张三慧《大学物理学：力学、电磁学》(第3版)(B版)(课后习题 磁场和它的源)【圣才出品】
大学物理学清华张三慧电磁学4-5章习题课
本章总结
重点题型解析
电磁波的产生与传播原理
磁场与电流之间的关系
01
03 02
本章总结
如何应用麦克斯韦方程组解决 实际问题
恒定电流与静电场的相互作用 问题
安培环路定律与洛伦兹力公式 的应用
本章总结
01
电磁波的传播特性与产生机制
02
解题技巧总结
03 如何建立物理模型，将复杂问题简化为数学问题
本章总结
1
掌握矢量运算的基本法则，如散度、旋度等
2
理解边界条件的意义，正确应用在解题过程中
3
学会利用已知公式和定理，简化计算过程
下章展望
主要内容概述 电磁波的传播特性与产生机制的深入探讨 电磁波的反射、折射与干涉现象分析
下章展望
01
电磁波的能量传输与辐射强度计算
02
电磁波的应用领域与发展前景
03
预期学习目标
当一个回路中的磁通量发生变化时，会在回路中产生电动势，电动势的大小与磁通量变化率成正比。
楞次定律
闭合回路中的感应电流方向总是使得它产生的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
麦克斯数量是一定的，即电通量等于
零。
安培环路定律
在磁场中，磁场力线总是闭合 的，即穿过任意闭合曲面的磁 场力线的条数是一定的。
电磁感应的应用
交流电产生
利用电磁感应原理，将机械能转换为交流电， 如发电机、交流电机等。
变压器
利用电磁感应实现电压的变换和传输，如电力 变压器、音频变压器等。
电磁感应加热
利用电磁感应产生热量，实现对物体的加热和熔炼，如电磁炉、高频焊接机等。
05
习题解析
习题一解析
总结词
张三慧《大学物理学：力学、电磁学》(第3版)(B版)(名校考研真题 磁 力)【圣才出品】
第13章 磁 力
一、填空题
1．一个圆线圈和一个正方形线圈中通过的电流强度相等，两线圈中心处的磁感应强度也相等。
若将这两个线圈放在同一个均匀磁场中，则圆线圈所受最大磁力矩与正方形线圈所受最大磁力矩的比值为M 圆：M 正方＝______。
[北京邮电大学2010研]
【答案】S :S 方方
圆【解析】由磁场对载流线圈的作用可知线圈所受磁力矩
，当时线圈所受到的磁力矩为最大，即此时m M p B M NISB sin ϕ=⨯⇒=u u r u u r u r 2
πϕ=（面积之比）
M M S :S =方方方方方圆圆2．在均匀磁场中，有一通有电流强度为I 的闭合回路。
已知回种所围而积的法线与磁
场方向夹角为，穿过此回路的磁通量为，则此回种所受磁力矩的大小为______。
[北
αm ϕ京工业大学2004研]
【答案】m tan I ϕα二、计算题
1．如图13-1所示，位于xOy 平面内的载流线圈OABO 通以恒定电流I ，其中AB
为一段四分之一圆弧，该线圈处于匀强磁场中，磁感应强度为。
求：01122B B i j ⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭
r r r r （1）通过线圈的磁通量。
φ（2）线圈受到磁场作用的合力。
F r （3）线圈受到磁场作用的力矩（用矢量式表示）。
[厦门大学2006研]
M r
台
图13-1。
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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。
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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)(章节题库 磁 力)【圣才出品】
第13章 磁 力一、选择题1．取一闭合积分回路L ，使三根载流导线穿过L 所围成的面，如图13-1所示，现改变三根导线之间的相互间隔，但不越出积分回路，则（ ）。
A ．回路L内的不变，L 上各点的B 不变B ．回路L 内的不变，L 上各点的B 改变C ．回路L内的改变，L 上各点的B 不变D．回路L 内的改变，L 上各点的B 改变图13-1【答案】B【解析】首先，不变，根据毕奥-萨伐尔定律，L 上各点B 改变。
r 发生变化，故B 变化。
2．两个同心圆线圈，大圆半径为R ，通有电流；小圆半径为r ，通有电流，方向如图13-2。
若r≤R（大线圈在小线圈处产生的磁场近似为均匀磁场），当它们处在同一平面内时小线圈所受磁力矩的大小为（）。
图13-2A ．B ．C．D ．0【答案】D3．载流i 的方形线框，处在匀强磁场中，如图13-3所示，线框受到的磁力矩是（）。
图13-3A ．向上B ．向下C ．由纸面向外D ．由纸面向内【答案】A二、填空题1．如图13-4所示，圆回路L 和圆电流I 同心共面，则磁感应强度沿L 的环流为______。
图13-4【答案】0【解析】因为L 上B 处处与d l 垂直，则故圆回路环流为0。
2．如图13-5所示，在真空中有一半径为a 的3/4圆弧形的导线，其中通以稳恒电流I，导线置于均匀外磁场B 中，且B 与导线所在平面垂直，则该载流导线所受的磁力大小为______。
图13-5【答案】3．每单位长度的质量为0.009kg/m 的导线，取东西走向放置在赤道的正上方，如图13-6。
在导线所在的地点的地磁是水平朝北，大小为问要使磁力正好支承导线的重量，导线中的电流应为______。
图13-6【答案】2940A 4．在磁场中某点放一很小的试验线圈。
若线圈的面积增大一倍，且其中电流也增大一倍，那么该线圈所受的最大磁力矩将是原来的______倍。
【答案】4【解析】由最大磁力矩公式可知，若线圈，则力矩M ＇＝4M 。
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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。
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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）。
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（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
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第10章 静电场中的电介质10.1 在HCl 分子中，氯核和质子（氢核）的距离为0.128 nm ，假设氢原子的电子完全转移到氯原子上并与其他电子构成一球对称的负电荷分布而其中心就在氯核上。
此模型的电矩多大？实测的HCl 分子的电矩为3.4×10－30C·m ，HCl 分子中的负电分布的“重心”应在何处？（氯核的电量为17e ）解：按假设模型计算，HCl 分子的电矩为此结果比实测数值大。
设如图10-1所示，在HCl分子中负电分布的“重心”在氯核与质子中间离氯核l 距离处。
这时HCL 分子的电矩应为图10-110.2 两个同心的薄金属球壳，内、外球壳半径分别为R1＝0.02 m 和R2＝0.06m 。
球壳间充满两层均匀电介质，它们的相对介电常量分别为εr1＝6和εr2＝3。
两层电介质的分界面半径R ＝0.04 m 。
设内球壳带电量Q ＝﹣6×10－8 C ，求：（1）D 和E 的分布，并画D-r ，E-r 曲线；（2）两球壳之间的电势差；（3）贴近内金属壳的电介质表面上的面束缚电荷密度。
解：（1）由D 的高斯定律可得再由，可得D-r 和E-r曲线如图10-2所示。
图10-2（2）两球壳之间的电势差为（3）10.3 两共轴的导体圆筒的内、外筒半径分别为R1和R2，R2＜2R1。
其间有两层均匀电介质，分界面半径为r0。
内层介质相对介电常量为εr1，外层介质相对介电常量为εr2，εr2＝εr1/2。
两层介质的击穿场强都是Emax 。
当电压升高时，哪层介质先击穿？两筒间能加的最大电势差多大？解：设内筒带电的线电荷密度为λ，则可导出在内外筒的电压为U 时，内层介质中的最大场强（在r ＝R L处）为而外层介质中的最大场强（在r ＝r 0处）为两结果相比由于r 0＜R 2，且R 2＜2R 1，所以总有E 2/E 1＞0，因此当电压升高时，外层介质中先达到E max 而被击穿。
而最大的电势差可由E 2＝Emax 求得为10.4 一平板电容器板间充满相对介电常量为εr 的电介质而带有电量Q 。
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方向为垂直纸面向外
所以，P 点处总的磁场为：
B
B1
B2
190 I 132 r
方向为垂直纸面向
里
受到的磁场力为：
f
v e
uv B
19e0
I
44 r
方向为水平向左。
2．粗细均匀的金属导线构成如图 12-6 线框，中间为正三角形 abc，电流 l 从无限远 处沿垂直于 bc 的方向从 a 端流入，从 b 端沿 cb 方向流向无限远处，三危形边长为 l，求 三角形中心点 O 处的磁感应强度。[厦门大学 2011 研]
0I 4 R
；垂直纸面向里
【解析】（1）由图 12-4 可以看出，O 点处的磁感应强度由四部分电流产生，即导线
1、2 和弧线 ACB、AB。这里用 4 和 3 来代替。
对于
1
和
2，是半无限长载流导线，故可直接用公式:
B
0I 4 d
(sin
2
sin
1 )
。
带入公式可得： B1
0 、 B2
0I 4 R
， B2
二、填空题 1．如图 12-4 所示，用均匀细金属丝构成一半径为 R 的圆环 C，电流 I 由导线 1 流入 圆环 A 点，并由圆环 B 点流入导线 2。设导线 1 和导线 2 与圆环共面，则环心 O 处的磁 感强度大小为______，方向______。[华南理工大学 2011 研]
图 12-4
【答案】
图 12-5
解：关键是求 P 点的磁场 B 的大小，可以用补偿法来做，讲圆柱形空洞填满与圆柱形
周边一样的材料，并同 J 相反的电流，方向如图中所示。 则 P 点的磁场 B 为这两个通电
圆柱形导体的叠加的结果。
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12.2 高压输电线在地面上空 25 m 处，通过电流为
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（1）求在地面上由这电流所产生的磁感应强度多大？
（2）在上述地区，地磁场为
问输电线产生的磁场与地磁场相比如何？
解：（1） （2）
12.3 在汽船上，指南针装在相距载流导线 0.80 m 处，该导线中电流为 20 A。
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图 12-5
12.8 根据长直电流的磁场公式（
），用积分法求：
（1）无限长圆柱均匀面电流 I 内外的磁场分布；
（2）无限大平面均匀电流（面电流密度 j）两侧的磁场分布。
解：（1）如图 12-6（a）所示，圆柱面电流为
在柱面内任取一点 P。在 P
点对顶的两微小角度 截取两面电流
（2）通过图中斜线所示面积的磁通量
图 12-3 解：（1）在两导线所在平面内与两导线等距离处的磁场为
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（2）所求磁通量为
12.6 如图 12-4 所示，求半圆形电流 I 在半圆的轴线上离圆心距离 x 处的 B。
（1）该电流在指南针所在处的磁感应强度多大？（导线作为长直导线处理。）
（2）地磁场的水平分量（向北）为
由于导线中电流的磁场作用，指南
针的指向要偏离正北方向。如果电流的磁场是水平的而且与地磁场垂直，指南针将偏离正
北方向多少度？求在最坏情况下，上述汽船中的指南针偏离正北方向多少度？
解：（1） （2）当 B 与地磁场垂直时，指南针偏离北方的角度为
得圆柱面电流在 P 点的磁场沿 OP 方向的分量为零。所以只是 和 的垂直于 OP 方向 的分量对 P 点的总磁场 B 有贡献。这一分量为
由图 12-6（b）可知
从而
将此关系代入上式，可得
整个圆柱面电流在 P 点的磁场为
方向与电流方向有右手螺旋关系。
（2）如图 12-7 所示，以电流方向为 z 方向。线电流元 jdy 在 P 点产生的磁场的大小
图 12-4 解：解法一 如图 12-4 所示，由毕奥-萨伐尔定律，Idl 在 P 点的磁场为
整个半圆电流在 P 点产生的磁场为
解法二
如图 12-4 所示，电流元 Idl 在 P 点产生的磁场 dB 的大小为
将 dB 分解为 和垂直于 x 轴的分量
与 R 方向相反。再将 分解为 和 ，其中
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电流的回程（筒与棒间充以油类并使之流动以散热）。在每件导体的截面上电流密度均匀。
计算从轴心到圆筒外侧的磁场分布（铝和油本身对磁场分布无影响），并画出相应的关系曲
线。
解：利用安培环路定理，可以得到下列结果：
磁场随 r 变化的曲线如图 12-5 所示。
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为
由于电流分布对 x 轴的对称性，可知无限大平面均匀电流在 P 点的磁
场的 x 方向分量为零。于是 P 点的磁场为
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由图 12-7 知，
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代入上式可得
方向沿 y 方向。
图 12-7
12.9 图 12-8 中圆电流 I 在其轴线上磁场由式 试计算此磁场沿轴线从 到 的线积分以验证安培环路定理（ 为什么可忽略此电流“回路”的“回程”部分？
在最坏情况下，即指南针偏离正北方向的最大角度为
12.4 两根导线沿半径方向被引到铁环上 A，C 两点，电流方向如图 12-2 所示。求 环中心 O 处的磁感应强度是多少？
图 12-2
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解：两根长直电流在圆心处的磁场均为零。
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第 12 章 磁场和它的源
12.1 求图 12-1 各图中 P 点的磁感应强度 B 的大小和方向。
图 12-1
解：（a）水平段电流在 P 点不产生磁场。竖直段电流是一“半无限长”直电流，它 在 P 点的磁场为
方向垂直纸面向外。
（b）两直电流在 P 点的磁场相当于两个“半无限长”直电流磁场的叠加，等于一个
无限长直电流在相距 r 处的磁场，为
半圆电流在 P 点的磁场为圆电流在圆心处的
磁场的一半，即
在 P 点的总磁场为上述同向磁场的叠加，其大小为
方向垂直纸面向里。 （c）P 点到每一边的距离为
为
P 点的磁场是三边电流产生的同向磁场的叠加，
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台
由半圆电流对 z 轴的对称性，可得
而
由此可得半圆电流在 P 点产生的磁场为
12.7 连到一个大电磁铁，通有
的电流的长引线构造如下：中间是一
直径为 5.0 cm 的铝棒，周围同轴地套以内直径为 7.0 cm，外直径为 9.0 cm 的铝筒作为
即沿无限远
二者在 P 点的磁场分别为
由此得
，二者的方向如图示，正好相反，所以
P 点的磁场为
即在无限长圆柱均匀面电流在柱面内各处磁场为零。
整个圆柱面电流在
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图 12-6
如图 12-6（b）所示，在柱面外任取一点 P，它到轴的距离为 r。作 如图，仍可得 但此处 和 方向相同。由电流分布对 OP 直线的对称性可
在圆心处的磁场为
方向垂直纸面向外。 在圆心处的磁场为
方向垂直纸面向里。 由于 和 的电阻与其长度成正比，于是
所以
因此 与 大小相等，方向相反，因而圆心处的合磁场为零。
12.5 两平行直导线相距 d＝40 cm，每根导线载有电流
如图 12-3 所
示。求：
（1）两导线所在平面内与该两导线等距离的一点处的磁感应强度；
表示。 ）。
图 12-8 解：磁场 B 沿轴线的线积分为
和安培环路定理给出的结果相同。所以不计“回程”的影响，是因为“回程”在无限远处。
根据毕奥-萨伐尔定律，
对无限远处回程路线积分时，虽然路线总长为无
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限大，但分母 为二阶无穷大，所以