑块从导轨一端滑到另一端的时间； ⑵滑块离开导轨时的速率。
可把两导线看作无限长 dF Idl B
0 I 0 I F dx 2x 2 3d x d
I1
（B）顺时钟转动 （C）逆时钟转动
（D）离开大平板向外运动 注意：力矩的方向不是转动的方向， 力矩的方向与转动的方向之间成右 手螺旋的关系。
I2
思考题 电量为q的粒子在均匀磁场中运动，下列哪些说法是正 确的 (1)只要速度大小相同，所受的洛仑兹力就一定相同； (2)速度相同，电量分别为+q和-q的两个粒子，它们受 磁场力的大小相等方向相反；
2、如图所示，流出纸面的电流为2I ，流进纸面的电流为I， 则下述各式中正确的是（ D ）
( A ) H dl 2 I
l1
( B )
l2
H dl I
(C ) H dl I
( D ) H dl I
l4
l3
3、用细导线均匀密绕成长为l，半径为a(l>>a)，总匝数为N的 螺线管，管内充满相对磁导率为μ r的均匀磁介质，若线圈中载 有稳恒电流I，则管中任一点（ D ） （A）B=μ 0μ rNI （B）B=μrNI/l （C）H=μ0NI /l （D）H=
物理答案清华大学张三慧
大学物理练习册（下）(清华大学张三慧教材)姓名班级学号南京理工大学应用物理系磁场练习一1．在范德格拉夫静电加速器中，一宽为30cm的橡皮带以20cm/s的速度运行，在下边的滚轴处给橡皮带带上表面电荷，橡皮带的面电荷密度足以在带子的每一侧产生1.2×106V/m的电场，求电流是多少毫安？解：2．一铜棒的横截面积为20mm×80mm，长为2m，两端的电势差为50mV。
已知铜的电阻率为ρ＝1.75×10-8Ω·m，铜内自由电子的数密度为8.5×1028/m3。
求：（1）棒的电阻；（2）通过棒的电流；（3）棒内的电流密度；（4）棒内的电场强度；（5）棒所消耗的功率；（6）棒内电子的漂移速度。
解：3．大气中由于存在少量的自由电子和正离子而具有微弱的导电性。
（1）地表附近，晴天大气平均电场强度为120V/m ，大气平均电流密度为4×10-12A/m 2。
求大气电阻率是多少？（2）电离层和地表之间的电势差为4×105V ，大气的总电阻是多大？ 解：4．如图所示，电缆的芯线的半径为cm 5.01=r 的铜线，在铜线外边包一层同轴的绝缘层，绝缘层的外半径为cm 22=r ，电阻率m 10112⋅Ω⨯＝ρ，在绝缘层的外面又用铅层保护起来。
(1)求长m 100=L 的这种电缆沿径向的电阻；（2）当芯线与铅层的电势差为100V 时，在这电缆中沿径向的电流多大？解：练习二1．一正方形线圈由外皮绝缘的细导线绕成，共绕有200匝，每边长为150mm ，放在B ＝4.0T 的外磁场中，当导线中通有I ＝8.0A 的电流时，求：（1）线圈磁矩的大小；（2）作用在线圈上的力矩的最大值。
解：2．一质量为M 半径为R 的均匀电介质圆盘均匀带有电荷，面电荷密度为σ。
求证当它以ω的角速度绕通过中心且垂直于盘面的轴旋转时，其磁矩的大小为4/m 4R πωσ=，而且磁矩m与角动量L 的关系为L Mq m 2=，其中q 为盘带的总电量。