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大学物理下期中试卷及答案


解法2:以中轴线 z 为变量,取厚为 dz 的圆环
为微元,微元离开顶点o 的距离为 z. 圆环的
面积为 (注意环侧长不是 dz,而是 dl = dz/
cosθ)
dS = 2πrdl=2πztanθdz/cosθ
= 2πsinθ/cos2θzdz
(3分)
dq = σdS= σ2πsinθ/cos2θzdz (2分)
dF
=
BI 2 dl
=
μ 0 I1 2πx
I 2 dl
=
μ 0 I1I 2 2πx
dl
因为 dl = dx/sinA = 5dx
所以合力:
∫ F =
0.15 0.05
5μ0 I1I2 2πx
dx
=
5μ0I1I2 ln 3 2π
或写成 4.91×10−7 I1I2 (N )
方向垂直线段AB向左下方。
(3分)
επr 2 RC
E0e−t / RC
=
επr 2 RC
E
4 (共4页)
二、计算题:(共48分)(数值计算保留3位有效数字) 1、(14分) 一圆台的锥顶张角为2θ,上底半径为R1, 下底半径为R2,如图所示。它的侧面均匀带电,电 荷面密度为σ,上下底面不带电。求顶点o处的电势。
解:以锥侧长 l 为变量, 取一侧长为 dl 的圆环为 微元,圆环的面积为
金属空腔,带电量为+Q,空腔内与球心o相距r 处有一
点 电 荷 +q , 如 右 图 所 示 , 则 球 心 o 点 的 电 势

,空腔外表面的电

。(以无穷远为电势零点。)
用电势的叠加计算:
(1)
1 4πε 0
⎜⎛ ⎝
q r

q a
+
Q+ b
q
⎟⎞ ⎠
(2分)
(2)
Q+q 4πε பைடு நூலகம்b
(2分)
2.(4分)真空中的两金属板间距为 d,极板的面积为S,上下两板分别带
M
=
B μ0

H
=
μrH

H
=
7.94 ×105
A/m
7.(4分)如右图,导线中的电流强度为I, 与导线垂
直且共面的金属杆 MN 在时刻0时自由下落,则在时刻 t
时金属杆两端的电动势为
,电势较高的一
端是

速度 v = gt, 方向向下
∫ ∫ εi =
(vr × Br) ⋅ dlr =
N M
v
×
μ0I 2πx
浙江大学 2012–2013 学年 1 学期
《 大学物理甲 》期中考试试卷
开课学院: 工科、理科试验班 ,考试形式:闭 ,允许带___计算器___入场
考试时间:__2012___年__11__月__21 _日, 所需时间: 90 分钟
考生姓名:
_学号:
专业:
_____;班内序号:
_
题序
填空
计算1
计算2
(4分) (1分)
7 (共4页)

pm = IS
12.(4分)平行板电容器的圆形极板半径为 r ,在放电时两极板间的电 场强度的大小为 E = E0e−t / RC ,式中E0、R、C都是常数,则两极板间的位移电流
的大小为
(电容器中的介质的介电常数为 ε, 却忽略边缘效
应)。
∫ ID =
S
ddDt dS
=
ε
dE dt
πr 2
大小为:ID =
(0.3ln
3

0.2)
= 2.60 ×10−8 I1 (wb) (4分)
6 (共4页)
(2) 由法拉第电磁感应定律得感应电动势大小
εi
=

dΦ dt
= 2.60 ×10−8
dI1 dt
= 5.20 ×10−8V
(3分)
由楞次定律得感应电流的方向为逆时针方向, 或B到A等写法。
(1分)
(3) dl 长的电流元的安培力
也增加εr
倍。
4. (4分)半径为R的金属球带电量+Q,球外充满相对介电常数为 εr 的各
向同性均匀电介质。球面上的极化电荷的总和为
,在半径 r (r > R)
处的极化强度为

球外的电场
E
=
Q 4πεrε0r 2
,极化强度
P
=
(εr
− 1)ε0 E
=
(εr −1)Q 4πεrr 2
球面上的极化电荷的密度 σ'=
=
Ν2
μ0Ι1Ν1 2R1
πR2 2
由Μ
=
Φ 21 Ι1
有, Μ
=
μ0 Ν1Ν 2 2R1
πR2 2
(用 Φ12 = ΜΙ 2
困难。)
(2)因为小线圈的磁矩的方向与磁场方向平行,所以磁力矩为 0.
(3)涡旋电场中心对称,有
2πR2 Ei
=

dB1 dt
πR22
小线圈上的涡旋电场的大小
Ei
=
μ0kN1 4R1
dS = 2πrdl=2πlsinθdl (3分) dq = σdS= σ2πlsinθdl (2分)
dU
=
σ2πl sin θdl 4πε0l
=
σ sin θdl 2ε0
(4分)
∫ U =
R2 / sin θ R1 / sin θ
σsin θdl 2ε0
=
σ 2ε0
( R2
− R1)
(5分)
(该题的微元有多种取法)
+Q 和 0的电量,则极板之间的电场为
。(忽略边缘效应)
因为上下两板分别带+Q 和 0的电量,电容器相对的两极板带的电量分别
为 Q/2 和 -Q/2,所以极板之间的电场
E
=
Q 2ε 0 S
(4分)
1 (共4页)
3. (4分)真空中的一平行板电容器,充电后与电源保持连接,然后在两
极板间充满相对介电常数为 εr 的各向同性均匀电介质,这时电容器的电场能
dx
=
μ 0 Igt 2π
ln
a
+ a
l
N端电势高
8.(4分) 如右图所示,均匀磁场的方向垂
直纸面向外,大小为1T,带等量正负电荷的导
电液体以10m/s 的速度通过边长为20cm 的正
方形管道,电荷密度等于1020/m3, 每个电荷的
电量为e ,则极板
的电势高,两极板
的电势差为

B qE = qvB U = Ed = vBd = 10 ×1× 0.2 = 2V
量是原来的
倍,电容器极板之间的吸引力是原来的
倍。(电
源电压不变)
电 容 器 的 电 容 C 增 加 εr 倍 , 而 电 压 没 变 , 所 以 电 容 器 的 电 场 能 量
W
=
1 2
CU
2
增加εr
倍。
电容器极板的电量 Q = CU 也为原来的εr 倍,而电场强度没有变化,所以
极板之间的吸引力
F = 1 QE 2
线平行,位置及线框尺寸如图所示。求:
(1) 通过三角形线框的磁通量Φ(用 I1表示出答案 即可);
(2) 此线框中产生的感应电动势的大小和感应电
流的方向。
(3) 假设长直导线 MN 和直角三角形线框ABC通
有稳恒电流,电流强度分别为I1和I2,I2的方向 如图所示,求AB段受到的安培力。
解:(1) 电流 I1 的长直导线周围的磁感应强度B的分布表达式为
−Pr =R
=

(εr − 1)Q 4πεr R2
总和 Q'= 4πR2σ'= − (εr −1)Q εr
5.(4分) 一根无限长导线的中间弯一个半径为R的小圆,如下图所示,
通有电流 I , 则圆心处的磁感应强度的大小为
(缝隙忽略)。
直线的磁场: μ0 I 2πR
向外
圆的磁场: μ0 I 2R
向里
总磁场:
B=
μ0 I1 2πx
(1分)
其中 x 为离开通电直导线的距离。
取面积元 dS = bdx, b为 x 处线框的高

=
BdS
=
μ 0 I1 2πx
bdx
=
μ0 I1 2πx
(0.3

2x)dx
(3分)
总磁通
∫ ∫ Φ =
dΦ =
μ 0.15 0
I1
0.05 2πx
(0.3

2x)dx
=
μ0 I1 2π
μ0I 2R

μ0I 2πR
R
I
6.(4分)如右图所示一细螺环,由每米1000匝的导线在
铁环上密绕而成,当导线的电流为2A时,铁环内的磁感应强度
为1T,则铁的相对磁导率为
。此时,介质表面的磁
化面电流密度等于 (1) B = μH
所以

μr =
B μ0H
=
B μ 0 nI
=398
2 (共4页)
(2)
9. (9 分) 如右图所示,大小两圆形线圈共面,匝数分别
为 Ν1、Ν2 ,半径分别为 R1、R2 ,R1 >> R2 且 R2 很小。这个系统
的互感系数 M =
。当大小线圈分别通有 I1 和
I2 的电流时,小线圈所到的磁力矩的大小为
。当大
线圈中的电流 I1 以速率 k = dI1 / dt 增大时,小线圈上的涡旋电
dBx
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