大学基础物理学答案(习岗)第9章

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《大学物理》第二版-课后习题标准答案-第九章

《大学物理》第二版-课后习题答案-第九章————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：习题精解9-1.在气垫导轨上质量为m 的物体由两个轻弹簧分别固定在气垫导轨的两端，如图9-1所示，试证明物体m 的左右运动为简谐振动，并求其振动周期。

设弹簧的劲度系数为k 1和k 2. 解：取物体在平衡位置为坐标原点，则物体在任意位置时受的力为 12()F k k x =-+ 根据牛顿第二定律有2122()d xF k k x ma m dt=-+==化简得21220k k d x x dt m++= 令212k k mω+=则2220d x x dt ω+=所以物体做简谐振动，其周期1222mT k k ππω==+9-2 如图9.2所示在电场强度为E 的匀强电场中，放置一电偶极矩P=ql 的电偶极子，+q 和-q 相距l ，且l 不变。

若有一外界扰动使这对电荷偏过一微小角度，扰动消息后，这对电荷会以垂直与电场并通过l 的中心点o 的直线为轴来回摆动。

试证明这种摆动是近似的简谐振动，并求其振动周期。

设电荷的质量皆为m ，重力忽略不计。

解取逆时针的力矩方向为正方向，当电偶极子在如图9.2所示位置时，电偶极子所受力矩为sin sin sin 22l lM qE qE qEl θθθ=--=- 电偶极子对中心O 点的转动惯量为2221222l l J m m ml ⎛⎫⎛⎫=+= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭由转动定律知2221sin 2d M qEl J ml dtθθβ=-==•化简得222sin 0d qEdt mlθθ+= 当角度很小时有sin 0θ≈，若令22qEmlω=，则上式变为222sin 0d dtθωθ+= 所以电偶极子的微小摆动是简谐振动。

而且其周期为222mlT qEππω== 9-3 汽车的质量一般支承在固定与轴承的若干根弹簧上，成为一倒置的弹簧振子。

袁艳红主编大学物理学第九章课后习题答案

----------专业最好文档，专业为你服务，急你所急，供你所需-------------文档下载最佳的地方第9章静电场习题一选择题9-1 两个带有电量为2q 等量异号电荷，形状相同的金属小球A 和B 相互作用力为f ，它们之间的距离R 远大于小球本身的直径，现在用一个带有绝缘柄的原来不带电的相同的金属小球C 去和小球A 接触，再和B 接触，然后移去，则球A 和球B 之间的作用力变为[ ](A)4f (B) 8f (C) 38f (D) 16f答案：B解析：经过碰撞后，球A 、B 带电量为2q，根据库伦定律12204q q F r πε=，可知球A 、B 间的作用力变为8f。

9-2关于电场强度定义式/F E =0q ，下列说法中哪个是正确的？[ ] (A) 电场场强E 的大小与试验电荷0q 的大小成反比 (B) 对场中某点，试验电荷受力F 与0q 的比值不因0q 而变 (C) 试验电荷受力F 的方向就是电场强度E 的方向 (D) 若场中某点不放试验电荷0q ，则0=F ，从而0=E 答案：B解析：根据电场强度的定义，E 的大小与试验电荷无关，方向为试验电荷为正电荷时的受力方向。

因而正确答案（B ）习题9-3图(B) 穿过S 面的电场强度通量改变，O 点的场强大小改变 (C) 穿过S 面的电场强度通量不变，O 点的场强大小改变 (D) 穿过S 面的电场强度通量不变，O 点的场强大小不变答案：D解析：根据高斯定理，穿过闭合曲面的电场强度通量正比于面内电荷量的代数和，曲面S 内电荷量没变，因而电场强度通量不变。

O 点电场强度大小与所有电荷有关，由点电荷电场强度大小的计算公式204q E rπε=，移动电荷后，由于OP =OT ，即r 没有变化，q 没有变化，因而电场强度大小不变。

因而正确答案（D ）9-4 在边长为a 的正立方体中心有一个电量为q 的点电荷，则通过该立方体任一面的电场强度通量为 [ ](A) q /ε0 (B) q /2ε0 (C) q /4ε0 (D) q /6ε0 答案：D解析：根据电场的高斯定理，通过该立方体的电场强度通量为q /ε0，并且电荷位于正立方体中心，因此通过立方体六个面的电场强度通量大小相等。

大学物理第九章习题及答案

第九章静电场的基本规律一、填空1.电荷分为和，一般把用摩擦过的玻璃棒上所带的电荷称为，把用毛皮摩擦过的上所带的电荷称为。

2.物体所带电荷的多寡程度的物理量称为。

3.物体所带的电荷量不是以连续值出现，而是以不连续的量值出现的，这称为。

4.试探电荷满足的两个条件是，。

5.穿过电场中某曲面的电场线条数称为电场对该曲面的。

6.静电场的电场线起始于，，终止于，是（填“闭合”或“不闭合”）的曲线，在没有电荷的空间里，电场线既不会，也不会。

7.高斯定理的表达式是。

8.电场中电势相等的点所构成的曲面称为。

点电荷的等势面是以点电荷为球心的一系列。

9.沿等势面移动电荷，电场力做功为，等势面和电场线处处。

10.沿电场线方向，电势（填“升高”或“降低”）。

二、简答1.简述真空中点电荷满足的库仑定律的内容及矢量表达式。

2.简述研究电场性质时，试探电荷需满足的两个条件。

3.简述静电场的电场线的性质。

4.简述真空中静电场的高斯定理。

5.简述为什么等势面的疏密程度可以描述电场大小的分布，二者有什么对应关系？三、计算9.1 两个点电荷的电荷量分别为2q和q，相距L.将第三个点电荷放在何处时，它所受的合力为零?此处由2q和q产生的合场强是多少?9.2 三个电荷量均为q 的点电荷放在等边三角形的各顶点上.在三角形中心放置怎样的点电荷，才能使作用在每一点电荷上的合力为零?9.3 两个点电荷，C q μ0.81=，C q μ60.12-=，相距20cm.求离它们都是20cm 处的电场强度.9.4 如图所示，半径为R 的均匀带电圆环，带电荷为q.(1)求轴线上离环心O 为x 处的场强.(2)画出E-x 曲线.(3)轴线上何处的场强最大?其值是多少?9.5 求均匀带电半圆环的圆心O 处的场强E.已知圆环的半径为R ，带电荷为q.9.6 计算线电荷密度为η的无限长均匀带电线弯成如图所示形状时，半圆圆心O处的场强E.半径为R ，直线Aa 和Bb 平行.9.7 半径为R 的无限长直圆柱体内均匀带电，电荷体密度为ρ，求体内、外场强分布，并画出E-r 分布曲线.9.8 一对无限长的共轴直圆筒，半径分别为R 1和R 2，筒面上都均匀带电，沿轴线单位长度的电荷密度分别为λ1和λ2，求：(1) 各区域内的场强分布；(2) 若λ1= -λ2，情况又如何?9.9 两同心均匀带电球面，带电荷分别为1q 和2q ，半径分别为R 1和R 2， (1) 各区域内场强分布；(2) 若21q q -=，情况又如何?9.10、点电荷q 处在中性导体球壳的中心，壳的内外半径分别为1R 和2R ，求场强和电势的分布第九章静电场的基本规律答案一、填空1.正电荷，负电荷，丝绸，正电荷，胶木棒，负电荷2.电荷量3.电荷的量子化4.几何线度足够小，电荷量充分小5.电通量6.正电荷，负电荷，不闭合，相交，中断7.0ε内q S d E s e =⋅=Φ⎰⎰8.等势面，同心球面9.零，正交10.降低二、简答1.简述真空中点电荷满足的库仑定律的内容及矢量表达式。

大学物理学_(第3版.修订版)_北京邮电大学出版社_下册__第九章_习题9_答案

习题【1】99.1选择题(1)正方形的两对角线处各放置电荷Q，另两对角线各放置电荷q，若Q所受到合力为零，则Q与q的关系为：（）（A）Q=-23/2q (B) Q=23/2q (C) Q=-2q (D) Q=2q[答案：A](2)下面说法正确的是：（）（A）若高斯面上的电场强度处处为零，则该面内必定没有电荷；（B）若高斯面内没有电荷，则该面上的电场强度必定处处为零；（C）若高斯面上的电场强度处处不为零，则该面内必定有电荷；（D）若高斯面内有电荷，则该面上的电场强度必定处处不为零。

[答案：D](3)一半径为R的导体球表面的面点荷密度为σ，则在距球面R处的电场强度（）（A）σ/ε0 （B）σ/2ε0 （C）σ/4ε0 （D）σ/8ε0[答案：C](4)在电场中的导体内部的（）（A）电场和电势均为零；（B）电场不为零，电势均为零；（C）电势和表面电势相等；（D）电势低于表面电势。

[答案：C]9.2填空题(1)在静电场中，电势不变的区域，场强必定为。

[答案：相同](2)一个点电荷q放在立方体中心，则穿过某一表面的电通量为，若将点电荷由中心向外移动至无限远，则总通量将。

[答案：q/6ε0, 将为零](3)电介质在电容器中作用（a）——（b）——。

[答案：(a)提高电容器的容量;(b) 延长电容器的使用寿命](4)电量Q均匀分布在半径为R的球体内，则球内球外的静电能之比。

[答案：5：6]9.3 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9.3图示(1) 以A处点电荷为研究对象，由力平衡知：q 为负电荷2220)33(π4130cos π412a q q a q '=︒εε解得 q q 33-=' (2)与三角形边长无关．题9.3图题9.4图9.4 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9.4图所示．设小球的半径和线的质量都可以忽略不计，求每个小球所带的电量．解: 如题9.4图示⎪⎩⎪⎨⎧===220)sin 2(π41sin cos θεθθl q F T mg T e解得 θπεθtan 4sin 20mg l q = 9.5 根据点电荷场强公式204rq 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．9.6 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 ,S q E 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．9.7 长l =15.0cm 的直导线AB 上均匀地分布着线密度λ=5.0x10-9C ·m -1的正电荷．试求：(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 点的场强．解：如题9.7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20)(d π41d x a xE P -=λε 222)(d π4d x a xE E l l P P -==⎰⎰-ελ题9.7图]2121[π40l a l a +--=ελ)4(π220l a l-=ελ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)同理2220d d π41d +=x xE Q λε 方向如题9.7图所示由于对称性⎰=l QxE 0d ，即Q E只有y 分量，∵ 22222220dd d d π41d ++=x x x E Qyλε22π4d d ελ⎰==lQyQy E E ⎰-+2223222)d (d l l x x2220d4π2+=l lελ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9.8 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9.8图在圆上取ϕRd dl =题9.8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 ==ϕϕελϕπd cos π4)cos(d d 0RE E y -=-=积分RR E x 000π2d sin π4ελϕϕελπ==⎰0d cos π400=-=⎰ϕϕελπRE y∴ RE E x 0π2ελ==，方向沿x 轴正向．9.9 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9.9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 ()4π4cos cos d 22021l r E P +-=εθθλ∵ 22cos 221l r l +=θ12cos cos θθ-=∴ 24π4d 22220l r l l r E P ++=ελP Ed 在垂直于平面上的分量βcos d d P E E =⊥∴ 424π4d 2222220l r rl r l r lE +++=⊥ελ题9.9图由于对称性，P 点场强沿OP 方向，大小为2)4(π44d 422220l r l r lrE E P ++=⨯=⊥ελ∵ lq 4=λ ∴ 2)4(π422220l r l r qrE P ++=ε 方向沿OP9.10 (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?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9.10图所示．题9.10 图9.11 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. 9.12 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∑⎰=⋅q S 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∴ 0=E题9.13图9.13 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，试求空间各处场强．解: 如题9.13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．9.14 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9.14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9.14图(a)．(1) ρ+球在O 点产生电场010=E，ρ-球在O 点产生电场'd π4π3430320OO r E ερ=∴ O 点电场'd 33030OO r E ερ= ；(2) ρ+在O '产生电场'dπ4d 3430301OO E ερπ='ρ-球在O '产生电场002='E∴ O ' 点电场 003ερ='E 'OO题9.14图(a) 题9.14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 =，3ερr E O P '-=' ,∴ 0003'3)(3ερερερdOO r r E E E O P PO P=='-=+=' ∴腔内场强是均匀的．9.15 一电偶极子由q =1.0×10-6C 的两个异号点电荷组成，两电荷距离d=0.2cm ，把这电偶极子放在1.0×105N ·C-1的外电场中，求外电场作用于电偶极子上的最大力矩．解: ∵ 电偶极子p在外场E 中受力矩E p M⨯= ∴ qlE pE M ==max 代入数字4536max 100.2100.1102100.1---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=M m N ⋅9.16 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 -61055.6-⨯-=J外力需作的功 61055.6-⨯-=-='A A J题9.17图9.17 如题9.17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功．解: 如题9.17图示0π41ε=O U 0)(=-RqR q0π41ε=O U )3(R qR q -Rq 0π6ε-= ∴ Rqq U U q A o C O 00π6)(ε=-=9.18 如题9.18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 点处的场强和电势．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9.18图θεθλππcos π4d d 2220⎰⎰-==R R E E yR 0π4ελ=［)2sin(π-2sin π-］R0π2ελ-=(2) AB 电荷在O 点产生电势，以0=∞U⎰⎰===AB200012ln π4π4d π4d R R x x x x U ελελελ 同理CD 产生 2ln π402ελ=U 半圆环产生 0034π4πελελ==R R U∴ 0032142ln π2ελελ+=++=U U U U O9.19 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rE 0π2ελ=电子受力大小 re eE F e 0π2ελ== ∴ rv m r e 20π2=ελ得 1320105.12π2-⨯==emv ελ1m C -⋅9.20 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 ，求此电容器可承受的最高电压．解: 平行板电容器内部近似为均匀电场 4105.1d ⨯==E U V9.21 证明：对于两个无限大的平行平面带电导体板(题9.21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号相同．证: 如题9.21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9.21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 0)(d 32=∆+=⋅⎰S S E sσσ∴ +2σ03=σ 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0222204030201=---εσεσεσεσ 又∵ +2σ03=σ ∴ 1σ4σ=说明相背两面上电荷面密度总是大小相等，符号相同．9.22 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9.22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9.22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9.22图(1)∵ AB AC U U =，即 ∴ AB AB AC AC E E d d = ∴2d d 21===ACABAB AC E E σσ 且 1σ+2σSq A=得 ,32S q A =σ Sq A 321=σ 而 7110232-⨯-=-=-=A C q S q σC C10172-⨯-=-=S q B σ(2) 301103.2d d ⨯===AC AC AC A E U εσV9.23两个半径分别为1R 和2R （1R ＜2R )的同心薄金属球壳，现给内球壳带电+q ，试计算：(1)外球壳上的电荷分布及电势大小；(2)先把外球壳接地，然后断开接地线重新绝缘，此时外球壳的电荷分布及电势； *(3)再使内球壳接地，此时内球壳上的电荷以及外球壳上的电势的改变量．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⎰⎰∞∞==⋅=22020π4π4d d R R R qrr q r E U εε题9.23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：0π4π42020=-=R q R q U εε(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0π4'π4'π4'202010=+-+-=R q q R q R q U A εεε得 q R R q 21=' 外球壳上电势()22021202020π4π4'π4'π4'R qR R R q q R q R q U B εεεε-=+-+-=9.24 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9.24图所示，设金属球感应电荷为q '，则球接地时电势0=O U题9.24图由电势叠加原理有：=O U 03π4π4'00=+RqR q εε得 -='q 3q9.25 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之间的库仑力．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2q q =', 小球3再与小球2接触后，小球2与小球3均带电q q 43=''∴ 此时小球1与小球2间相互作用力0022018348342F r πqr π"q 'q F =-=εε (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 qq F ==ε9.26 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303π4,π4rrQ E r r Q D r εε ==内; 介质外)(2R r <场强303π4,π4rr Q E r Qr D ε ==外 (2)介质外)(2R r >电势rQE U 0rπ4r d ε=⋅=⎰∞ 外介质内)(21R r R <<电势2020π4)11(π4R Q R r qr εεε+-=)11(π420R r Qr r -+=εεε(3)金属球的电势r d r d 221 ⋅+⋅=⎰⎰∞R R R E E U 外内⎰⎰∞+=22220π44πdr R R Rr r Qdrr Q εεε)11(π4210R R Q r r-+=εεε9.27 如题9.27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．rd r d ⋅+⋅=⎰⎰∞∞rrE E U 外内解: 如题9.27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11σ=D ，22σ=D而 101E D ε=,202E D r εε=d21U E E == ∴r r E E εεεεσσ==102012题9.27图题9.28图9.28 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 =∑∴ rlQD π2=(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⎰⎰===211222ln π4π4d d R R VR R l Q rl r Q W W εε (3)电容：∵ CQ W 22=∴ )/ln(π22122R R lW Q C ε==题9.29图9.29 如题9.29 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111U C Q =电容2C 与3C 并联3223C C C += 其上电荷123Q Q = ∴ 355025231123232⨯===C U C C Q U 86)35251(5021=+=+=U U U AB V 9.30 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 的电压，是否会击穿? 解: (1) 1C 与2C 串联后电容1203002003002002121=+⨯=+='C C C C C pF(2)串联后电压比231221==C C U U ，而100021=+U U ∴ 6001=U V ,4002=U V 即电容1C 电压超过耐压值会击穿，然后2C 也击穿．9.31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 时，求：(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9.31图(1)在1R r <和32R r R <<区域0=E在21R r R <<时 301π4r rQ E ε=3R r >时 302π4rrQ E ε=∴在21R r R <<区域⎰=21d π4)π4(21222001R R r r rQ W εε ⎰-==21)11(π8π8d 2102202R R R R Q r r Q εε在3R r >区域⎰∞==32302220021π8d π4)π4(21R R Q r r rQ W εεε ∴ 总能量 )111(π83210221R R R Q W W W +-=+=ε41082.1-⨯=J(2)导体壳接地时，只有21R r R <<时30π4r rQ E ε=,02=W∴ 4210211001.1)11(π8-⨯=-==R R Q W W ε J(3)电容器电容 )11/(π422102R R Q W C -==ε 121049.4-⨯=F。

大学物理第九章习题答案

B
A
O
C O
B
（A）A 点比 B 点电势高。（B）A 点与 B 点电势相等。（C）A 点比 B 点电势低。（D）有稳恒电流从 A 点流向 B 点。 3、一根长为 L 的铜棒，在均匀磁场 B 中以匀角速度旋转着， B 的方向垂直铜棒转动的平面，如图。设 t 0 时，铜棒与 Ob 成角，则在任一时刻 t 这根铜棒两端之间的感应电动势是：[ （A） L B cos(t ) （B）
0 I I b ldx 0 In 2 x 2 a
0 I 2 x
2、如图所示，矩形导体框架置于通有电流 I 的长直导线旁，且两者共面， ad 边与长直导线平行， dc 段可沿框架移平动。设导体框架的总电阻 R 始终保持不变，现 dc 以速度 v 沿，穿过 abcd 回路框架向下作匀速运动，试求（1）当 dc 段运动到图示位置（与 ab 相距 x ）的磁通量；（2）回路中的感应电流 I i ；
B a b
2
大学物理习题集
10、在无限长的载流直导线附近放置一矩形闭合线圈，开始时线圈与导线在同一平面内，且线圈中两条边与导线平行，当线圈以相同的速率作如图所示的三种不同方向的平动时，线圈中的感应电流：[ B ]

是由通有电流 I 的线圈所产生，且 B KI （ K 为常量），则旋转线圈相对于产生磁场的线圈最大互感系数为 6、。
无限长密绕直螺线管通以电流 I 、内部充满均匀、各向同性的磁介质，磁导率为。，磁能密度。
设管内部的磁感应强度大小为 B ，则内部的磁场强度为为。设螺线管体积为 V，则存储在螺线管内部的总磁能为

大学基础物理学课后答案主编习岗高等教育出版社

第一章思考题：<1-4> 解：在上液面下取A 点，设该点压强为A p ，在下液面内取B 点，设该点压强为B p 。

对上液面应用拉普拉斯公式，得 A A R p p γ20=- 对下液面使用拉普拉斯公式，得 BB 02R p p γ=- 又因为 gh p p ρ+=A B将三式联立求解可得 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=B A 112R R g h ργ<1-5> 答：根据对毛细现象的物理分析可知，由于水的表面张力系数与温度有关，毛细水上升的高度会随着温度的变化而变化，温度越低，毛细水上升的高度越高。

在白天，由于日照的原因，土壤表面的温度较高，土壤表面的水分一方面蒸发加快，另一方面土壤颗粒之间的毛细水会因温度升高而下降，这两方面的原因使土壤表层变得干燥。

相反，在夜间，土壤表面的温度较低，而土壤深层的温度变化不大，使得土壤颗粒间的毛细水上升；另一方面，空气中的水汽也会因为温度下降而凝结，从而使得清晨时土壤表层变得较为湿润。

<1-6> 答：连续性原理是根据质量守恒原理推出的，连续性原理要求流体的流动是定常流动，并且不可压缩。

伯努利方程是根据功能原理推出的，它的使用条件是不考虑流体的黏滞性和可压缩性，同时，还要求流动是定常流动。

如果流体具有黏滞性，伯努利方程不能使用，需要加以修正。

<1-8> 答：泊肃叶公式适用于圆形管道中的定常流动，并且流体具有黏滞性。

斯托克斯公式适用于球形物体在黏滞流体中运动速度不太大的情况。

练习题：<1-6> 解：设以水坝底部作为高度起点，水坝任一点至底部的距离为h 。

在h 基础上取微元d h ，与之对应的水坝侧面面积元d S （图中阴影面积）应为坡长d m 与坝长l 的乘积。

练习题1-6用图d h d F由图可知 osin60d sin d d hh m ==θ 水坝侧面的面积元d S 为 d d d sin 60hS l m l该面积元上所受的水压力为 0d d d [(5)]sin 60hFp Sp ρg h l水坝所受的总压力为 ()[]N)(103.760sin d 5d 855o0⨯=-+==⎰⎰h l h g p F F ρ（注：若以水坝的上顶点作为高度起点亦可，则新定义的高度5h h ,高度微元取法不变，即d d h h ，将h 与d h 带入水坝压力积分公式，同样可解出水坝所受压力大小。

大学物理第九章热力学基础试题

大学物理第九章热力学基础试题第9章热力学基础一、选择题1.对于准静态过程和可逆过程,有以下说法．其中正确的是[](A)准静态过程一定是可逆过程(B)可逆过程一定是准静态过程(C)二者都是理想化的过程(D)二者实质上是热力学中的同一个概念2.对于物体的热力学过程,下列说法中正确的是[](A)内能的改变只决定于初、末两个状态,与所经历的过程无关(B)摩尔热容量的大小与所经历的过程无关(C)在物体内,若单位体积内所含热量越多,则其温度越高(D)以上说法都不对3.有关热量,下列说法中正确的是[](A)热是一种物质(B)热能是物质系统的状态参量(C)热量是表征物质系统固有属性的物理量(D)热传递是改变物质系统内能的一种形式4.关于功的下列各说法中,错误的是[](A)功是能量变化的一种量度(B)功是描写系统与外界相互作用的物理量(C)气体从一个状态到另一个状态,经历的过程不同,则对外作的功也不一样(D)系统具有的能量等于系统对外作的功5.理想气体状态方程在不同的过程中有不同的微分表达式,式pdV示[](A)等温过程(B)等压过程(C)等体过程(D)绝热过程MRdT表6.理想气体状态方程在不同的过程中可以有不同的微分表达式,式VdpMRdT表示[](A)等温过程(B)等压过程(C)等体过程(D)绝热过程7.理想气体状态方程在不同的过程中可以有不同的微分表达式,式VdppdV0表示[](A)等温过程(B)等压过程(C)等体过程(D)绝热过程8.理想气体状态方程在不同的过程中可以有不同的微分表达式,则式VdppdVMRdT表示[](A)等温过程(B)等压过程(C)等体过程(D)任意过程9.热力学第一定律表明:[](A)系统对外作的功不可能大于系统从外界吸收的热量(B)系统内能的增量等于系统从外界吸收的热量(C)不可能存在这样的循环过程,在此过程中,外界对系统所作的功不等于系统传给外界的热量(D)热机的效率不可能等于110.对于微小变化的过程,热力学第一定律为dQ=dEdA．在以下过程中,这三者同时为正的过程是[](A)等温膨胀(B)等容膨胀(C)等压膨胀(D)绝热膨胀11.对理想气体的等压压缩过程，下列表述正确的是[](A)dA＞0,dE＞0,dQ＞0(B)dA＜0,dE＜0,dQ＜0(C)dA＜0,dE＞0,dQ＜0(D)dA=0,dE=0,dQ=012.功的计算式AVpdV适用于V)．一次是等温压缩到2[](A)理想气体(B)等压过程(C)准静态过程(D)任何过程13.一定量的理想气体从状态(p,V)出发,到达另一状态(p,VV,外界作功A；另一次为绝热压缩到,外界作功W．比较这两个功值的大小是22[](A)A＞W(B)A=W(C)A＜W(D)条件不够，不能比较14.1mol理想气体从初态(T1、p1、V1)等温压缩到体积V2,外界对气体所作的功为[](A)RT1lnV2V(B)RT1ln1V1V22(C)p1(V2V1)(D)p2V2p1V115.如果W表示气体等温压缩至给定体积所作的功,Q表示在此过程中气体吸收的热量,A表示气体绝热膨胀回到它原有体积所作的功,则整个过程中气体内能的变化为[](A)W＋Q－A(B)Q－W－A(C)A－W－Q(D)Q＋A－W16.理想气体内能增量的表示式ECVT适用于[](A)等体过程(B)等压过程(C)绝热过程(D)任何过程17.刚性双原子分子气体的定压比热与定体比热之比在高温时为[](A)1.0(B)1.2(C)1.3(D)1.418.公式CpCVR在什么条件下成立[](A)气体的质量为1kg(B)气体的压强不太高(C)气体的温度不太低(D)理想气体19.同一种气体的定压摩尔热容大于定体摩尔热容,其原因是[](A)膨胀系数不同(B)温度不同(C)气体膨胀需要作功(D)分子引力不同20.摩尔数相同的两种理想气体,一种是单原子分子气体,另一种是双原子分子气体,从同一状态开始经等体升压到原来压强的两倍．在此过程中,两气体[](A)从外界吸热和内能的增量均相同(B)从外界吸热和内能的增量均不相同(C)从外界吸热相同,内能的增量不相同(D)从外界吸热不同,内能的增量相同21.两气缸装有同样的理想气体,初态相同．经等体过程后,其中一缸气体的压强变为原来的两倍,另一缸气体的温度也变为原来的两倍．在此过程中,两气体从外界吸热[](A)相同(B)不相同,前一种情况吸热多(C)不相同,后一种情况吸热较多(D)吸热多少无法判断22.摩尔数相同的理想气体H2和He,从同一初态开始经等压膨胀到体积增大一倍时[](A)H2对外作的功大于He对外作的功(B)H2对外作的功小于He对外作的功(C)H2的吸热大于He的吸热(D)H2的吸热小于He的吸热23.摩尔数相同的两种理想气体,一种是单原子分子,另一种是双原子分子,从同一状态开始经等压膨胀到原体积的两倍．在此过程中,两气体3[](A)对外作功和从外界吸热均相同(B)对外作功和从外界吸热均不相同(C)对外作功相同,从外界吸热不同(D)对外作功不同,从外界吸热相同24.摩尔数相同但分子自由度不同的两种理想气体从同一初态开始作等温膨胀,若膨胀后体积相同,则两气体在此过程中[](A)对外作功相同,吸热不同(B)对外作功不同,吸热相同(C)对外作功和吸热均相同(D)对外作功和吸热均不相同25.两气缸装有同样的理想气体,初始状态相同．等温膨胀后,其中一气缸的体积膨胀为原来的两倍,另一气缸内气体的压强减小到原来的一半．在其变化过程中,两气体对外作功[](A)相同(B)不相同,前一种情况作功较大(C)不相同,后一种情况作功较大(D)作功大小无法判断26.理想气体由初状态(p1、V1、T1）绝热膨胀到末状态(p2、V2、T2)，对外作的功为[](A)MCV(T2T1)(B)MCp(T2T1)(C)MCV(T2T1)(D)MCp(T2T1)27.在273K和一个1atm下的单原子分子理想气体占有体积22.4升．将此气体绝热压缩至体积为16.8升,需要作多少功[](A)330J(B)680J(C)719J(D)223J28.一定量的理想气体分别经历了等压、等体和绝热过程后其内能均由E1变化到E2．在上述三过程中,气体的[](A)温度变化相同,吸热相同(B)温度变化相同,吸热不同(C)温度变化不同,吸热相同(D)温度变化不同,吸热也不同29.如果使系统从初态变到位于同一绝热线上的另一终态则[](A)系统的总内能不变(B)联结这两态有许多绝热路径(C)联结这两态只可能有一个绝热路径(D)由于没有热量的传递,所以没有作功30.一定量的理想气体,从同一状态出发,经绝热压缩和等温压缩达到相同体积时,绝热压缩比等温压缩的终态压强[](A)较高(B)较低(C)相等(D)无法比较431.一定质量的理想气体从某一状态经过压缩后,体积减小为原来的一半,这个过程可以是绝热、等温或等压过程．如果要使外界所作的机械功为最大,这个过程应是[](A)绝热过程(B)等温过程(C)等压过程(D)绝热过程或等温过程均可32.视为理想气体的0.04kg的氦气(原子量为4),温度由290K升为300K．若在升温过程中对外膨胀作功831J,则此过程是[](A)等体过程(B)等压过程(C)绝热过程(D)等体过程和等压过程均可能33.一定质量的理想气体经历了下列哪一个变化过程后,它的内能是增大的[](A)等温压缩(B)等体降压(C)等压压缩(D)等压膨胀34.一定量的理想气体从初态(V,T)开始,先绝热膨胀到体积为2V,然后经等容过程使温度恢复到T,最后经等温压缩到体积V．在这个循环中,气体必然[](A)内能增加(B)内能减少(C)向外界放热(D)对外界作功pOV2VVT9-1-34图35.提高实际热机的效率,下面几种设想中不可行的是[](A)采用摩尔热容量较大的气体作工作物质(B)提高高温热源的温度(C)使循环尽量接近卡诺循环(D)力求减少热损失、摩擦等不可逆因素36.在下面节约与开拓能源的几个设想中,理论上可行的是[](A)在现有循环热机中进行技术改进,使热机的循环效率达100%(B)利用海面与海面下的海水温差进行热机循环作功(C)从一个热源吸热,不断作等温膨胀,对外作功(D)从一个热源吸热,不断作绝热膨胀,对外作功37.下列说法中唯一正确的是[](A)任何热机的效率均可表示为AQ吸(B)任何可逆热机的效率均可表示为1T低T高(C)一条等温线与一条绝热线可以相交两次(D)两条绝热线与一条等温线可以构成一个循环538.卡诺循环的特点是[](A)卡诺循环由两个等压过程和两个绝热过程组成(B)完成一次卡诺循环必须有高温和低温两个热源(C)卡诺循环的效率只与高温和低温热源的温度有关(D)完成一次卡诺循环系统对外界作的净功一定大于039.在功与热的转变过程中,下面说法中正确的是[](A)可逆卡诺机的效率最高,但恒小于1(B)可逆卡诺机的效率最高,可达到1(C)功可以全部变为热量,而热量不能全部变为功(D)绝热过程对外作功,系统的内能必增加40.两个恒温热源的温度分别为T和t,如果T＞t,则在这两个热源之间进行的卡诺循环热机的效率为[](A)TTtTtTt(B)(C)(D)TttTT41.对于热传递,下列叙述中正确的是[](A)热量不能从低温物体向高温物体传递(B)热量从高温物体向低温物体传递是不可逆的(C)热传递的不可逆性不同于热功转换的不可逆性(D)理想气体等温膨胀时本身内能不变,所以该过程也不会传热42.根据热力学第二定律可知,下列说法中唯一正确的是[](A)功可以全部转换为热,但热不能全部转换为功(B)热量可以从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体(C)不可逆过程就是不能沿相反方向进行的过程(D)一切自发过程都是不可逆过程43.根据热力学第二定律判断,下列哪种说法是正确的[](A)热量能从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体(B)功可以全部变为热,但热不能全部变为功(C)气体能够自由膨胀,但不能自由压缩(D)有规则运动的能量能够变为无规则运动的能量,但无规则运动的能量不能变为有规则运动的能量44.热力学第二定律表明:[](A)不可能从单一热源吸收热量使之全部变为有用功(B)在一个可逆过程中,工作物质净吸热等于对外作的功(C)摩擦生热的过程是不可逆的(D)热量不可能从温度低的物体传到温度高的物体45.“理想气体和单一热源接触作等温膨胀时,吸收的热量全部用来对外作功．”对此6说法,有以下几种评论,哪一种是正确的[](A)不违反热力学第一定律,但违反热力学第二定律(B)不违反热力学第二定律,但违反热力学第一定律(C)不违反热力学第一定律,也不违反热力学第二定律(D)违反热力学第一定律,也违反热力学第二定律46.有人设计了一台卡诺热机(可逆的)．每循环一次可从400K的高温热源吸收1800J的热量,向300K的低温热源放热800J,同时对外作功1000J．这样的设计是[](A)可以的,符合热力学第一定律(B)可以的,符合热力学第二定律(C)不行的,卡诺循环所作的功不能大于向低温热源放出的热量(D)不行的,这个热机的效率超过了理论值47.1mol的单原子分子理想气体从状态A变为状态B,如果变化过程不知道,但A、B两态的压强、温度、体积都知道,则可求出[](A)气体所作的功(B)气体内能的变化(C)气体传给外界的热量(D)气体的质量48.如果卡诺热机的循环曲线所包围的面积从图中的abcda增大为abcda，那么循环abcda与abcda所作的功和热机效率变化情况是：[](A)净功增大，效率提高(B)净功增大，效率降低(C)净功和效率都不变(D)净功增大，效率不变pabdT2cbOT1c49.用两种方法：使高温热源的温度T1升高△T；使低温热源的温度T2降低同样的△T值；分别可使卡诺循环的效率升高1和2，两者相比：[](A)1>2(B)2>1(C)1＝2(D)无法确定哪个大50.下面所列四图分别表示某人设想的理想气体的四个循环过程，请选出其中一个在理论上可能实现的循环过程的图的符号．[]pppp等温等压绝热绝热等绝热绝热容等容绝热绝热等温等温OVOVOVVO(A)(B)(C)(D)7T9-1-48图Vp51.在T9-1-51图中，IcII为理想气体绝热过程，IaII和IbII是任意过程．此两任意过程中气体作功与吸收热量的情况是:IIbc[](A)IaII过程放热，作负功；IbII过程放热，作负功a(B)IaII过程吸热，作负功；IbII过程放热，作负功I(C)IaII过程吸热，作正功；IbII过程吸热，作负功(D)IaII过程放热，作正功；IbII过程吸热，作正功O52.给定理想气体，从标准状态(p0,V0,T0)开始作绝热膨胀，体积增大到3倍．膨胀后温度T、压强p与标准状态时T0、p0之关系为(为比热比)[](A)T() T9-1-51图V11111T0,p()p0(B)T()T0,p()1p03333111111(C)T()T0,p()p0(D)T()T 0,p()p0333353.甲说：“由热力学第一定律可证明任何热机的效率不可能等于1．”乙说：“热力学第二定律可表述为效率等于100％的热机不可能制造成功．”丙说：“由热力学第一定律可T2”丁说：“由热力学第一定律可证明理想气体卡)．T1T诺热机(可逆的)循环的效率等于(12)．”对以上说法，有如下几种评论，哪种是正确的T1证明任何卡诺循环的效率都等于(1[](A)甲、乙、丙、丁全对(B)甲、乙、丙、丁全错(C)甲、乙、丁对，丙错(D)乙、丁对，甲、丙错paabbII的效率为，每次循环在高温热源处吸的热量为Q，则d[](A),QQ(B),QQcdc(C),QQ(D),QQOV54.某理想气体分别进行了如T9-1-54图所示的两个卡诺循环：I(abcda)和II(a'b'c'd'a')，且两个循环曲线所围面积相等．设循环I的效率为，每次循环在高温热源处吸的热量为Q，循环55.两个完全相同的气缸内盛有同种气体，设其初始状态相同．今使它们分别作绝热压缩至相同的体积，其中气缸1内的压缩过程是非准静态过程，而气缸2内的压缩过程则是准静态过程．比较这两种情况的温度变化：[](A)气缸1和气缸2内气体的温度变化相同(B)气缸1内的气体较气缸2内的气体的温度变化大(C)气缸1内的气体较气缸2内的气体的温度变化小(D)气缸1和气缸2内的气体的温度无变化二、填空题1.不等量的氢气和氦气从相同的初态作等压膨胀,体积变为原来的两倍．在这过程中,氢气和氦气对外作的功之比为．8T9-1-54图2.1mol的单原子分子理想气体,在1atm的恒定压力下从273K加热到373K,气体的内能改变了．3.各为1摩尔的氢气和氦气,从同一状态(p,V)开始作等温膨胀．若氢气膨胀后体积变为2V,氦气膨胀后压强变为p,则氢气和氦气从外界吸收的热量之比为．24.两个相同的容器,一个装氢气,一个装氦气(均视为刚性分子理想气体)，开始时它们的压强和温度都相等．现将6J热量传给氦气,使之温度升高．若使氢气也升高同样的温度,则应向氢气传递的热量为．5.1摩尔的单原子分子理想气体,在1个大气压的恒定压力作用下从273K加热到373K,此过程中气体作的功为．6.273K和一个1atm下的单原子分子理想气体占有体积22.4升．此气体等温压缩至体积为16.8升的过程中需作的功为．7.一定量气体作卡诺循环,在一个循环中,从热源吸热1000J,对外作功300J．若冷凝器的温度为7C,则热源的温度为．8.理想气体卡诺循环过程的两条绝热线下的面积大小(图中阴影部分)分别为S1和S2，则二者的大小关系是．9.一卡诺机(可逆的)，低温热源的温度为27C，热机效率为OpS1S2VT9-2-8图40%，其高温热源温度为K．今欲将该热机效率提高到50%，若低温热源保持不变，则高温热源的温度应增加K．10.一个作可逆卡诺循环的热机，其效率为，它的逆过程的致冷系数w则与w的关系为．T2，T1T211.1mol理想气体(设CPCV为已知)的循环过程如T－V图所示，其中CA为绝热过程，A点状态参量(T1,V1)，和B点的状态参量(T1,V2)为已知．则C点的状态参量为：TABVC，T1TC，TC2OV1V2VpC．T9-2-11图912.一定量的理想气体，从A状态(2p1,V1)经历如T9-2-12图所示的直线过程变到B状态(p1,V1)，则AB过程中系统作功___________,内能改变△E＝_________________．13.质量为M、温度为T0的氦气装在绝热的容积为V的封2p1p1OpABV12V1VT9-2-12图闭容器中，容器一速率v作匀速直线运动．当容器突然停止后，定向运动的动能全部转化为分子热运动的动能，平衡后氦气的温度增大量为．14.有摩尔理想气体，作如T9-2-14图所示的循环过程abca，其中acb为半圆弧，b－a为等压过程，pc2pa，在此循环过程中气体净吸热量为QCp(TbTa)（填入：>,15.一定量的理想气体经历acb过程时吸热550J．则经历acbea过程时，吸热为．16.一定量理想气体，从同一状态开始使其体积由V1膨胀到2V1，分别经历以下三种过程：等压过程；等体内能增加最多；__________过程气体吸收的热量最多．ppcpaaOVap105PacbVbVT9-2-14图4aceb433V10mO11dT9-2-15图温过程；绝热过程．其中：__________过程气体对外作功最多；____________过程气17.一定量的理想气体，从状态a出发，分别经历等压、等温、绝热三种过程由体积V1膨胀到体积V2，试在T9-2-17图中示意地画出这三种过程的p－V图曲线．在上述三种过程中：pa(1)气体的内能增加的是__________过程；(2)气体的内能减少的是__________过程．OV1V2VT9-2-17图18.如T9-2-18图所示，已知图中两部分的面积分别为S1和S2．如果气体的膨胀过程为a1b，则气体对外做功W＝________；如果气体进行a1b2a的循环过程，则它对外做功W＝_______________．paOS11S22bVT9-2-18图1019.如T9-2-19图所示，一定量的理想气体经历abc过程，在此过程中气体从外界吸收热量Q，系统内能变化E．则Q和E>0或<0或=0的情况是：Q_________，E__________．20.将热量Q传给一定量的理想气体，pbcOaVT9-2-19图(1)若气体的体积不变，则其热量转化为；(2)若气体的温度不变，则其热量转化为；(3)若气体的压强不变，则其热量转化为．21.一能量为1012eV的宇宙射线粒子，射入一氖管中，氖管内充有0.1mol的氖气，若宇宙射线粒子的能量全部被氖气分子所吸收，则氖气温度升高了_________________K．(1eV＝1.60某1019J，普适气体常量R＝8.31J/(molK)）22.有一卡诺热机，用29kg空气作为工作物质，工作在27℃的高温热源与-73℃的低温热源之间，此热机的效率＝______________．若在等温膨胀的过程中气缸体积增大到2.718倍，则此热机每一循环所作的功为_________________．(空气的摩尔质量为29某10-3kgmol-1，普适气体常量R＝8.31JmolK)23.一气体分子的质量可以根据该气体的定体比热来计算．氩气的定体比热cV=0.314kJ·kg1·K1，则氩原子的质量m=__________．三、计算题1.1mol刚性双原子分子的理想气体，开始时处于p11.0110Pa、V110m的状态，然后经图示直线过程I变到p24.0410Pa、后又经过方程为pV2C （常量）V22103m3的状态．5的过程II变到压强p3p11.0110Pa的状态．求：(1)在过程I中气体吸的热量;(2)整个过程气体吸的热量．1115335p(p2,V2)(p1,V1)Op3p1VT9-3-1图2.1mol的理想气体，完成了由两个等容过程和两个等压过程构成的循环过程（如T9-3-2图），已知状态1的温度为T1，状态3的温度为T3，且状态2和4在同一等温线上．试求气体在这一循环过程中作的功．Op21T9-3-2图34V113.一卡诺热机(可逆的)，当高温热源的温度为127C、低温热源温度为27C时，其每次循环对外作净功8000J．今维持低温热源的温度不变，提高高温热源的温度，使其每次循环对外作净功10000J．若两个卡诺循环都工作在相同的两条绝热线之间，试求：(1)第二个循环热机的效率；(2)第二个循环的高温热源的温度．4.某种单原子分子的理想气体作卡诺循环，已知循环效率20%，试问气体在绝热膨胀时，气体体积增大到原来的几倍5.1mol双原子分子理想气体作如T9-3-5图所示的可逆循环过程，其中1－2为直线，2－3为绝热线，3－1为等温线．已知T22T1,V38V1，试求：(1)各过程的功，内能增量和传递的热量；(用T1和已知常数表示)(2)此循环的效率．(注：循环效率AQ1，A为每一循环过程气体对外所作的功，Q1为每一循环过程气体吸收的热量)pp21p1OV12V2T9-3-5图3V3V6.如T9-3-6图所示，一金属圆筒中盛有1mol刚性双原子分子的理想气体，用可动活塞封住，圆筒浸在冰水混合物中．迅速推动活塞，使气体从标准状态(活塞位置I)压缩到体积为原来一半的状态I(活塞位置II)，然后维持活塞不动，待气体温度下降至0℃，再让活塞缓慢上升到位置I，完成一次循环．II(1)试在p－V图上画出相应的理想循环曲线；(2)若作100次循环放出的总热量全部用来熔解冰，则有多少冰被熔化冰水混合物5－T9-3-6图(已知冰的熔解热3.35某10J·kg1，普适气体常量R=－－8.31J·mol1·K1)p(102Pa)7.比热容比1.40的理想气体，进行如T9-3-7图所示a4的abca循环，状态a的温度为300K．3(1)求状态b、c的温度；21(2)计算各过程中气体所吸收的热量、气体所作的功和c气体内能的增量;O(3)求循环效率．b46V(m3)2T9-3-7图8.一台冰箱工作时，其冷冻室中的温度为-10℃，室温为15℃．若按理想卡诺致冷循环计算，则此致冷机每消耗102J的功，可以从冷冻室中吸出多少热量129.一可逆卡诺热机低温热源的温度为7.0℃，效率为40%；若要将其效率提高50%，则高温热源温度需提高几度10.绝热容器中有一定量的气体，初始压强和体积分别为p0和V0．用一根通有电流的电阻丝对它加热(设电阻不随温度改变)．在加热的电流和时间都相同的条件下，第一次保持体积V0不变，压强变为p1；第二次保持压强p0不变，而体积变为V1．不计电阻丝的热容量，求该气体的比热容比．11.空气中的声速的表达式为u系式p，其中是气体密度，是体弹性模量，满足关V．就下列两种情况计算其声速：V(1)假定声波传播时空气的压缩和膨胀过程是一个等温过程(即等温声速模型，亦称为牛顿模型)；(2)假定声波传播时空气的压缩和膨胀过程是一个绝热过程(即绝热声速模型)；比较这两个结果你得出什么结论（设空气中只有氮气）12.某热机循环从高温热源获得热量QH，并把热量QL排给低温热源．设高、低温热源的温度分别为TH=2000K和TL=300K，试确定在下列条件下热机是可逆、不可逆或不可能存在的．(1)QH=1000J，A=900J；(2)QH=2000J，QL=300J；(3)A=1500J，QL=500J．13.研究动力循环和制冷循环是热力学的重要应用之一．内燃机以气缸内燃烧的气体为工质．对于四冲程火花塞点燃式汽油发动机来说，它的理想循环是定体加热循环，称为奥托循环（Ottocycle）．而对于四冲程压燃式柴油机来说，它的理想循环是定压加热循环，称为狄塞耳循环（Dieelcycle）．如T9-3-13图所示，往复式内燃机的奥托循环经历了以下四个冲程：（1）吸气冲程（0→1）：当活塞由上止点T向下止点B运时，进气阀打开，在大气压力下吸入汽油蒸气和空气的混合气体．（2）压缩冲程：进气阀关闭，活塞向左运行，混合气体被绝热压缩（1→2）；活塞移动T点时，混合气体被电火花点燃迅速燃烧，可以认为是定体加热过程（2→3），吸收热量（3）动力冲程：燃烧气体绝热膨胀，推动活Q1．塞对外作功（3→4）；然后，气体在定体条件下降压（4→1），放出热量Q2．（4）排气冲程：活塞向左运行，残余气体从排气阀排出．假定内燃机中的工质是理想气体并保持定量，试求上述奥托循环1→2→3→4→1的效率．VT9-3-13图1314.绝热壁包围的气缸被一绝热的活塞分成A，B两室，活塞在气缸内可无摩擦自由滑动，每室内部有1摩尔的理想气体，定容热容量cV5R．开始时，气体都处在平衡态2(p0,V0,T0)．现在对A室加热，直到A中压强变为2p0为止．(1)加热结束后，B室中气体的温度和体积(2)求加热之后，A、B室中气体的体积和温度;(3)在这过程中A室中的气体作了多少功(4)加热器传给A室的热量多少15.如T9-3-15图所示，器壁与活塞均绝热的容器中间被一隔板等分为两部分，其中右边贮有1摩尔处于标准状态的氦气(可视为理想气体)，左边为真空．现先把隔板拉开，待气体平衡后，再缓慢向右推动活塞，把气体压缩到原来的体积．求氦气的温度改变量．真空T9-3-15图16.如T9-3-15图所示，一固定绝热隔板将某种理想气体分成A、B两部分，B的外侧是可动活塞．开始时A、B两部分的温度T、体积V、压强p均相同，并与大气压强相平衡．现对A、B两部分气体缓慢地加热，当对A和B给予相等的热量Q以后，A室中气体的温度升高度数与B室中气体的温度升高度数之A比为7:5．(1)求该气体的定体摩尔热容CV和定压摩尔热容Cp；(2)B室中气体吸收的热量有百分之几用于对外作功？T9-3-17图17.有两个全同的物体，其内能为uCT(C为常数)，初始时两物体的温度分别为T1、T2．现以两物体分别为高、低温热源驱动一卡诺热机运行，最后两物体达到一共同温度Tf．求(1)Tf；(2)求卡诺热机所作的功．18.温度为25℃、压强为1atm的1mol刚性双原子分子理想气体，经等温过程体积膨胀至原来的3倍．(普适气体常量R＝8.31JmolK，ln3=1.0986)(1)计算这个过程中气体对外所作的功；(2)假若气体经绝热过程体积膨胀为原来的3倍，那么气体对外作的功又是多少19.图T9-3-19为一循环过程的T-V曲线．该循环的工质为mol的理想气体，其中CV和均已知且为常量．已知a点的温度为T1，体积为V1，b点的体积为V2，ca为绝热过程．求：(1)c点的温度；(2)循环的效率．。

大学物理参考答案(白少民)第9章振动学基础

+ x 所以有振动方程
1 k1 k 2 ( ) x = 0 ，则 ω = m k1 + k 2
9.8 仿照式（9.15）的推导过程,导出在单摆系统中物体的速度与角位移的关系式. 解：对于单摆系统中的物体 m，其振动动能系统的势能（重力势能）而系统的总能量所以 1 2
Ek =
1 1 2 mυ 2 = ml 2θ 2 2
动能与势能相等，即 E k = E p
( n = 0, 1, 2, ) ，由此得在下式 4 2 nπ / 2 ± π / 4 t= = ( 2n + 1)T / 8 表示的时刻动能和势能相等： ω 9.14 质量为 10g 的物体作简谐振动 ,其振幅为 24cm,周期为 1.0s,当 t=0 时,位移为+24cm,求：（1） t =1/ 8 s 时物体的位置以及所受力的大小和方向；（ 2）由起始位置运动到 x=12cm 处所需要的最少时间；（3）在 x=12cm 处物体的速度、动能、势能和总能量。解：A=24cm=0.24m， ω = 2πν = 2π / T = 2π rad / s x = 0.24 cos 2π t 由 t=0 时 x=0.24m 得初相 ϕ = 0 . 所以简谐振动为（1） t =1 / 8 s 时，位移为 x = 0.24 cos 2π ×1 / 8 = 0.24 × 2 / 2 = 0.17 m = −0.01 × ( 2π ) 2 × 0.24 cos 2π / 8 = −6.7 ×10 −2 N . 负号代表方向与位 x 所受力 f = m 移的方向相反。 1 （2）由 0.12 = 0.24 cos 2π t 得最少时间 t = s 6 （3）在 x =12cm处（即t =1 / 6 s) = −2π × 0.24 sin 2πt = −2π × 0.24 sin π / 3 = −1.31m/s 物体的速度 υ = x 1 1 E k = mυ 2 = × 0.01 × ( −1.31) 2 = 8.6 ×10 −3 J 动能 2 2 势能 1 1 π 1 1 E p = kx 2 = mω 2 A 2 cos 2 = × 0.01 × (2π ) 2 × (0.24) 2 × = 2.8 ×10 −3 J 2 2 3 2 4

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118第九章波动光学本章提要1. 几个基本概念● 相干条件：参与叠加的两束光满足振动方向相同、频率相同、相位差恒定的条件称相干条件。

只有满足相干条件的光叠加时才能产生干涉现象。

● 分波前法和分振幅法：利用普通光源获得相干光的方法有分波前法和分振幅法。

分波前法是在同一波前上通过波前的分割获得相干光，分振幅法是通过对同一束光进行振幅（光强）的分割获得相干光的。

● 光程：光走过的几何路程与路程上的介质折射率的乘积称为光程。

2. 分波前法干涉● 杨氏双缝干涉是利用分波前法产生干涉现象的，它是光具有波动性的经典实验，具有十分重要的意义。

● 杨氏双缝干涉实验的基本原理是：波长为λ的自然光源通过一个狭缝后形成狭缝光源，由狭缝光源发出的光通过间距为d 的双缝后形成两束相干光，这两束相干光在屏上相遇就会形成等间距的干涉条纹。

条纹间距为D x dλ∆= 其中，D 为双缝与光屏的距离。

● 洛埃镜实验也是分波前法干涉实验，其重要意义在于显示了光的半波损失现象。

即光在光疏媒质和光密媒质截面反射时，光要多走或少走2λ的光程。

3. 分振幅法干涉分振幅法干涉的典型例子是薄膜干涉，其又可分等厚干涉和等倾干涉两种。

（1）等厚条纹当光线垂直入射在膜表面时，在薄膜表面等厚处形成相同的干涉条纹的现象称等厚干涉。

当膜两侧都是空气时，定位于膜上表面的明纹满足0022λλk ne =+,3,2,1=k 对暗纹满足2)12(220λλ+=+k ne 0,1,2,3,k=其中，n 为膜的折射率，e 为膜的厚度。

等厚干涉的应用有：119●利用劈尖干涉测量微小角度、微小长度、检验工件的平整度等。

● 制备增加透射或反射的增透膜或增反膜。

● 利用牛顿环测量透镜曲率半径或光的波长。

（2）等倾条纹以相同倾角i 入射到厚度均匀的平面膜上的光线，经膜上、下表面反射后产生的相干光束有相等的光程差，这样形成的干涉条纹称为等倾干涉。

等倾干涉条纹是同心圆形条纹。

等倾干涉的一个重要的应用是迈克耳孙干涉仪。

4. 光的衍射现象及其分类● 光偏离直线传播，并且在光屏上形成光强度不均匀分布的现象称光的衍射。

● 光的衍射现象可分为菲涅耳衍射（或近场衍射）和夫琅禾费衍射（或远场衍射。

● 衍射现象可以通过惠更斯－菲涅耳原理来定性解释，其表述为：波前上的各点可以看成是相干的子波波源，其后波场中的某点波的强度由各子波波源发出的子波在该点的相干叠加来决定。

5. 夫琅禾费衍射● 夫琅禾费单缝衍射。

应用半波带法可知，当单色光垂直入射时，衍射暗条纹中心位置满足： λθk a =sin 3,2,1=k明条纹中心满足：2)12(sin λθ+=k a 3,2,1=k其中，a 为缝宽，θ为衍射角。

●夫琅禾费圆孔衍射。

当单色光垂直入射到通光孔半径为a 的圆孔时，设在光屏上所形成的中央亮斑（称艾里斑）的角半径为θ，其满足aλθ61.0sin = 中央亮斑（艾里斑）的半径为f aR λ61.0= 其中，f 为透镜的焦距。

6. 光学仪器的分辨本领● 根据圆孔衍射规律和瑞利判据得最小分辨角为aλθ61.0min = ● 最小分辨角的倒数为分辨率。

●生物显微镜的分辨本领由通过物镜所能分辨的两个物点的最小距离（称最120小分辨距离）来表示。

理论计算得到的最小分辨距离为 un y sin 61.0λ=∆ 其中，n 为物方的折射率，u 为孔径对物点的半张角，u n sin 称物径的数值孔径（缩写N.A.)。

7. 光栅衍射● 由许多等宽的狭缝等距离地排列起来形成的光学元件叫光栅。

光栅每一条透光部分的宽度为a ，不透光部分的宽度为b ，(a +b )=d 称为光栅常数。

光栅常数是光栅的特征量。

● 当用单色光入射到光栅上时，在黑暗的背景上会出现窄细明亮的谱线。

缝数越多，谱线越细越亮。

谱线（主极大）的位置满足sin d k θλ= ,2,1,0=k该式称为光栅方程。

● 谱线强度要受单缝衍射调制，因而会出现缺级现象。

● X 射线通过晶体时会产生衍射。

若各原子层(或晶面)之间的距离为d ，当单色的平行X 射线以掠射角θ入射到晶面上时，表面层原子散射的反射光和内部原子散射的反射光满足下式时λθk d =sin 2 3,2,1=k 在θ方向上就会因各反射光相互干涉增强而出现亮点。

该式称为晶体衍射的布喇格公式。

8. 光的偏振● 根据光矢量的振动情况，光可以分为非偏振光（无偏振）、偏振光（线偏振、椭圆偏振、圆偏振）和部分偏振光。

自然光是非偏振光。

● 可以通过具有二向色性的偏振片产生和检验偏振光。

● 偏振光通过检偏器后，其光强服从如下的马吕斯定律：20cos I I α=其中，I 为通过检偏器后的光强，0I 是通过检偏器前的光强，α是偏振光与检偏器偏振化方向的夹角。

● 自然光通过双折射晶体后会产生偏振的o 光和e 光，利用双折射晶体制成的尼科耳棱镜也可以产生偏振光。

● 当自然光在任意两种各向同性的介质分界面上反射和折射时，反射光和折射光都是部分偏振光，特别是，当光从折射率n 1的介质射向折射率为n 2 的介质时，若入射角B i 满足下述关系2B 1tan n i n = 时，反射光成为振动方向垂直于入射面的完全偏振光。

该关系式称为布儒斯特定121律，式中的角B i 称布儒斯特角或起偏角。

思考题9-1在双缝干涉实验中(1)当缝间距不断增大时，干涉条纹如何变化?为什么?(2)当狭缝光源在垂直于轴线方向上向下或向上移动时，干涉条纹将如何变化?答：（1）根据双缝干涉中相邻条纹的间距公式可知，随着缝间距的增大，干涉条纹的间距会变窄。

（2）当狭缝光源在垂直于轴线方向上移动时，干涉条纹也会随着在垂直轴线方向移动，方向与光源移动方向相反。

9-2 将双缝实验装置放进水中，条纹间距将发生什么变化?答：由于水的折射率大于空气的折射率，所以，光在水中的波长变短。

根据双缝干涉中相邻条纹的间距公式可知将双缝实验装置放进水中，条纹间距会变小。

9-3 在双缝干涉实验中，如果在上方的缝后面贴一片薄的透明云母片，干涉条纹的间距有没有变化?中央条纹的位置有没有变化?答：如果在上方的缝后面贴一个云母片，则从上方缝中出射的光线的光程会发生变化。

设云母片的折射率为n ，厚度为h ，则两束光的光程差为x Dd n h +--=)1(δ 其中，d 为两缝的距离，D 为缝与屏的距离，x 为屏上相邻两点的距离。

当在屏上出现亮条纹时，满足(1)d h n x k Dδλ=--+= (0,1,2,...k =) 从中可以看出，相邻两条纹的距离为D x dλ∆= 即条纹间距没有发生变化。

令k 等于零，由上式可知x > 0，即中央亮条纹向上方移动。

9-4用两块玻璃片叠在一起形成空气劈尖观察干涉条纹时，如果发现条纹不是平行的直线，而是弯曲的线条，试说明两个玻璃片相对的两面有什么特殊之处?答：说明两个玻璃片相对的两面至少有一面不平整。

9-5 在日常经验中，为什么容易发现声波的衍射而难以发现光波的衍射? 答：根据衍射原理，只有当狭缝或者障碍物的大小与波长可比时，才会形成衍射现象。

光波波长短，日常的狭缝或障碍物的尺寸远远大于光波波长，因而难以发现光波的衍射；而声波波长可与日常狭缝或障碍物的尺寸相比，所以更容易发生衍射。

1229-6 在观察夫琅禾费衍射的实验装置中，透镜的作用是什么?答：在实验中使用了两个透镜，一个用来将线光源扩束成平行光束，另一个用来将衍射后的光束会聚到观察屏。

9-7 在单缝夫琅禾费衍射中，如果将单缝逐渐加宽，衍射图样会发生什么变化?答：随着单缝的加宽，衍射条纹间距变小，衍射现象变得不明显。

当缝宽远大于波长时，衍射条纹密集到无法分辨，只显示出单一的明条纹。

9-8 如何用实验判断光束是(1)线偏振光；(2)部分偏振光；(3)自然光? 答：用一个偏振片（检偏器）以光的传播方向为轴转动，若出射光强不发生任何变化，则该光束是自然光；当将偏振片旋转一周后，若出射光强有两次达到最大，有两次完全消光，则该光束是线偏振光；若偏振片旋转一周时出射光强发生了改变，但没有出现消光现象，则该光束是部分偏振光。

9-9 当一束光入射到两种透明介质的分界面上时，发现只有透射光而无反射光，试说明这束光是怎样入射的?其偏振状态如何?答：这束光是以布儒斯特角入射的，其偏振方向与入射面平行。

练习题9-1 在杨氏实验中，用波长为632.8nm 的氦氖激光束垂直照射到间距为1.14mm 的两个小孔上，小孔至屏幕的垂直距离为1.50m 。

试求在下列两种情况下屏幕上干涉条纹的间距： (1)整个装置放在空气中；(2)整个装置放在n=1.33的水中。

解：设两孔间距为d ，小孔至屏幕的距离为D ，装置所处介质的折射率为n ，则两小孔出射的光到屏幕的光程差为21()x n r r nd Dδ=-= 所以相邻干涉条纹的间距为D x d nλ∆=⋅ （1）在空气中时，n ＝1。

于是条纹间距为9431.5632.8108.3210(m)1.1410D x d λ---∆==⨯⨯=⨯⨯ （2）在水中时，n ＝1.33。

条纹间距为 9431.5632.810 6.2610(m)1.1410 1.33D x d n λ---⨯⨯∆=⋅==⨯⨯⨯9-2 在杨氏干涉装置中，已知双缝的间距为0.342mm ，双缝至屏幕的垂直距离为2.00m 。

测得第10级干涉亮纹至中央亮纹之间的距离为3.44cm ，试求光源123的单色光波长。

解：在杨氏干涉装置中，两束相干光的光程差为Dx d =δ 根据出现亮条纹的条件0λδk ±=，对第10级亮条纹，k 取10，于是有010λ=D x d带入数据得0231021044.310342.0λ=⨯⨯⨯-- 由此解出nm 24.5880=λ9-3 将很薄的云母片(n =1.58)覆盖在双缝干涉实验装置的一条缝上，利用波长为550.0 nm 的光源，观察到干涉条纹移动了9个条纹的距离，试求该云母片的厚度。

解：设云母片厚度为h ，覆盖在双缝中的1r 光路上，此时两束相干光的光程差为21()(1)d r nh r h h n x k D δλ'=-+-=--+= 当没有覆盖云母片，两束相干光的光程差为21d r r x k Dδλ'=-== 因为条纹移动了9个，则9k k '-=由①、②两式得(1)9h n λ-= 由此可得云母片的厚度为9699550.0108.5310(m)1 1.581h n λ--⨯⨯===⨯--9-4 将两块平板玻璃叠合在一起，一端互相接触。

在距离接触线为L =12.40cm 处将一金属丝垫在两板之间。

用波长为546.0nm 的单色光垂直入射到玻璃板上，测得条纹间距为l =1.50mm ，试求该金属细丝的直径D 。