第09章习题解答_部分

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自编练习册答案(第九章)

南华大学《大学物理》同步练习册（二）任课教师专业班级姓名学号南华大学物理教研室前言本练习册是与程守洙、江之永主编的普通高等教育“十一五”国家级规划教材《普通物理学》（第六版）相配套的教学辅导练习册。

其目的是帮助我校学生对《大学物理》的基本概念、基本规律和基本方法的理解和消化，掌握《大学物理》的基本内容，在加强基本解题方法训练的基础上，增强对物理思想与应用物理理论分析、解决实际问题的能力的培养，提高科学素养和社会适应能力。

本书在编写的过程中，充分考虑了我校学生的高等数学和物理学基础，根据我校《大学物理》的课时安排情况，特意调整了各章节的顺序，以便于同学们练习使用。

本练习册分为两分册。

练习册（一）内容包括：力和运动、刚体和流体的运动、恒定电流的磁场、气体动理论、机械振动与电磁振荡、光学等章节的主要练习题和《大学物理1》模拟测试题；练习册（二）内容包括：运动的守恒量和守恒定律、静止电荷的电场、电磁感应和电磁场理论、热力学基础、机械波和电磁波、早期量子论和量子力学基础等章节的主要练习题和《大学物理2》模拟测试题。

本练习册着眼于大学物理的基本概念和基本规律的理解，习题结构合理，避免一些怪题、难题，适用面广，有利于培养学生根据基本物理概念和物理规律分析解决问题的能力。

南华大学《大学物理》同步练习册是作为我校大学物理课程学习的辅导用书，也可作为其它大学物理学习者的练习和自测用书。

本练习册由南华大学物理教研室统一规划、组织编写。

限于时间仺促及编者水平，书中难免有一些不妥之处，欢迎广大师生批评、指正。

特别申明：本练习册只限于南华大学内部使用。

编者2012.12.20目录第二章练习一 (1)第二章练习二 (4)第二章练习三 (6)第二章练习四 (8)第七章练习一 (10)第七章练习二 (12)第七章练习三 (15)第七章练习四 (18)第九章练习一 (20)第九章练习二 (22)第九章练习三 (24)第九章练习四 (26)第六章练习一 (28)第六章练习二 (30)第六章练习三 (32)第十一章练习一 (34)第十一章练习二 (36)第十一章练习三 (38)第十三章练习一 (40)第十三章练习二 (42)第十三章练习三 (44)《大学物理2》模拟测试题 (46)第二章运动的守恒量和守恒定律练习一一. 选择题1. 如图1所示，子弹射入放在水平光滑地面上静止的木块而不穿出，以地面为参照系，指出下列说法中正确的说法是（）(A ) 子弹的动能转变为木块的动能； (B ) 子弹一木块系统的机械能守恒； (C ) 子弹动能的减少等于子弹克服木块阻力所做的功； (D ) 子弹克服木块阻力所做的功等于这一过程中产生的热。

喀蔚波09章习题解答

3第九章几何光学习题解答9-1 一只坛子装了 100.0cm 深的甘油，观察者观察坛底好像提高了 32.5cm , 求甘油的折射率.解：由题意知n 2=1, u=100cm , v=-67.5cm , r = x,代入单球面成像公式得n ! 1 1 - m100 -67.5 一 ::n i =1.489-2如图9-2所示,光导纤维是由圆柱形的玻璃芯和玻璃包层组成，其折射率分别为m 和n 2 （（n 1＞口）.设在垂直端面外介质的折射率为 n 。

.证明光线能在纤维内芯和包层间发生全反射的入射光线最大孔径角二m 满足：n ° sin 如=• n ； _ n ；证明如下：n 0 sinv m 十 sin ：(1) n 〔 cos 二 n 2(2)将(1)和(2)平方后相加的9-3 折射率为1.5的月牙形透镜,凸面的曲率半径为15cm,凹面的曲率半径为30cm,如果用平行光束沿光轴对着凹面入射（1）求空气中的折射光线的相交点；（2）如果将此透镜放在水中，问折射的交点又在何处？解：（1）因为n=1.5, n 0=1, r 1=-30cm , r 2=-15cm 代入薄透镜焦距公式得(2) n=1.5, n °= 4/3, r 1= -30cm, r 2= -15cm 代入薄透镜焦距公式得- 1—%=60cm=240cm2 . 2 - 2 2 n ° sin 為二 n 1 「门2 2-n 29-4 眼睛的光学结构可简化为一折射单球面，共轴球面的曲率半径为5.55mm,内部平均折射率为4/3,计算两个焦距•若月球在眼睛节点所张的角度为 1° ,问视网膜上月球的像有多大？眼节点到视网膜的距离取 15mm.解：根据题意n 1=1，n 2=4/3，r=5.55mm 代入单球面焦距公式得1f 1 5.55 =16.65 mm 4 -1 3 视网膜上月球的像的大小为 15ta n1° =0.26mm9-5将折射率为1.50,直径为10cm 的玻璃棒的两端磨成凸的半球面，左端的半径为5cm 而右端的半径为10cm.两顶点间的棒长为60cm,在左端顶点左方 20cm 处有一物（在光轴上）.（1）作为右端面的物是什么？（ 2）右端面的物距为多少？（ 3）此物是实的还是虚的？（ 4）最后所成的像在何处？解：（1）根据题意可知左端面的像作为右端面的物（2）已知n 1=1, n 2=1.5, u=20cm, n=5cm, d=60cm 代入单球面成像公式得1 1.5 1.5-1 --- + ------ = --------- 20 v 5v = 30cm所以右端面的物距为60cm-30cm=30cm（3）此物是实物（4）将u=30cm , n 1=1.5， n 2=1, r= -10cm 代入单球面成像公式得1.5 1 1-1.5---- 十—= ------------30 v -10v =：：9-6将折射率为1.5,直径为8.0cm,端面为凸半球形的玻璃棒，置于液体中，在棒5.55 =22.2mm3 3轴上离端面60cm处有一物体，成像在棒内l.0m处,求液体的折射率.解：已知u=60cm，n2=1.5，r= 4cm，v=100cm代入单球面成像公式得n i 1.5 1.5 - n i60 而一4~m =1.359-7直径为8cm的玻璃球，中心处镶有一小红物，求观察者看到小红物的位解：已知u=4cm，n i=1.5，n2=1，r=-4cm，代入单球面成像公式得1.5 1 1-1.5+ =4 v -4v - -4cm所以观察者看到小红物位于球心处9-8 一极地探险者在用完了火柴后，用冰做了个透镜聚焦阳光来点火，若他做的是曲率半径为25cm的平凸透镜，此透镜应离火绒多远？（设冰的折射率为1.31）解:已知n =1.31, n°=1, r1=25cm, r2=x代入薄透镜焦距公式得- 1 1「f 二（”1）伝-二）=81cm9-9 一透镜将一物成像在离透镜12cm的屏幕上,当把此透镜背离物体移远2cm时，屏幕必须向物移近2cm,以便重新对它聚焦，此透镜的焦距是多少？解:设物与透镜的距离为x,透镜的焦距f,则根据题意可知1 1 1(1)——I ----- = -------x 12 f解得f=4cm9-10 一弯月形薄透镜两表面的曲率半径分别为5cm和10cm,其折射率为1.5,若将透镜的凹面朝上且盛满水，求水与透镜组合后的等效焦距.解:组合薄透镜可看成是由水组成的薄透镜和弯月形薄透镜密切接触组合而成.假定光从水一侧射入,设由水组成的薄透镜的焦距为f1,弯月形薄透镜的焦距为f2,根据题意可列出下列方程1-4 1 i irf^ ( 1)( ) =30cm1[3 ：：-10仇= |(1.5-1)( 1- J =20cm-10 - 51 1 1 1 1 1f =71 12=30 20=12f =12cm9-11有焦距为10cm的凸透镜焦矩为40cm的凹透镜放在同一光轴上,两者相距10cm,在凸透镜前20cm处放一物体(在光轴上)，求最后像的位置，并作图.解：对于凸透镜U1=20cm, f1=10cm, d=10cm代入薄透镜成像公式得1 .丄_丄20 V1 一10v1= 20cm对于凹透镜U2=10cm-20cm=-10cm，f2=-40cm，代入薄透镜成像公式得1 1 1-------------------- T -------------------- = ---------------------------------10 v 2 - 40V2 - 13.3cm9-12把一物放在会聚透镜前方适当距离处时，像落在离透镜20cm处的屏幕上.现将一发散透镜放在会聚透镜与屏幕中间，我们发现,为了得到清晰的像必须把屏幕向离开透镜的方向移远20cm.这发散透镜的焦距是多少？解:一物经会聚透镜所成的像作为发散透镜的物，此物距U2= -10cm，V2=30cm代入薄透镜成像公式得1 1 1-10 30 一ff = -15cm9-13眼睛不调节时能看清的物点到眼睛之间的距离称为远点.视力正常者的远点在无穷远处，即平行光进入眼睛后刚好会聚于视网膜上.眼睛最大调节时能看清的物点到眼睛之间的距离称为近点，视力正常者的近点约为10~12cm.与正常眼相比较，近视眼的近点近，远视眼的近点远，这就是近视眼和远视眼名称的来历.某人眼睛的远点为2m,他应配戴怎样的眼镜？解：配戴的眼镜必须使无穷远的物体在眼前2m处成一虚像，即u=x, v = -2 m 代入薄透镜成像公式得1 1 1—+ ——=—-2 f0.5D = -50，度f9-14 一远视眼的近点为1.0m,要看清眼前25cm处的物体，问需要配戴怎样的眼镜？解：所配戴的眼镜应使眼前25cm处的物体在眼前1m处成一虚像，即u=25cm, v = -1m代入薄透镜成像公式得1 1 1----- r -------- =——---- +----- =0.25 -1f13D f= 300度9-15 一显微镜物镜焦距为10.0mm,目镜焦距为25.0mm,两镜间距为180mm.若物体最后成一虚像于明视距离处,求物距及显微镜的放大率.解：已知f1=1cm,f2=2.5cm, d=18cm, V2=-25cm代入薄透镜成像公式得物镜成像1 1 1----- r -------- = ---------u1v1f1(1)目镜成像1 1 .1(2)d -v1v2f2代入数据得1 1 1=U1 v1 1(3)1 11(4)+18 7 -25 2.5解得V1=15.7cm U1=1.07cmV1 2515.725M-------- X147U1 f2 1.07 2.5。

数学分析第09章答案

第九章再论实数系§1 实数连续性的等价描述1．求数列}{n x 的上、下确界（若}{n x 无上（下）确界，则称)(-∞∞+是}{n x 的上（下）确界）：（1）nx n 11-=；（2）])2(2[n n n x -+=；（3）)3,2,1(11,122 =+==+k k x k x k k ；（4）nn x n n 1])1(1[+-+=；（5）nn n nx )1(21-+=；（6）32cos 11πn n n x n +-=．解（1）0}inf{,1}sup{==n n x x ；（2）-∞=+∞=}inf{,}sup{n n x x ；（3）1}inf{,}sup{=+∞=n n x x ；（4）0}inf{,3}sup{==n n x x ；（5）1}inf{,5}sup{==n n x x ；（6）21}inf {,1}sup{-==n n x x ． 2．设)(x f 在D 上定义，求证： (1) )}({inf )}({sup x f x f Dx Dx ∈∈-=-；(2) )}({sup )}({inf x f x f Dx Dx ∈∈-=-．证明 (1)设a x f =)}(inf{，则D x ∈∀，都有a x f ≥)(，因而a x f -≤-)(，又由于0>∀ε，都D x ∈∃ε，使得εε+<a x f )(，因而εε-->-a x f )(，因此)}({inf )}({sup x f x f Dx Dx ∈∈-=-.(2) 设b x f Dx =∈)}({sup ，则D x ∈∀有b x f ≤)(，从而b x f -≥-)(，又由于,0>∀ε都D x ∈∃ε，使得εε->b x f )(，从而εε+-<-b x f )(，因此)}({sup )}({inf x f x f Dx Dx ∈∈-=-.3．设E sup =β，且E ∉β，试证自E 中可选取数列}{n x 且n x 互不相同，使β=∞→n n x lim ；又若E ∈β，则情形如何？证明由已知条件知E sup =β且E ∉β，因而(1) E x ∈∀，有β<x ；(2) 0>∀ε，都存在E x ∈ε，使得εβε->x ．由(1)、(2)知：对1=ε，存在E x ∈1，使得ββ<<-11x ；对},21min{1x -=βε，E x ∈∃2，使得ββ<<-221x 并且112)(x x x =-->ββ；对},31min{2x -=βε，E x ∈∃3，使得ββ<<-231x 并且223)(x x x =-->ββ；…如此继续下去，得数列}{n x 且n x 互不相同，并且β=∞→n n x lim ．若E ∈β，则结论不真，如⎭⎬⎫⎩⎨⎧=n E 1，则1s u p =E ，但没有n x 互不相同的数列}{n x ，使1lim =∞→n n x ．4．试证收敛数列必有上确界和下确界，趋于∞+的数列必有下确界，趋于∞-的数列必有上确界．证明 (1) 由于收敛数列是非空有界数列，且既有上界又有下界，因而有确界定理知其必有上确界和下确界；(2) 设+∞=∞→n n x lim ，则N ∃，当N n >时0>n x ，因而}0,,,,min{21N x x x 是数列}{n x 的下界，由确界原理知数列}{n x 存在下确界；(3) 设-∞=∞→n n x lim ，则N ∃，当N n >时0<n x ，因而}0,,,,max{21N x x x 是数列}{n x 的上界，由确界定理知数列}{n x 存在上确界．5．试分别举出满足下列条件的数列：（1）有上确界无下确界的数列；（2）含有上确界但不含有下确界的数列；（3）既含有上确界又含有下确界的数列；（4）既不含有上确界又不含有下确界的数列，其中上、下确界都有限．解（1）有上确界无下确界的数列，如}{}{n x n -=有上确界1}sup{-=n x ，但无下确界；（2）含有上确界但不含有下确界的数列，如取⎭⎬⎫⎩⎨⎧=n x n 1}{，则该数列含有它的上确界1}sup{=n x ，但下确界0}inf{=n x ，该数列不含有0；（3）既含有上确界又含有下确界的数列，如⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+=n x n n )1(1}{，既含有上确界1，又含有下确界0；（4）既不含有上确界又不含有下确界的数列，其中上、下确界都有限，如⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∈=-∈+==++.,213;,121Z k k n nZ k k n n x n则数列}{n x 有上确界3和下确界0，该数列}{n x 上含其上、下确界3和0．§2 实数闭区间的紧致性1．利用有限覆盖定理9.2证明紧致性定理9.4．证明设数列}{n x 有界，即存在R b a ∈,，使得对N n ∈∀，都有b x a n ≤≤．下证}{n x 有收敛子列．（1）若}{n x 存在子列}{k n x 是常数列，则}{k n x 是}{n x 的收敛子列．（2）若}{n x 不存在是常数列的子列，下证}{n x 有收敛子列，为此设}|{N n x X n ∈=，则X 是无限点集．反设}{n x 没有收敛的子数列，则],[b a x ∈∀都不是}{n x 的任一子数列的极限，因此对],[b a x ∈∀，都存在开区间),(x x x v u I =，使得x I x ∈且X I x 是有限集（否则对包含x的任一开区间),(x x v u 都有X 的无穷项，则x 是}{n x 的某一子列的极限），因此所有开区间x I 构成闭区间],[b a 的一个开覆盖Ω，由有限覆盖定理知存在有限数m ，使i x mi I b a 1],[=⊂ ，因而有)()()()()(],[3211X I X I X I X I X I X b a m i x x x x x mi =⊂=，注意到上式右端每一项都是有限集，故X b a ],[为有限集，矛盾!综合（1）（2）知}{n x 必有一收敛的子数列． 2．利用紧致性定理证明单调有界数列必有极限．证明设数列}{n x 单调递增且有上界，则}{n x 是有界数列，由紧致性定理知数列}{n x 必有收敛子数列}{k n x ，设c x k n k =∞→lim ，则由}{n x 单调递增知c 必为数列}{n x 的上界，且根据数列极限的定义知,,0K ∃>∀ε当K k >时，有ε<-c x k n ，即εε+<<-c x c k n ，特别地 ε->+c x K n 1，取1+=k n N ，则当1+=>k n N n 时，由数列}{n x 单调递增且c 为它的上界知εε+<≤≤<-+c c x x c n n K 1，即ε<-c x n ，从而c x n n =∞→lim ，即单调递增有上界数列必有极限．同理可证}{n x 单调递减有下界时必有极限，因而单调有界原理成立．3．用区间套定理证明单调有界数列必有极限．证明不妨假设数列}{n x 单调递增有上界（}{n x 单调递减有下界可同理证明)，即存在R b ∈，使得b x x x a n ≤≤≤≤≤= 21，下证数列}{n x 有极限．若b a =，则}{n x 为常驻列，故}{n x 收敛，因而以下假设b a <．取b b a a ==11,，二等分区间],[11b a ，分点为211b a +，若211b a +仍为}{n x 的上界，则令2,11212b a b a a +==；若211b a +不是}{n x 的上界，即存在m ，使211b a x m +>，则令12112,2b b b a a =+=. 二等分区间],[22b a ，分点为222b a +，若222b a +为}{n x 的上界，则令2,22323b a b a a +==；若222b a +不是}{n x 的上界，则令 .,223223b b b a a =+=依此类推得一闭区间套{}],[n n b a ，每一个区间的右端点都是}{n x 的上界，由闭区间套定理知存在唯一的R c ∈，使得c 属于所有闭区间，下证数列}{n x 的极限为c ．由于02lim)(lim 1=-=--∞→∞→n n n n n ab a b ，故根据数列极限的定义，0>∀ε，存在N ，当N n >时，都有2ε<-n n a b ，而],[n n b a c ∈，故),(],[εε+-⊂c c b a n n . （*）另一方面，由闭区间套的构造知K ∃，使得n K n b x a ≤≤，故对K n >∀，由于K n x x >，故n n K n b x x a ≤≤≤. 而由（*）知εε+<<-c x c n ，即ε<-c x n ，从而c x n n =∞→lim ，因而单调有界数列必有极限.4．试分析区间套定理的条件：若将闭区间列改为开区间列，结果怎样？若将条件⊃⊃],[],[2211b a b a 去掉或将条件0→-n n a b 去掉，结果怎样？试举例说明．分析（1）若将闭区间列改为开区间列，结果不真．如开区间列⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛n 1,0满足001lim =⎪⎭⎫ ⎝⎛-∞→n n 且 ⊃⎥⎦⎤⎢⎣⎡⊃⊃⎥⎦⎤⎢⎣⎡⊃⎥⎦⎤⎢⎣⎡⊃⎥⎦⎤⎢⎣⎡n 1,031,021,011,0，但不存在r ，使r 属于所有区间．（2）若将定理其它条件不变，去掉条件 ⊃⊃],[],[2211b a b a ，则定理仍不成立，如⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡+n n n 1,是闭区间列，且0→-n n a b ，但显然不存在r ，使r 属于所有区间．（3）若去掉定理条件0→-n n a b ，则定理仍不成立，如闭区间序列⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-n n 13,11满足 ⊃⊃],[],[2211b a b a ，此时区间]3,1[内任意一点都属于闭区间序列的任何区间，与唯一性矛盾．5．若}{n x 无界，且非无穷大量，则必存在两个子列∞→k n x ,a x k m →（a 为有限数）．证明由于}{n x 无界，故N k ∈∀，都存在k n x ，使得k x k n >，因而∞=∞→k n k x lim ．又由于}{n x 不是无穷大量，根据无穷大量否定的正面陈述知0M ∃，对0>∀K ，存在K m k >，使得0||M x k m <. 从而对于0>∀K ，数列}{k m x 为有界数列，从而必有收敛子列}{k m x ．故结论成立．6．有界数列}{n x 若不收敛，则必存在两个子列b x a x k k m n →→,)(b a ≠．证明由于}{n x 为有界数列，由紧致性定理知数列}{n x 必有收敛的子列}{k n x ，不妨设)(∞→→k a x k n ，又因为数列}{n x 不收敛于a ，故从}{n x 中去掉}{k n x 后所得的项还有无穷多项(否则数列}{n x 就收敛于a )．记其为数列}{k n x ，又因为}{k n x 为有界数列，故有收敛子列，设此子列的极限为b ，则b a ≠，而此子列也是}{n x 的子列，故设其为}{k m x ，因而)(lim b a b x k m k ≠=∞→.7．求证：数列}{n a 有界的充要条件是，}{n a 的任何子数列}{k n a 都有收敛的子数列．证明必要性：由紧致性定理知结论成立．充分性：反设数列}{n a 无界．若}{n a 是无穷大量，则}{n a 的任何子列都不存在收敛的子列，矛盾；若}{n a 不是无穷大量，则由第5题知}{n a 有一子列}{k n a 是无穷大量，从而}{k n a 没有收敛的子数列，也矛盾．因而数列}{n a 有界．8．设)(x f 在],[b a 上定义，且在每一点处函数的极限存在，求证：)(x f 在],[b a 上有界．证明对],[b a t ∈∀，由于)(x f 在t 处的极限存在，故设A x f tx =→)(lim ，则对01>=ε，存在0>t δ，x ∀，当t t x δ<-<||0时，有1)(=<-εA x f ，从而1||)(+<A x f ，取{}1||),(max +=A t f M ，则),(t t t t x δδ--∈∀，都有M x f <)(，即)(x f 在区间),(t t t t δδ--上有界．对所有],[b a t ∈，在1=ε下所取的t δ为半径的开区间{}],[|),(b a t t t t t ∈+-δδ构成闭区间],[b a 上的一个开覆盖，由有限覆盖定理知，存在],[,,,21b a t t t n ∈ ，使得),(],[1i i t i t i ni t t b a δδ+-⊂= ，而)(x f 在每个区间),(i i t i t i t t δδ+-),,2,1(n i =上有界，又由于区间个数有限，故)(x f在],[b a 上有界．9．设)(x f 在],[b a 无界，求证：存在],[b a c ∈，对任意0>δ，函数)(x f 在],[),(b a c c δδ+-上无界．证明反设结论不真，即],[b a c ∈∀，0>∃c δ，函数)(x f 在],[),(b a c c c c δδ+-上有界，则对所有的c ，{}],[|),(b a c c c c c ∈+-δδ构成区间],[b a 的一个开覆盖，由有限覆盖定理知其有有限子覆盖，即],[,,,21b a c c c n ∈∃ ，使),(],[1i i c i c i ni c c b a δδ+-⊂= ，由于函数在每一个],[),(b a c c i i c i c i δδ+-有界，而n 是有限数，故)(x f 在],[b a 有界，矛盾．因此结论成立.10．设)(x f 是),(b a 上的凸函数，且有上界，求证：)(lim ),(lim x f x f bx ax -+→→存在．证明由于)(x f 在),(b a 上有上界，故0>∃M ，对M x f b a x ≤∈∀)(),,(．先证明)(lim x f bx -→存在. 在区间),(b a 中任取一点0x ，并令 00)()()(x x x f x f x g --=，则由)(x f 是),(b a 上的凸函数知)(x g 在),(0b x 上递增，在),(0b x 中任取一点1x ，考察区间),(1b x ，),(1b x x ∈∀，由于1000)()()()(x x x f M x x x f x f x g --≤--=，即)(x g 在),(1b x 上有上界，从而)(x g 在),(1b x 上单调递增且有上界，由定理3．12知)(lim x g b x -→存在，不妨令A x g bx =-→)(lim ，则 )()()()()()(lim )(lim 000000x f x b A x f x x x f x f x x x f b x b x +-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--⋅-=--→→，即)(lim x f bx -→存在．再证明)(lim x f ax +→存在. 由于)(x f 是),(b a 上的凸函数，从而)(x g 在),(0x a 上递增，在),(0x a 中任取一点2x ，考察区间),(2x a ，),(2x a x ∈∀，由于ax Mx f x x x f x f x x x f x f x g --≥--=--=000000)()()()()()(，即)(x g 在),(2x a 上有下界，从而)(x g 在),(2x a 上单调递增且有下界，由定理3．12的推论知)(lim x g ax +→存在，设B x g ax =+→)(lim ，则 )()()()()()(lim )(lim 000000x f B x a x f x x x f x f x x x f a x a x +-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--⋅-=++→→，即)(lim x f ax +→也存在． 11．设)(x f 在],[b a 上只有第一类间断点，定义)0()0()(--+=x f x f x ω.求证：任意εωε≥>)(,0x 的点x 只有有限多个．证明反证法，使用区间套定理. 根据结论，反设存在00>ε，在],[b a 上使0)(εω≥x 的点有无限多个．记],[],[11b a b a =，二等分区间],[11b a ，则在⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+111111,2,2,b b a b a a 中至少有一个区间含有无限多个x 使0)(εω≥x ，记此区间为],[22b a ，再二等分区间],[22b a ，在⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+222222,2,2,b b a b a a 中至少有一个区间含有无限多个x 使0)(εω≥x ，记此区间为 ],,[33b a ，如此继续下去，得闭区间套],[n n b a ，且每个区间],[n n b a 中含有无限多个x 使0)(εω≥x ．由区间套定理可知存在唯一 ,2,1],,[=∈n b a r n n由于)(x f 在],[b a 上只有第一类间断点，而],[b a r ∈，故)0(+r f 和)0(-r f 存在，设B r f A r f =-=+)0(,)0(，则对上述00>ε，存在),(,011δδ+∈∀>r r x 时，有2)(0ε<-A x f ，即2)(2εε+<<-A x f A ，从而由极限不等式知，当),(1δ+∈r r x 时，0)(εω<x ；同理存在),(,022r r x δδ-∈∀>时，0)(εω<x ．取{}21,min δδδ=，则在),(δδ+-r r 上满足0)(εω≥x 的点至多只能有r 一个点．而根据区间套性质知，N n N >∀∃,时，都有),(],[δδ+-⊂r r b a n n ，从而在],[n n b a 中最多只能有一个点，使得0)(εω≥x ，这与区间套的构造矛盾．故原结论成立．12．设)(x f 在],0[+∞上连续且有界，对),(+∞-∞∈∀a ，a x f =)(在),0[+∞上只有有限个根或无根，求证：)(lim x f x +∞→存在．证明由)(x f 在],0[+∞上有界知)(x f 在],0[+∞上既有上界又有下界，不妨设上界为v ，下界为u ，若v u =，则v u x f x ==+∞→)(lim ，结论必然成立，故以下假定v u <．令],[],[11v u v u =，二等分区间],[11v u ，分点为211v u +，由于2)(11v u x f +=在),0[+∞上只有有限个根或无根，而且)(x f 连续，因而11,0X x X >∀>∃时，有2)(11v u x f +>或2)(11v u x f +<．若2)(11v u x f +>，令⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=11122,2],[v v u v u ，若2)(11v u x f +<，则令⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=2,],[11122v u u v u ，因此1X x >∀时，],[)(22v u x f ∈，即22)(v x f u ≤≤．二等分区间],[22v u ，分点为222v u +，由于2)(22v u x f +=在),0[+∞上只有有限个根或无根且)(x f 连续，故212,X x X X >∀>∃时，有2)(22v u x f +>或2)(22v u x f +<．若2)(22v u x f +>，令⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=22233,2],[v v u v u ，反之令⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=2,],[22233v u u v u ，因此2X x >∀时，],[)(33v u x f ∈，即33)(v x f u ≤≤. 依此类推，得一区间套]},{[n n v u ，而且由区间套的构造知，n n n X x X X >∀>∃-,1时，n n v x f u ≤≤)(．由区间套定理知存在唯一的 ,2,1],,[=∈n v u r n n ，下证r x f x =+∞→)(lim ．事实上，对0>∀ε，由闭区间套]},{[n n v u 的构造知，存在N ，N n >∀时，有),(],[εε+-⊂r r v u n n ，特别地取1+=N n ，则),(],[11εε+-⊂++r r v u N N ，按区间套的构造知11,++>∀∃N N X x X 时，),(],[)(11εε+-⊂∈++r r v u x f N N ，即εε+<<-r x f r )(，从而ε<-r x f )(，即r x f x =+∞→)(lim ，也就是说)(lim x f x +∞→存在．§3 实数的完备性1．设)(x f 在),(b a 连续，求证：)(x f 在),(b a 一致连续的充要条件是)(lim x f ax +→与)(lim x f b x -→都存在．证明 )⇒必要性由)(x f 在),(b a 一致连续知，0,0>∃>∀δε，),(,b a x x ∈'''∀且δ<''-'||x x 时，都有ε<''-')()(x f x f .特别地，当),(,δ+∈'''a a x x 时，δ<''-'x x ，故ε<''-')()(x f x f ，由Cauchy 收敛原理知)(lim x f a x +→存在．同理可知)(lim x f b x -→也存在．)⇐充分性证法1 0>∀ε，由)(lim x f a x +→存在知1δ∃，),(,1δ+∈'''∀a a x x 时，ε<''-')()(x f x f ，又由于)(lim x f b x -→也存在，故2δ∃，),(,2b b x x δ-∈'''∀时，ε<''-')()(x f x f ．取⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=4,2,2min 21a b δδδ，则由以上两条知)(x f 在),[],,(b b a a δδ-+上一致连续，而又因为)(x f 在],[δδ-+b a 上连续，因而一致连续，因此)(x f 在],(δ+a a 、],[δδ-+b a 、),[b b δ-上均一致连续，因此)(x f 在),(b a 一致连续．证法2 由已知)(lim x f ax +→与)(lim x f bx -→ 都存在，设B x f A x f bx ax ==-+→→)(lim ,)(lim ，令⎪⎩⎪⎨⎧=∈==.);,()(;)(b x B b a x x f a x Ax F则)(x F 在],[b a 连续，因而一致连续，从而)(x F 在),(b a 一致连续，而)(x F 在),(b a 上就是)(x f ，因而)(x f 在),(b a 上一致连续．2．求证数列nx n 1211+++= ，当∞→n 时的极限不存在．证明利用Cauchy 收敛原理的否定形式证明．取0,0210>∀>=N ε，任取N n >，则N n >2，从而 nn n x x n n 2121112+++++=-021212121212111ε==+++>+++++>n n n n n n ，由Cauchy 收敛原理的否定知数列nx n 1211+++= 当∞→n 时的极限不存在．3．利用Cauchy 收敛原理讨论下列数列的收敛性．（1）)||,1||(2210M a q q a q a q a a x k n n n ≤<++++= ；（2）n n n x 2sin 22sin 21sin 12++++= ；（3）nx n n 1)1(312111+-+-+-= ．解（1）0>∀ε，由1||<q 知0lim 1=+∞→n n q，从而N ∃，N n >∀时，有εMq qn ||1||1-<+，对上述N m n N >∀,,时（不妨n m >），有m n n m n n m n x x x x x x x x +++≤+++=-++++ 2121++=++++≤++++++221121||||||||n n n n m n n q a q a x x x ()εε=-⋅-<-=++≤+++Mq q M q q M q q M n n n ||1||1||1||||||121.由Cauchy 收敛原理知数列}{n x 收敛．（2）这是(1)中21,sin ,10===q k a a k 的特殊情形，由于21||,1<≤q a k ，故数列}{n x 收敛．（3）证法1 利用Cauchy 收敛原理.0>∀ε，由01lim=∞→n n 知，N ∃，N n >∀时ε<n1，对上述N m n N >∀,,时（不妨n m >），有 mn n x x m n n m n 1)1(21)1(11)1(132+++-+++-++-=- mn n n m 1)1(21111---+++-+=. 由于01)1(21111>-+++-+--mn n n m ，故 mn n x x n m m n 1)1(21111---+++-+=- .若n m -为偶数，则mn n x x n m m n 1)1(21111---+++-+=- m m m n n n 11121312111-⎪⎭⎫ ⎝⎛-----⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-+= ε<+≤11n . 若n m -为奇数，则mn n x x n m m n 1)1(21111---+++-+=- ⎪⎭⎫ ⎝⎛----⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-+=m m n n n 111312111 ε<+≤11n . 因而由Cauchy 收敛原理知数列}{n x 收敛．证法2 先考虑数列}{n x 的偶子列}{2n x ，由于22131211221)1(3121132)1(2+--+-=+-+-+-=++n n x n n ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-++⎪⎭⎫ ⎝⎛--++⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=221121211214131211n n n nn x n n 2211214131211=⎪⎭⎫ ⎝⎛--++⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-> ，故偶子列}{2n x 是单调递增的数列，又由于1211213121121)1(31211122<⎪⎭⎫ ⎝⎛----⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-+-+-=+n n n x n n ，因而偶子列}{2n x 是单调上升且有上界的数列，由单调有界原理知}{2n x 必有极限存在，设a x n n =∞→2lim . 又由于121212++=+n x x n n 且0121lim =+∞→n n ，从而 a n x x n n n n n =++=∞→∞→+∞→121lim lim lim 212. 于是我们证得数列}{n x 的奇、偶子列均收敛而且极限相同，故数列}{n x 收敛.4．证明：极限)(lim 0x f x x →存在的充要条件是：对任意给定0>ε，存在0>δ，当δ<-'<00x x ,δ<-''<00x x 时，恒有ε<''-')()(x f x f .证明 )⇒必要性设A x f x x =→)(lim 0，则δδε<-<∀>∃>∀00,,0,0x x x ，就有2)(ε<-A x f ，因此由δ<-'<00x x ,δ<-''<00x x 知ε<-''+-'<-''--'=''-'A x f A x f A x f A x f x f x f )()())(())(()()(，因而必要性成立.)⇐充分性设}{n x 是任意满足0lim x x n n =∞→且0x x n ≠的数列，由已知0,0>∃>∀δε，只要δ<-'<00x x ，δ<-''<00x x 时，有ε<''-')()(x f x f .对上述0>δ，由于0lim x x n n =∞→，且0x x n ≠，故N n N >∀∃,时，有δ<-<||00x x n ；N m >∀时，有δ<-<||00x x m ，于是ε<-)()(m n x f x f ，即)}({n x f 是基本列，由实数列的Cauchy 收敛准则知)(lim n n x f ∞→存在．由}{n x 的取法知任意趋向于0x 而不等于0x 的实数列}{n x 都有极限)(lim n n x f ∞→存在．下证它们的极限都相等．反设)(lim ),(lim 0000x x x x x x x x n nn n n n ≠'='≠=∞→∞→，但)(lim )(lim n n n n x f x f '≠∞→∞→，则定义一个新的数列},,,,{}{2211 x x x x y n ''=，由}{n y 的构造知)(lim 00x y x y n n n ≠=∞→，但)(lim n n y f ∞→有两个子序列极限不相等，故极限)(lim n n y f ∞→不存在，矛盾．从而任意趋向于0x 而不等于0x 的实数列}{n x 构成的数列)(n x f 都有极限存在．而且它们的极限都相等．由Heine 归结原则知)(lim 0x f x x →存在．5．证明)(x f 在0x 点连续的充要条件是：任给0>ε，存在0>ε，当δ<-'0x x ，δ<-''0x x 时，恒有ε<''-')()(x f x f .证明 )⇒必要性由)(x f 在0x 点连续知)()(lim 00x f x f x x =→，故δδε<-∀>∃>∀0,,0,0x x x ，就有2)()(0ε<-x f x f ，因此由δ<-'0x x ，δ<-''0x x 知))()(())()(()()(00x f x f x f x f x f x f -''--'=''-'ε<-''+-'≤)()()()(00x f x f x f x f .因而必要性成立. )⇐充分性设}{n x 是任意满足0lim x x n n =∞→的数列，由已知0,0>∃>∀δε，只要δ<-'0x x ，δ<-''0x x 时，就有ε<''-')()(x f x f ．对上述0>δ，由于0lim x x n n =∞→，故N n N >∀∃,时，有δ<-||0x x n ，N m >∀时，有δ<-||0x x m ，于是ε<-)()(m n x f x f ，即)}({n x f 是基本列，由实数列的Cauchy 收敛准则知)(lim n n x f ∞→存在．由}{n x 的取法知任意趋向于0x 的实数列}{n x ，)(lim n n x f ∞→存在．下证它们的极限都相等．反设)(lim ),(lim 0000x x x x x x x x n nn n n n ≠'='≠=∞→∞→，但)(lim )(lim n n n n x f x f '≠∞→∞→，则定义一个新的数列},,,,{}{2211 x x x x y n ''=，由}{n y 的构造知0lim x y n n =∞→，但)(lim n n y f ∞→有两个子序列极限不相等，故极限)(lim n n y f ∞→不存在，矛盾．从而，任意趋向于0x 的实数列}{n x 构成的数列)(n x f 都有极限存在，而且极限都相等，由Heine 归结原则知)(lim 0x f x x →存在．特别地，取}{n x 为恒为0x 的常数列，则可得)()(lim 0x f x f n n =∞→，即)()(lim 00x f x f x x =→，从而)(x f 在0x 点连续．6．证明下列极限不存在：（1）32cos11πn n n x n +-=；（2）nn n nx )1(21-+=；（3）)sin(2n n x n +=π；（4）n x n cos =；（5）n x n tan =.解（1）取}{n x 的两个子序列，当k n 3=时，131336cos 13133+-=+-=k k k k k x k π，从而可以得到1lim 3=∞→k k x ．而当13+=k n 时，233213)13(2cos 23313+⋅-=++=+k k k k k x k π，从而21lim 13-=+∞→k k x .}{n x 的两个子序列极限不等，故}{n x 的极限不存在．（2）对}{n x 的奇子列，由于121212211+++⎪⎭⎫⎝⎛+=k k k x ，而且12lim 12=+∞→k k ，故1lim 12=+∞→k k x ；对}{n x 的偶子列，由于k k k x 22221+=，而222212222→⋅≤+≤k k k ，故2lim 2=∞→k k x ．原数列的奇子列与偶子列极限不同，故}{n x 的极限不存在．（3）由于()21lim2=-+∞→n n nn ，故取41=ε，则存在00,N n N >∀时 41212=<--+εn n n ，从而 4121412<--+<-n n n ，即 43412+<+<+n n n n ，从而 ()πππππ43412+<+<+n n n n .当n 为偶数时，由于ααπsin )sin(=+n ，从而由上式知()1sin 222≤+=≤n n x n π；当n 为奇数时，由于ααπsin )sin(-=+n ，从而()22sin 12-≤+=≤-n n x n π．因此取220=ε，对N ∀，任取},max{0N N n >，则},max{10N N n >+，而且n x 和1+n x 一个在⎥⎦⎤⎢⎣⎡1,22内，另一个在⎥⎦⎤⎢⎣⎡--22,1内，从而0122ε=>-+n n x x ，由Cauchy 收敛原理的否定形式知数列}{n x 极限不存在．（4）取1sin 20=ε，对N ∀，由阿基米德公理知，存在+∈N k ，使得142+>+N k ππ，在⎪⎭⎫⎝⎛++432,42ππππk k 区间上，由于区间长度12>π，从而存在N n >，使得 ⎪⎭⎫ ⎝⎛++∈+432,421ππππk k n ，对于n 和2+n ，有1sin )1sin(222sin 22sin2cos )2cos(+=-+++=-+n nn n n n n 01sin 21sin 222ε==⋅≥，由Cauchy 收敛原理的否定形式知数列}{cos }{n x n =极限不存在．（5）取0330>=ε，对N ∀，由阿基米德公理知，存在+∈N k ，使得N k >π，由于⎪⎭⎫⎝⎛++2,6ππππk k 的区间长度13>π，从而在⎪⎭⎫ ⎝⎛++2,6ππππk k 中有一个或两个大于N 的正整数点．若在⎪⎭⎫⎝⎛++2,6ππππk k 中只有一个正整数点n ，则 ⎪⎭⎫⎝⎛+-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+++∈+ππππππππ)1(,2)1(22,21k k k k n ，从而0336tantan )1tan(tan tan )1tan(επ==>>+-=-+n n n n n ；若在⎪⎭⎫⎝⎛++2,6ππππk k 中有两个大于N 的正整数点，则取较大的正整数为n ，同样，⎪⎭⎫⎝⎛+-+∈+πππ)1(,2)1(1k k n ，从而0336tantan )1tan(tan tan )1tan(επ==>>+-=-+n n n n n . 由Cauchy 收敛原理的否定形式知数列}{tan }{n x n =极限不存在．7．设)(x f 在),(+∞a 上可导，|)(|x f '单调下降，且)(lim x f x +∞→存在，求证：0)(lim ='+∞→x f x x .证明由于)(lim x f x +∞→存在，由Cauchy 收敛原理，0,0>∃>∀X ε，当X x>2时，也有X x >，从而22)(ε<⎪⎭⎫ ⎝⎛-x f x f ．又因为)(x f 在),(+∞a 可导，故)(x f 在⎪⎭⎫⎝⎛x x ,2上满足Lagrange 中值定理条件，因而⎪⎭⎫⎝⎛∈∃x x ,2ξ，使得2)(2)(x f x f x f ξ'=⎪⎭⎫⎝⎛-，从而)(2)(2ξf x x f x f '=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-，又根据)(x f '单调下降得εεξξ=⋅<⎪⎭⎫⎝⎛-='='≤'='222)(2)()()()(x f x f f x f x x f x x f x ，因此0)(lim ='+∞→x f x x .8．设)(x f 在),(+∞-∞可导，且1)(<≤'k x f ，任给0x ，令),2,1,0()(1 ==+n x f x n n ，求证：(1) n n x +∞→lim 存在；(2) 上述极限为)(x f x =的根，且是唯一的．证明（1）0>∀ε，取k x x k N ln )1(ln1--=ε，N m n >∀,，不妨m n <，下证ε<-||n m x x .由已知)(x f 在),(+∞-∞可导，故由Lagrange 中值定理得1111))(()()(---+-≤-'=-=-n n n n n n n n x x k x x f x f x f x x ξ，同理 ,211----≤-n n n n x x k x x ，依此类推得011x x k x x nn n -≤-+，因此n n m m n n m m m n m x x x x x x x x x x x -++-≤-+-+-=-+-+--11111011101011)(x x k k k x x k x x k n n m n m -+++=-++-≤+--010111)(x x kk x x kk nn n--=-++<+ .由于k x x k N n ln )1(ln1--=>ε，而1<k ，从而01)1(lnln x x k k n --<ε，故ε<--=-011x x kk x x nn m ，因此由Cauchy 收敛原理知n n x +∞→lim 存在.（2）由于)(x f 在),(+∞-∞可导，因而连续，在)(1n n x f x =+两边同时对∞→n 取极限，则)lim (lim n n n n x f x +∞→+∞→=，即n n x +∞→lim 是)(x f x =的根，下证唯一性．反设有)(,b a b a ≠，且)(a f a =，)(b f b =，则b a b a k b a f b f a f b a -<-≤-⋅'=-=-)()()(ξ，矛盾，故根是唯一的．9．设)(x f 在],[b a 满足条件：（1）10],,[,,)()(<<∈∀-≤-k b a y x y x k y f x f ；（2）)(x f 的值域包含在],[b a 内．则对任意],[0b a x ∈，令),2,1,0()(1 ==+n x f x n n ，有（1）n n x +∞→lim 存在；（2）方程)(x f x =的解在],[b a 上是唯一的，这个解就是上述极限值．证明（1）0>∀ε，取k x x k N ln ||)1(ln01--=ε，N m n >∀,，不妨m n <，下证ε<-n m x x .由已知)(1n n x f x =+，而],[0b a x ∈且)(x f 的值域包含在],[b a 内，因而对n ∀，都有],[b a x n ∈，从而01111)()(x x k x x k x f x f x x n n n n n n n -≤-≤-=---+，因此n n m m n n m m m n m x x x x x x x x x x x -++-≤-+-+-=-+-+--11111011101011)(x x k k k x x k x x k n n m n m -+++=-++-≤+--ε<--=-++<+010111)(x x kk x x kk nn n.因此由Cauchy 收敛原理知n n x +∞→lim 存在.（2）设方程)(x f x =在],[b a 上有两个不同的解d c ,，则d c d c k d f c f d c -<-<-=-)()(，矛盾，故根是唯一的．§4 再论闭区间上连续函数的性质1．设)(x f 在],[b a 上连续，并且最大值点0x 是唯一的，又设],[b a x n ∈，使)()(lim 0x f x f n n =+∞→，求证0lim x x n n =+∞→．证明不妨设),(0b a x ∈，当a x =0或b x =0时同理可证．对任意},min{000x b a x --<<ε，由于)(x f 在],[b a 上连续，故)(x f 在],[0ε-x a 、],[00εε+-x x 、],[0b x ε+上连续，由闭区间连续函数的最值定理，)(x f 在],[0ε-x a 、],[00εε+-x x 、],[0b x ε+上均有最大值，显然)(x f 在],[00εε+-x x 上的最大值为)(0x f ，设)(x f 在],[0ε-x a 和],[0b x ε+上的最大值为M ，由最大值点的唯一性可知M x f >)(0．取02)(0>-Mx f ，由)()(lim 0x f x f n n =+∞→知N n N >∀∃,时，2)()()(00Mx f x f x f n -<-，即 M Mx f M x f x f x f n >+=-->2)(2)()()(000，而)(x f 在],[0ε-x a 和],[0b x ε+上的最大值为M ，故),(00εε+-∈x x x n ，即ε<-||0x x n ，从而0lim x x n n =+∞→．2．设)(x f 在],[b a 上连续，可微；又设 (1) )(max )(min x f p x f bx a bx a ≤≤≤≤<<；(2) 如果p x f =)(，则有0)(≠'x f ，求证：p x f =)(的根只有有限多个．证明利用区间套定理．反设p x f =)(在],[b a 上有无穷多个根，设],[],[11b a b a =，二等分区间],[11b a ，则在两个子区间中必有一个区间含有p x f =)(的无穷多个根，设此区间为],[22b a ，再二等分区间],[22b a ，则在两个子区间中必有一个区间含有p x f =)(的无穷多个根，设此区间为 ],,[33b a ．依此类推得一区间套]},{[n n b a ，由区间套的构造知p x f =)(在任意],[n n b a 有无穷多个根.由区间套定理知],[b a r ∈∃，使得对于任意],[,n n b a r N n ∈∈+．若p r f ≠)(，则令p x f x g -=)()(，)(x g 也在],[b a 连续，且0)()(≠-=p r f r g ，从而由保号性知),(,δδδ+-∈∀∃r r x 时，都有0)(≠x g ，即p x f ≠)(，而由区间套知N n N >∀∃,时),(],[δδ+-⊂r r b a n n ，即p x f =)(在],[n n b a 无根，这与区间套的构造矛盾．若p r f =)(，则0)(≠'r f ，即0)()(l i m ≠--→rx r f x f rx ，从而x ∀'∃,δ，当δ'<-<||0r x 时，有0)()(≠--rx r f x f ，即p x f ≠)(，从而在),(δδ'+'-r r 上)(x f 只有一个根r ，而由区间套知N n N >∀∃,时),(],[δδ+-⊂r r b a n n ，即p x f =)(在],[n n b a 只有一个根，这与区间套的构造矛盾．因此p x f =)(在],[b a 上只有有限多个根．3．设)(x f 在],[b a 上连续，0)(,0)(><b f a f ，求证：存在),(b a ∈ξ，使0)(=ξf 且)(0)(b x x f ≤<>ξ．证明令],[|{b a x x E ∈=且}0)(=x f ，由于0)(,0)(><b f a f ，且)(x f 在],[b a 上连续，由介值性定理知φ≠E ，从而E 为非空有界数集，由确界原理知E 有上确界，设E sup =ξ，下证0)(=ξf ．事实上，由于E sup =ξ，由本章第一节习题3知可以在E 中选取数列}{n x ，使ξ=∞→n n x lim ，又由)(x f 连续知0)(lim )lim ()(===∞→∞→n n n n x f x f f ξ，又对于],(b x ξ∈∀，由于E x ∉，从而0)(≠x f ，又根据0)(>b f 知0)(>x f ，因而结论成立．4．设)(x f 是],[b a 上的连续函数，其最大值和最小值分别为M 和)(M m m <，求证：必存在区间],[βα，满足条件：(1) m f M f ==)(,)(βα或M f m f ==)(,)(βα； (2) M x f m <<)(，当),(βα∈x ．证明由于)(x f 是],[b a 上的连续函数，且有最大值M 和最小值m ，故由最值定理知],[b a c ∈∃，使得M c f =)(；],[b a d ∈∃，使得m d f =)(，由于M m <，故d c ≠，令},min{d c =α，},max{d c =β，则在区间],[βα上满足：（1）m f M f ==)(,)(βα或M f m f ==)(,)(βα；（2）对),(βα∈∀x ，由于m f M f ==)(,)(βα或M f m f ==)(,)(βα，而m M ,分别为],[b a 上的最大值和最小值，故M x f m <<)(．5．设)(x f 在]2,0[a 上连续，且)2()0(a f f =，求证：存在],0[a x ∈，使)()(a x f x f +=．证明考虑辅助函数)()()(a x f x f x g +-=，],0[a x ∈.若)()0(a f f =，根据已知条件)2()0(a f f =可知，取0=x 或a x =时，均有)()(a x f x f +=，命题已证．若)()0(a f f ≠，则)()0()0(a f f g -=，)0()()2()()(f a f a f a f a g -=-=，从而)0(g 与)(a g 符号相反，由零点定理知],0[a x ∈∃，使0)(=x g ，即)()(a x f x f +=．6．设)(x f 在],[b a 上连续，且取值为整数，求证≡)(x f 常数．证明反设)(x f 不恒为常数，则],[,21b a x x ∈∃，使得)()(21x f x f ≠，又由于)(x f 取值为整数，故)(),(21x f x f 均为整数，在)(),(21x f x f 之间任取一非整数c ，则由介值性定理知],[b a ∈∃ξ，使得c f =)(ξ，这与)(x f 取值为整数矛盾．7．设)(x f 在),(b a 一致连续，±∞≠b a ,，证明：)(x f 在],[b a 上有界．证明由于)(x f 在],[b a 上一致连续，故取01>=ε，则0>∃δ，当δ<-21x x 时，有1)()(21<-x f x f . 取定11,b a ，其中δ+<<a a a 1，b b b <<-1δ，则],(1a a x ∈∀，有δ<-1a x ，故1)()(1<-a f x f ，因而1)()(1+<a f x f ；同理),[1b b x ∈∀，有δ<-1b x ，故1)()(1<-b f x f ，因而1)()(1+<b f x f ，因此)(x f 在区间],(1a a 和区间),[1b b 均有界. 另一方面，由于)(x f 在],[11b a 上一致连续，根据闭区间上连续函数的性质可知存在01>M ，使得111)(],,[M x f b a x <∈∀.取0}1)(,1)(,max{111>++=b f a f M M ，则),(b a x ∈∀，均有M x f <)(，因而)(x f 在),(b a 上有界．8. 若函数)(x f 在),(b a 上满足利普希茨（Lipschitz ）条件，即存在常数K ，使得x x K x f x f ''-'≤''-')()(，),(,b a x x ∈'''.证明：)(x f 在),(b a 上一致连续．证明 ,0>∀ε 取,21εδK=则对δ<''-'∈'''∀x x b a x x ),,(,，由Lipschitz 条件知εε<⋅<''-'≤''-'KK x x K x f x f 21)()(，因而依定义知)(x f 在),(b a 上一致连续．9．试用一致连续的定义证明：若函数)(x f 在],[c a 和],[b c 上都一致连续，则)(x f 在],[b a 上也一致连续．证明对0>∀ε，由函数)(x f 在],[c a 一致连续知01>∃δ，对],[,21c a x x ∈∀而且121δ<-x x ，就有2)()(21ε<-x f x f ；又根据函数)(x f 在],[b c 上一致连续知02>∃δ，],[,21b c x x ∈∀且221δ<-x x 时，就有2)()(21ε<-x f x f ．取},min{21δδδ=，则],[,21b a x x ∈∀且δ<-21x x 时，若21,x x 同属于],[c a ，有εε<<-2)()(21x f x f ；若21,x x 同属于],[b c ，也有εε<<-2)()(21x f x f ；若21,x x 一个属于],[c a ，另一个属于],[b c ，则由δ<-21x x 知δδ<-<-c x c x 21,，从而εεε=+<-+-≤-22)()()()()()(2121x f c f c f x f x f x f .因而],[,21b a x x ∈∀且δ<-21x x 时，ε<-)()(21x f x f . 因此由一致连续的定义可知)(x f 在],[b a 上一致连续.10．设函数)(x f 在),(+∞-∞上连续，且极限)(lim x f x -∞→与)(lim x f x +∞→存在．证明：)(x f 在),(+∞-∞上一致连续．证明对0>∀ε，由于)(lim x f x -∞→存在，根据Cauchy 收敛原理知，存在01>X ，任意121,X x x -<时，就有ε<-)()(21x f x f ；又由于)(lim x f x +∞→存在，故存在02>X ，任意221,X x x >，就有ε<-)()(21x f x f .由于)(x f 在),(+∞-∞上连续，故)(x f 在区间]1,1[21+--X X 上连续，因而在]1,1[21+--X X 上一致连续，由一致连续的定义知，对上述0>ε，存在01>δ，任意]1),1([,2121++-∈X X x x ，只要112δ<-x x ，就有ε<-)()(21x f x f ．取0}1,min{1>=δδ，则),(,21+∞-∞∈∀x x ，只要δ<-21x x ，则21,x x 同属于区间),(1X --∞、]1),1([21++-X X 或),(2+∞X ，由上述讨论知，不管在哪种情况下，都有ε<-)()(21x f x f ，因而)(x f 在),(+∞-∞上一致连续．11．若)(x f 在区间X （有穷或无穷）中具有有界的导数，即M x f ≤')(，X x ∈，则)(x f 在X 中一致连续．证明对0>∀ε，取Mεδ=，则对任意X x x ∈21,，只要δ<-||21x x ，根据Lagrange中值定理，存在ξ在21,x x 之间，且εδξ=<-≤-'=-M x x M x x f x f x f 212121|))((|)()(，从而)(x f 在X 中一致连续．12．求证：x x x f ln )(=在),0(+∞上一致连续．证明由于x x x f ln )(=，故xx x xxx f 2ln 2ln 211)(+=+='，xx x x f 4ln )(-=''，令0)(=''x f 得1=x ，故1=x 是)(x f '的稳定点，当0)(),1,0(>''∈x f x ，从而)(x f '单调递增；而当0)(),,1(<''+∞∈x f x ，故)(x f '单调递减，因此1=x 是)(x f '的极大值点，也是最大值点，而1)1(='f ，从而对),0(+∞∈∀x ，1)(≤'x f ．再令0)(='x f 得2-=e x ，在区间),[2+∞-e 上，由于0)(≥'x f ，因而在),[2+∞-e 上1)(0≤'≤x f ，即1)(≤'x f ，由上题结论知)(x f 在),[2+∞-e 上一致连续．此外，由于0ln lim )(lim 00==++→→x x x f x x ，若令 ⎩⎨⎧=>=.00,0ln )(x x xx x g则)(x g 在]2,0[连续，因而一致连续，从而)(x g 在]2,0(上一致连续，即)(x f 在]2,0(一致连续．对0>∀ε，由)(x f 在),[2+∞-e 上一致连续知，01>∃δ，对任意),[,221+∞∈-e x x 且121δ<-x x ，都有ε<-)()(21x f x f ；又由)(x f 在]2,0(上一致连续知，02>∃δ，对任意]2,0(,21∈x x 且221δ<-x x ，也有ε<-)()(21x f x f ．取0}1,,min{21>=δδδ，则当),0(,21+∞∈x x 且δ<-21x x 时，要么],2,0(,21∈x x 要么),[,221+∞∈-e x x ，从而ε<-)()(21x f x f ．因此x x x f ln )(=在),0(+∞上一致连续．13．设)(x f 在),(+∞a 上可导，且+∞='+∞→)(lim x f x ，求证：)(x f 在),(+∞a 上不一致连续．证明取10=ε，对0>∀δ，由于+∞='+∞→)(lim x f x ，故0>∃X ，当X x >时，有δ2)(>'x f ，任取X x >1，X x x >+=212δ，虽然有δδ<=-221x x ，但根据lagrange中值定理知，存在)2,(11δξ+∈x x ，使得02121122)()()(εδδξ==⋅>-⋅'=-x x f x f x f . 根据一致连续的否定定义知)(x f 在),(+∞a 上不一致连续．14．求证：x x x f ln )(=在),0(+∞上不一致连续．证明由于+∞=+='+∞→+∞→)1(ln lim )(lim x x f x x ，由上题结论知结论成立．§5 可积性1. 判断下列函数在区间]1,0[上的可积性：（1）)(x f 在]1,0[上有界，不连续点为),2,1(1==n nx ；（2）⎪⎩⎪⎨⎧=∈⎪⎭⎫⎝⎛=;0,0],1,0(,sin sgn )(x x x x f π （3）⎪⎩⎪⎨⎧=∈⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=;0,0],1,0(,11)(x x x x x f（4）[]⎪⎩⎪⎨⎧=∈=.0,0],1,0(,1)(1x x x f x解（1）由于)(x f 在]1,0[上有界，故存在0>M ，对]1,0[∈∀x ，都有M x f ≤)(，故在区间]1,0[的任何子区间上，)(x f 的振幅M 2≤ω.对任给0>ε，由于04lim=∞→n M n ，故N n N >∀∃,时，都有24ε<n M ，特别地取10+=N n 时，也有240ε<n M . 由于)(x f 在⎥⎦⎤⎢⎣⎡1,10n 上只有有限个间断点，因而是可积的，即01>∃δ，使得对区间⎥⎦⎤⎢⎣⎡1,10n 的任何1)max(δλ<∆='i x 的分法，都有∑<∆'''2i i i x εω．取⎭⎬⎫⎩⎨⎧=011,min n δδ，对]1,0[的任意δλ<∆=)max(i x 的分法，下证εω<∆∑=n i i i x 1.由于)1,0(10∈n ，故对上述任意分法，都存在分点00,1i i x x -，使得00011i i x n x <≤-，因而∑∑∑∑∑+=-=+==-=∆++∆≤∆+∆+∆=∆ni i iii i i ni i iii i n i i i iiiixM x M xx xx o 11111110000022ωδωωωωεεεε=+<++≤222121200n M n M，这里最后一项210εω<∆∑+=ni i i i x 是由于[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡⊂+1,11,010n x i ，而)(x f 在⎥⎦⎤⎢⎣⎡1,10n 可积，故函数在区间[]1,10+i x 可积，因而210εω<∆∑+=n i i iix ．因此0lim 1=∆∑=→ni iix ωλ，即)(x f 在]1,0[上可积．（2）由于)(x f 在]1,0[上有界，且不连续点为),2,1(1==n nx 和0=x ，根据（1）的证法知)(x f 在]1,0[上可积．（3）由于)(x f 在]1,0[上有1)(≤x f ，故)(x f 有界，而且)(x f 的不连续点为0=x 和),2,1(1==n nx ，由（2）的证法知，)(x f 在]1,0[可积．（4）由于)(x f 在]1,0[上有1)(0≤≤x f ，故)(x f 有界，而且)(x f 的不连续点只有。

人教版高中物理选修课后作业第九章第2节液体解析版

人教版选修3-3课后作业第九章液体一、选择题1.液体表面张力产生的原因是( )A.液体表面层分子较紧密,分子间斥力大于引力B.液体表面层分子较紧密,分子间引力大于斥力C.液体表面层分子较稀疏,分子间引力大于斥力D.液体表面层分子较稀疏,分子间斥力大于引力2.(多选)关于液体表面张力,下列说法中正确的有( )A.甲图中露珠呈球形,这是地球引力作用的结果B.乙图中液体表面层分子间的距离大于液体内部分子间的距离,产生表面张力C.丙图中水黾可以停在水面上,是由于水的表面张力作用D.丁图中液体表面张力方向与液面平行3.(多选)如图所示的现象中,下列说法正确的是( )A.图甲为浸润现象,图乙为不浸润现象B.图甲中附着层的液体分子比液体内部的分子稀疏C.图乙中附着层的液体分子比液体内部的分子稀疏D.图甲和图乙中表面层的液体分子都比液体内部的分子稀疏E.图甲中表面层分子比液体内部稀疏,而图乙中表面层分子比液体内部密集4.(多选)关于浸润现象,下列说法正确的是( )A.水是浸润液体,水银是不浸润液体B.水是不浸润液体,水银是浸润液体C.浸润现象中,附着层里的分子比液体内部密集D.不浸润现象中,附着层里的分子比液体内部稀疏E.浸润现象中,附着层里的分子具有扩展的趋势5.下列说法不正确的是( )A.浸润液体在细管里能上升B.不浸润液体在细管里能下降C.在建筑房屋时,在砌砖的地基上要铺一层油毡或涂过沥青的厚纸,这是为了增加毛细现象,使地下水容易上升D.农田里如果要保存地下的水分,就要把地面的土壤锄松,以减少毛细现象的发生6.下列属于液晶分子示意图的是( )7.(多选)关于液晶的分子排列,下列说法正确的是( )A.液晶分子在特定方向排列整齐B.液晶分子的排列不稳定,外界条件的微小变化都会引起液晶分子排列的变化C.液晶分子的排列整齐且稳定D.液晶的物理性质稳定8.(多选)关于液晶的以下说法不正确的是( )A.液晶态只是物质在一定温度范围内才具有的状态B.液晶像液体一样具有流动性,而其光学性质与某些晶体相似C.液晶表现各向同性的性质D.液晶的微观结构介于晶体和液体之间,其光学性质会随电压的变化而变化9.(多选)关于固体、液体的性质,下列说法正确的是( )A.非晶体不可能转化为晶体B.单晶体有确定的熔点,多晶体没有确定的熔点C.彩色液晶显示器利用了液晶的光学各向异性的特点D.玻璃管的裂口放在火焰上烧熔,其尖端变钝,这是由于液体表面张力的作用E.唐诗《观荷叶露珠》中有“霏微晓露成珠颗”句,荷叶和露水表现为不浸润10.(多选)关于晶体、非晶体、液晶,下列说法正确的是( )A.所有的晶体都表现为各向异性B.晶体一定有规则的几何形状,形状不规则的常见金属一定是非晶体C.所有的晶体都有确定的熔点,而非晶体没有确定的熔点D.液晶的微观结构介于晶体和液体之间,其光学性质会随电压的变化而变化11.关于液体的下述说法中正确的是( )A.表面张力会使液面收缩,分子间表现为斥力B.附着层分子的作用力表现为斥力时,液体对该固体是不浸润的C.液体对某固体是不浸润的,当液体装在由这种固体物质做成的细管中时管中的液面是凸起的D.毛细现象中,细管的内径越小,管内的液面越高12.下面说法正确的是( )A.鸭子从池塘中出来,羽毛并不湿——毛细现象B.细玻璃棒尖端放在火焰上烧熔后尖端变成球形——表面张力C.粉笔能吸干纸上的墨水——浸润现象D.布做的雨伞,虽然纱线间有空隙,却不漏雨水——毛细现象13. (多选)把极细的玻璃管分别插入水中与水银中,如图所示,能正确表示毛细现象的是( )14.(多选)下列说法正确的是( )A.PM2.5在空气中的运动属于分子热运动B.荷叶上的露珠呈球形是表面张力的结果C.浸润和不浸润现象都是分子力作用的表现D.晶体具有各向异性,具有各向同性的都是非晶体15.(多选)下列说法正确的是( )A.在毛细现象中,毛细管中的液面升高或降低,这与液体的种类和毛细管的材料有关B.不浸润现象说明固体分子对液体分子的吸引力大于液体分子之间的吸引力C.液晶具有流动性,其光学性质与某些晶体相似为各向同性D.在太空里的空间站中,自由飘浮的水滴呈球形,这是表面张力作用的结果16.用金属丝制成一个U形架,一段细长棉线两端紧扣在U形架两臂上A、B两点,细线中点O处有一扣。

《电机学》习题解答(吕宗枢)09章.docx

第 9 章思考题与习题参考答案9.1试比较异步电动机中主磁通和漏磁通的区别。

答: 主磁通是由基波旋转磁动势产生的基波旋转磁通，它经主磁路（定子铁心—气隙—转子铁心—气隙—定子铁心）而闭合。

其穿过气隙而同时交链定子、转子绕组，并分别在定子、转子绕组中产生感应电动势。

转子感应电动势产生的转子电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，驱动转子旋转，异步电动机从而实现将定子侧的电能传递给转子并转换成机械能输出。

因此，主磁通起能量传递和转换的媒介作用。

漏磁通不穿过气隙，它只与自身绕组相交链。

漏磁通包括槽部漏磁通和端部漏磁通。

另外由高次谐波磁动势所产生的高次谐波磁通虽然穿过气隙，但是对转子并不产生有效转矩，与槽部漏磁通和端部漏磁通具有同样的性质，所以也将其作漏磁通处理，称为谐波漏磁通。

由于漏磁通路径磁阻很大，因此它比主磁通小很多。

漏磁通仅在绕组上产生漏电动势，起电抗压降作用，不参与能量传递和转换。

9.2和同容量的变压器相比，为什么三相异步电动机的空载电流较大？答：变压器的主磁路由铁心构成，其磁阻很小，建立一定的主磁通所需要的磁动势很小，即励磁电流很小，通常为额定电流的2%～ 10%。

异步电动机的主磁路除了定、转子部分为铁心外，还有两段空气隙，这使得主磁路的磁阻很大，建立一定的主磁通所需要的磁动势就很大，即励磁电流很很大，通常为额定电流的20%～ 50%。

所以和同容量的变压器相比，三相异步电动机的空载电流较大。

9.3增大异步电动机的气隙，对空载电流、漏抗有何影响?答：增大异步电动机的气隙，主磁路磁阻增大，励磁电抗减小，空载电流增大。

气隙增大后，漏磁面积增加，单位电流产生的漏磁通增加，漏抗增大。

9.4异步电动机空载和负载时的气隙主磁通是否变化，为什么？答：主磁通几乎不变化。

虽然异步电动机空载运行时，气隙主磁通仅由定子励磁磁动势F0产生，而负载运行时，气隙主磁通由定子磁动势F1和转子磁动势 F2共同产生，但是因为外施电压U 1不变，根据U1 E1 4.44 fNk w1可知，空载和负载时的主磁通基本是同一数值。

工程流体力学答案第九章共7页文档

[陈书9-11] 具有s Pa 1003.43⋅⨯=-μ，3m kg 740=ρ的油液流过直径为2.54cm 的圆管，平均流速为0.3m/s 。

试计算30m 长度管子上的压强降，并计算管内距内壁0.6cm 处的流速。

［解］管内流动的雷诺数：μρdu =Re 将s Pa 1003.43⋅⨯=-μ、3m kg 740=ρ、s m 3.0=u 和d=2.54cm 代入，得：因为20002.1399Re <=，所以流动为层流，沿程阻力损失系数：沿程阻力损失：gu d l h 22λλ=表示成压强降的形式：2Re 64222u d l u d l gh p ρρλρλ===∆代入数据，得：()Pa 1799974054.2152.139964209.07401054.2302.1399642=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=∆-p因为是层流运动，流速满足抛物面分布，且其分布为：将()cm 67.06.0254.2=-=r 、s Pa 1003.43⋅⨯=-μ、d=2.54cm 和l=30m 代入，得：［陈书9-12］某种具有3m kg 780=ρ，s Pa 105.75⋅⨯=-μ的油，流过长为12.2m ，直径为1.26cm 的水平管子。

试计算保持管内为层流的最大平均流速，并计算维持这一流动所需要的压强降。

若油从这一管子流入直径为0.63cm ，长也为12.2m 的管子，问流过后一根管子时的压强降为多少？［解］管内流动的雷诺数：μρdu =Re 管内保持层流时，雷诺数低于下临界雷诺数，即：2320Re ==cre R所以：dR u cre ρμ=将s Pa 105.75⋅⨯=-μ、3m kg 780=ρ、2320=cr e R 和d=1.26cm 代入，得：压强降：()Pa 264.3177.0786.121222323220177.07801026.12.122320642Re 64222222=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯===∆-u d l u d l p ρρλ流入后一根管子时，流量不变，直径减小，用上标“~”表示后一种情况，则有：所以：4640232063.026.1Re ~e R ~=⨯==d d 此时流动进入湍流光滑区，且5104640e R ~<=，可用布拉修斯公式求解沿程阻力损失系数，即：压强降：23164.02225.02u d l R u d l p e ρρλ==∆ 此时，平均流速：()m 63.026.10177.02⎪⎭⎫⎝⎛⨯=u所以：()Pa 13.1456312677.178636146403164.063.026.10177.027801063.02.1246403164.04225.042225.0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯=∆-p[陈书9-13] C 30o的水流经过直径d=7.62cm 的钢管（mm 08.0=∆），每分钟流量为3m 340.0。

化工原理习题解答(第二版)(祁存谦)习题解

祁存谦丁楠吕树申《化工原理》习题解答第1章流体流动第2章流体输送第3章沉降过滤第4章传热第5章蒸发第6章蒸馏第7章吸收第9章干燥第8章萃取第10章流态化广州中山大学化工学院（510275）2008/09/28第1章流体流动1-1．容器A 中气体的表压力为60kPa ，容器B 中的气体的真空度为Pa 102.14⨯。

试分别求出A 、B 二容器中气体的绝对压力为若干Pa 。

该处环境大气压等于标准大气压。

（答：A,160kPa ；B,88kPa ）解：取标准大气压为kPa 100，所以得到：kPa 16010060=+=A P ；kPa 8812100=-=B P 。

1-2．某设备进、出口的表压分别为 12kPa -和157kPa ，当地大气压为101.3kPa ，试求此设备进、出口的压力差为多少Pa 。

(答：169kPa -) 解：kPa 16915712-=--=-=∆出进P P P 。

1-3．为了排除煤气管中的少量积水，用如图示水封设备，水由煤气管道上的垂直支管排出，已知煤气压力为10kPa （表压）。

问水封管插入液面下的深度h 最小应为若干？（答：m 02.1）解：m 02.18.910101033=⨯⨯=∆=g P H ρ习题1-3 附图1-4．某一套管换热器，其内管为mm,25.3mm 5.33⨯φ外管为mm 5.3mm 60⨯φ。

内管流过密度为3m 1150kg -⋅，流量为1h 5000kg -⋅的冷冻盐水。

管隙间流着压力（绝压）为MPa 5.0，平均温度为C 00，流量为1h 160kg -⋅的气体。

标准状态下气体密度为3m 1.2kg -⋅，试求气体和液体的流速分别为若干1s m -⋅？（答：1L s m11.2U -⋅=；1g s 5.69m U -⋅= ）习题1-4 附图解：mm 27225.35.33=⨯-=内d ，m m 5325.360=⨯-=外d ；对液体：122s m 11.2027.011503600/500044/-⋅=⨯⨯⨯===ππρ内d m A V u l l l l l ；对气体：0101P P =ρρ⇒3560101m kg 92.51001325.1105.02.1-⋅=⨯⨯⨯==P P ρρ，()224内外内外D d A A A g -=-=π()2322m 1032.10335.0053.04⨯=-=π，13s m 69.592.51032.13600/160/--⋅=⨯⨯===ggg gg g A m A V u ρ。

09静电场习题解答

第九章静电场一选择题1. 在坐标原点放一正+Q ，它在P 点（x =+1，y =0）产生的电场为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 点的电场强度为零？（）Ａ. x 轴上x >1。

B. x 轴上x <0。

C. x 轴上0<x <1。

Ｄ. y 轴上y >0。

E. y 轴上y <0。

解：根据电场叠加原理，应选（Ｂ）。

2. 下列说法中哪一个是正确的？A.电场中某点场强的方向，就是将点电荷放在该点所受的电场力的方向。

B.在以点电荷为中心的球面上，该电荷产生的场强处处相同。

C.场强方向可由定出，其中q 为试验电荷的电量，q 可正可负，ＦqFE =为试验电荷所受的电场力。

D.以上说法都不正确。

( )解：根据电场强度的定义应选(C)。

3. 如图，电量为Q 的点电荷被曲面S 所包围，从无穷远处引另一电量为q 的点电荷至曲面外一点，则：（）Ａ．曲面S 的E 通量不变，曲面上各点场强不变Ｂ．曲面S 的E 通量变化，曲面上各点场强不变Ｃ．曲面S 的E 通量变化，曲面上各点场强变化Ｄ．曲面S 的E 通量不变，曲面上各点场强变化解：根据高斯定理，应选(D)。

4. 两个同心均匀带电球面，半径分别为R a 和R b （R a <R b ），所带电量分别为Q a 和Q b ，设某点与球心相距r ，当R a <r< R b 时，该点的电场强度的大小为：（）202202020π41D.π41C.π41B.π41A.r Q .) R Q r Q (r Q Q .r Q Q .abb a b a b a εεεε+-+解：外球面上的电荷在其内部产生的场强为零，两球面间的场强仅由内球面电荷产生，故选（D ）。

5. 图示为一具有球对称性分布的静电场的E -r 关系曲线，请指出该静电场是由下列哪种带电体产生的。

（）S ．Q．q 选择题3图A ．半径为R 的均匀带电球面 B. 半径为R 的均匀带电球体C. 半径为R 、电荷体密度ρ =Ar （A 为常数）的非均匀带电球体D.半径为R 、电荷体密度ρ =A/r （A 为常数）的非均匀带电球体解：根据计算可知，该电场为半径为R 、电荷体密度ρ =A/r （A 为常数）的非均匀带电球体所产生，故选（D ）。

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题图 9-5 解：(1) 输入数字量 S=(100000)2 时，输出模拟电压
VREF RF 5 V vo = − (d i × 2 i ) = − REF 6 ∑ 3R × 2 i = 0 26 6.3 = − 6 × 2 6 = −3.15V 2
电压
∑ (d
i =0
5
i
× 2i )
(2) 若输入数字量 S 不变，各位模拟开关接通时均产生 0.1V 残余电压，则输出模拟
vo = −
(VREF − 0.1) RF 5 (VREF − 0.1) 5 i d × = − ( 2 ) (d i × 2i ) ∑ ∑ i 6 3R × 2 6 2 i =0 i =0 6.3 − 0.1 5 =− × 2 = −3.1V 26
9-6 在题图 9-6 给出的 4 位倒 T 形电阻网络 DAC 中，设 VREF=5V，RF= R=10kΩ，试求当输入二进制数码分别为 0101、0110、1101 时，输出电压 vo 的大小。
(2) 若输入数字量为(200)16 时输出电压 vo=5V，则
vo = −
故 VREF＝－10V。
VREF 210
∑ (d
i =0
9
i
× 2i ) = −
VREF V × 2 9 = − REF = 5 10 2 2
9-8 题图 9-8 所示的电路是由 10 位 D/A 转换器 AD7520 和同步十六进制计数器 74LS161 组成的波形发生器电路。已知 AD7520 的 VREF= -10V，试画出输出电压 vO 的波形，并标出波形图上各点电压的幅值。
9-20 题图 9-20 所示的电路为 8 位双积分型 ADC 原理图，若时钟脉冲频率 fc=100kHz，则最大转换时间为多少？
题图 9-20 解：双积分型 ADC 完成一次转换所需的时间为两次积分时间之和 T1＋T2。而
T1 = 2 n TC = 2 8 × T2 =
1 = 2.56 ms 1 × 10 5
输出模拟电压
vo = −iF RF = −i∑ RF =− VREF RF R
∑ (2 × d )
i i =0 i
n −1
可见，输出模拟电压 vo 的值与输入二进制数字量 dn-1∼d0 成正比，比例系数为 (2) 若 n=8，VREF=-10V，RF=R/20，当输入数码为(26)16 时，
VREF RF 。 R
2 n TC 1 v I < 2 n TC = 2 8 × = 2.56 ms VREF 1 × 10 5
所以，最大转换时间为 T1＋T2=5.12ms。 9-21 比较并行比较型 ADC、逐次渐近型 ADC 和双积分型 ADC 的优、缺点，指出它们各适于哪些情况。解：并行比较型 ADC 的优点是速度快。目前，8 位并行比较型 ADC 转换时间可以达到 50ns 以下。它的缺点是随着分辨率的提高，所用电压比较器和触发器的数目按几何级数增加。ADC 的输出数字量位数越多，电路越复杂，因此，使用这种方案制作分辨率较高的集成并行 ADC 比较困难。双积分型 ADC 的优点就是工作稳定性好、抗干扰能力比较强。主要缺点是工作速度低。它主要用在对转换速度要求不高的场合，如数字式电压表等。逐次渐近型 ADC 是目前集成 ADC 产品中用得最多的一种电路。这种 ADC 具有电路简单、速度快的优点。
T = (2 n − 1) ×
得 f ≥ (2 即时钟信号频率至少为 10.23MHz。
1 1 = (210 − 1) × ≤ 100 µs f f
10
− 1) × 10 4 =10.23MHz
9-19 题图 9-19 所示的电路为 3 位逐次渐近型 ADC 原理图，如果将 ADC 的输出扩展至 10 位，时钟信号频率为 1MHz，试计算完成一次转换操作所需要的时间。
vo = −
VREF RF R
∑ (2 × d ) = 20 × R × 38 = 19 V
i i =0 i
n −1
10 × R
9-5 某 6 位 T 型电阻网络 DAC 电路题图 9-5 所示，当 RF＝3R，VREF=6.3V 时，试求： (1) 输入数字量 S=(100000)2 时的输出模拟电压值； (2) 若输入数字量 S 不变，各位模拟开关接通时均产生 0.1V 残余电压，则输出模拟电压有何变化？
题图 9-6 解：输出电压
vo = −
VREF RF 24 R
∑ (d
i =0
3
i
× 2i ) = −
5 24
∑ (d
i =0
3
i
× 2i )
输入二进制数码 0101 0110 1101
输出电压 vo 1.5625V 1.875V 4.0625V
9-7 题图 9-7 所示的电路为 10 位倒 T 型电阻网络 DAC，当 R=RF 时，试求： (1) 输出电压 vo 的取值范围？ (2) 若输入数字量为(200)16 时输出电压 vo=5V，参考电压 VREF 应如何取值？
题图 9-19
解：n 位输出的逐次渐近型 ADC，完成一次转换所需的时间为 n+2 个时钟周期。所以如果将题图 9-19 逐次渐近型 ADC 的输出扩展到 10 位，取时钟信号频率为 1MHz，则完成一次转换操作所需要的时间为
(n + 2) ×
1 1 = 12 × =12µs f 1 × 10 6
题图 9-8 解：输出波形为锯齿波，如下图所示：
9-9 在题图 9-9 所示的电路中， AD7520 为 10 位 D/A 转换器， 74LS160 为同步十进制计数器。ROM 存储的数据如表 9-9 所示，其中高 6 位地址 A9~A4 始终为 0，在表中没有列出。 ROM 的输出数据只用了低 4 位，做为 AD7520 的输入。试分析电路的功能，并画出输出电压 vO 的波形图。表 9-9 ROM 中的数据 A3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 A2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 A1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 A0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 D3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 D2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 D1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 D0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
题图 9-4
解：(1) 推导输出电压 vo 与输入数字量 dn-1…d1d0 的关系。流入集成运放求和点的电流之和 iΣ等于流入反馈电阻 RF 的电流 iF，即
i∑ = i F = I n−1d n −1 + I n−2 d n−2 + ... + I1d1 + I 0 d 0 VREF n−1 (2 × d n−1 + 2 n−2 × d n−2 + ... + 21 × d1 + 2 0 × d 0 ) R VREF n−1 i = ∑ (2 × d i ) R i =0 =
i =0
3
VREF 24
∑ (d
i =0
3
i
× 2i ) = −
5 × 4 = −1.25 V 16
9-4 某 n 位权电阻网络 DAC 如题图 9-4 所示。 (1) 试推导输出电压 vo 与输入数字量 dn-1…d1d0 的关系。 (2) 若 n=8，VREF=-10V，RF=R/20，当输入数码为(26)16 时，试求输出电压 vo 的值。
题图 9-7
解：(1) 输出电压
vo = −
VREF RF 210 R
∑ (d
i =0
9
i i ×2 ) = −源自VREF 210∑ (d
i =0
9
i
× 2i )
当 10 位二进制代码为全 0 时，对应输出电压为 0V；当 10 位二进制代码为全 1 时，对应输出电压为 −
210 − 1 VREF ≈ −VREF 。故输出电压的取值范围为－VREF～0V。 210
10 ⋅1 = 0.0049 ，故 n ≥ 11 。 2n −1
9-3 在题图 9-3 所示的权电阻网络 DAC 中，若取 RF＝R/2，VREF=5V，试求当输入数字量为(0100)2 时输出电压的大小。
题图 9-3 解：输出模拟电压
vo = −
VREF RF 23 R
∑ (d i × 2i ) = −
vo =
7 10 ⋅ (d i × 2 i ) ∑ 8 2 − 1 i =0
当输入数字量(10111010)2 时，vo=7.29V；当输入数字(01011001)2 时，vo=3.49V。 9-2 已知某 DAC 电路满刻度输出电压为 10V，要求能分辨的最小模拟电压为 4.9mV，试问其输入数字量的位数 n 至少是多少？解：二进制代码最低位为 1 时所对应的输出电压是 DAC 能分辨出的最小输出电压，根据题意 vo =
题图 9-9 解：电路完成三角波形的产生。输出波形如下图
9-10 题图 9-10 所示电路是用 AD7520 和运算放大器 A 构成的可编程增益放大电路，它的电压增益 Av＝vo/vI 由输入数字量 d9∼d0 来设定，试推导 Av 的表达式，并说明 Av 的取值范围。
题图 9-10 9-11 实现模数转换一般要经过哪几个过程？按工作原理的不同来分类，A/D 转换器可分为哪几类？模数转换转换一般要经过取样、保持、量化、编码等四个步骤。按工作原理的不同，可分为直接转换型 ADC 和间接转换型 ADC。 9-12 若 ADC(包括取样—保持电路)输入模拟电压信号的最高变化频率为 10kHz，试说明取样频率的下限是多少？完成一次 A/D 转换所用时间的上限是多少？为了能不失真的恢复原来的输入信号，取样频率 fs 必须不小于输入模拟信号频谱中最高频率 fimax 的两倍，即当 fs ≥ 2fimax 时，取样信号才能够正确地反映输入信号。 9-13 什么是量化误差？它是怎样产生的？量化过程中所取的最小数量单位称为量化单位，用Δ表示，它是数字量最低有效位为 1 时所对应的模拟量，即 1Δ=1LSB。由于取样电压不一定能被Δ整除，所以量化前后不可避免的存在舍入误差，此误差称为量化误差，用ε表示。量化误差属于原理误差，它只能减少，不能消除。ADC 的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差就越小。 9-18 在题图 9-18 所示的计数型 ADC 中，若输出的数字量为 10 位二进制数，时钟信号频率为 1MHz，完成一次转换的最长时间是多少？如果要求转换时间不大于 100µs，时钟信号频率应选多少？