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93 分钟
大学物理B1

大学物理B1#


目录#

  1. 01质点运动学(一)
  2. 02质点运动学(二)
  3. 03常见力和牛顿三定律
  4. 04动量,冲量,动量守恒
  5. 05质点运动的功和能
  6. 01电场强度
  7. 02电通量,高斯定理
  8. 03电势,电势能
  9. 04导体
  10. 05电容器
  11. 06电介质,电场能
  12. 07磁感应强度
  13. 08磁通量,高斯定理
  14. 09安培力,磁力矩,洛伦兹力
  15. 10磁介质,磁场能
  16. 11电磁感应
  17. 12自感和互感(选学)

01质点运动学(一)#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 位移/速度/加速度基础知识0~3选择
2. r⃗→v⃗→a⃗\vec{r} \to \vec{v} \to \vec{a} 型必考5~10大题
3. a⃗→v⃗→r⃗\vec{a} \to \vec{v} \to \vec{r} 型必考5~10大题
4. 相对运动★★0~3填空

1. 位移/速度/加速度#

基本概念和公式#

① 位矢(位置矢量): r⃗=xi⃗+yj⃗\vec{r} = x\vec{i} + y\vec{j}

② 位移: Δr⃗=r⃗B−r⃗A\Delta\vec{r} = \vec{r}_B - \vec{r}_A

③ 路程:AB⌢\overset{\frown}{AB}(弧长)

④ 速度:

  • 平均速度:vˉ⃗=Δr⃗Δt=r⃗B−r⃗At2−t1\vec{\bar{v}} = \frac{\Delta\vec{r}}{\Delta t} = \frac{\vec{r}_B - \vec{r}_A}{t_2 - t_1}
  • 瞬时速度:v⃗=dr⃗dt=dxdti⃗+dydtj⃗\vec{v} = \frac{d\vec{r}}{dt} = \frac{dx}{dt}\vec{i} + \frac{dy}{dt}\vec{j}
  • 大小:∣v⃗∣=∣dr⃗dt∣=(dxdt)2+(dydt)2=dsdt|\vec{v}| = \left|\frac{d\vec{r}}{dt}\right| = \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2} = \frac{ds}{dt}

⑤ 加速度: a⃗=dv⃗dt=dvxdti⃗+dvydtj⃗=dvdtτ⃗+v2Rn⃗\vec{a} = \frac{d\vec{v}}{dt} = \frac{dv_x}{dt}\vec{i} + \frac{dv_y}{dt}\vec{j} = \frac{dv}{dt}\vec{\tau} + \frac{v^2}{R}\vec{n}

  • 切向加速度:at=dvdta_t = \frac{dv}{dt}
  • 法向加速度:an=v2Ra_n = \frac{v^2}{R}
  • 大小:∣a⃗∣=(dvxdt)2+(dvydt)2=(dvdt)2+(v2R)2|\vec{a}| = \sqrt{\left(\frac{dv_x}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dv_y}{dt}\right)^2} = \sqrt{\left(\frac{dv}{dt}\right)^2 + \left(\frac{v^2}{R}\right)^2}

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例题#

题1:一质点在xoy平面内运动,其运动学方程为x=3cos⁡4tx = 3\cos4t,y=3sin⁡4ty = 3\sin4t,则tt时刻质点的位矢r⃗(t)=\vec{r}(t) = ______

解:r⃗=xi⃗+yj⃗=3cos⁡4t i⃗+3sin⁡4t j⃗\vec{r} = x\vec{i} + y\vec{j} = 3\cos4t\ \vec{i} + 3\sin4t\ \vec{j}


题2:已知平面内运动方程为x=at2x = at^2,y=bt2y = bt^2(其中a,ba, b为常量),则该质点运动轨迹为( )

A. 双曲线 B. 抛物线 C. 圆周 D. 直线

解: {x=at2y=bt2⇒xy=ab⇒y=bax\begin{cases} x = at^2 \\ y = bt^2 \end{cases} \Rightarrow \frac{x}{y} = \frac{a}{b} \Rightarrow y = \frac{b}{a}x 轨迹为直线,选D


题3:一运动质点在某瞬间矢径r⃗(x,y)\vec{r}(x, y)的端点处,其速度大小为( )

A. drdt\frac{dr}{dt} B. dr⃗dt\frac{d\vec{r}}{dt} C. d∣r⃗∣dt\frac{d|\vec{r}|}{dt} D. (dxdt)2+(dydt)2\sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2}

解:速度大小为∣v⃗∣=(dxdt)2+(dydt)2|\vec{v}| = \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2},选D

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题4:质点作半径为RR的变速圆周运动时的加速度大小为( )(vv表示任一时刻质点的速率)

A. dvdt\frac{dv}{dt} B. v2R\frac{v^2}{R} C. dvdt+v2R\frac{dv}{dt} + \frac{v^2}{R} D. (dvdt)2+(v2R)2\sqrt{\left(\frac{dv}{dt}\right)^2 + \left(\frac{v^2}{R}\right)^2}

解:加速度大小为∣a⃗∣=(dvdt)2+(v2R)2|\vec{a}| = \sqrt{\left(\frac{dv}{dt}\right)^2 + \left(\frac{v^2}{R}\right)^2},选D

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2. r⃗→v⃗→a⃗\vec{r} \to \vec{v} \to \vec{a} 型#

已知位矢求速度和加速度,解题方法:求导

例题#

题1:质点的运动方程为r⃗=(2+2t2)i⃗+(13t3+2t)j⃗\vec{r} = (2 + 2t^2)\vec{i} + \left(\frac{1}{3}t^3 + 2t\right)\vec{j},求t=2t = 2时的速度和加速度。

解: v⃗=dr⃗dt=4ti⃗+(t2+2)j⃗\vec{v} = \frac{d\vec{r}}{dt} = 4t\vec{i} + (t^2 + 2)\vec{j} v⃗∣t=2=8i⃗+6j⃗\vec{v}\big|_{t=2} = 8\vec{i} + 6\vec{j}

a⃗=dv⃗dt=4i⃗+2tj⃗\vec{a} = \frac{d\vec{v}}{dt} = 4\vec{i} + 2t\vec{j} a⃗∣t=2=4i⃗+4j⃗\vec{a}\big|_{t=2} = 4\vec{i} + 4\vec{j}


题2:已知某质点的运动方程为x=2tx = 2t,y=2−t2y = 2 - t^2,式中xx以mm计,tt以ss计,求:

  1. 位置矢量表达式,速度和加速度表达式;
  2. 前2s内质点的平均速度和平均加速度;
  3. 第2s内质点的平均速度;
  4. 计算1s末和2s末质点的加速度。

解:

(1) r⃗=2ti⃗+(2−t2)j⃗\vec{r} = 2t\vec{i} + (2 - t^2)\vec{j} v⃗=dr⃗dt=2i⃗−2tj⃗\vec{v} = \frac{d\vec{r}}{dt} = 2\vec{i} - 2t\vec{j} a⃗=dv⃗dt=−2j⃗\vec{a} = \frac{d\vec{v}}{dt} = -2\vec{j}

(2) 前2s内(t=0t=0到t=2t=2): r⃗0=2j⃗,v⃗0=2i⃗\vec{r}_0 = 2\vec{j}, \quad \vec{v}_0 = 2\vec{i} r⃗2=4i⃗−2j⃗,v⃗2=2i⃗−4j⃗\vec{r}_2 = 4\vec{i} - 2\vec{j}, \quad \vec{v}_2 = 2\vec{i} - 4\vec{j} Δr⃗=r⃗2−r⃗0=4i⃗−4j⃗\Delta\vec{r} = \vec{r}_2 - \vec{r}_0 = 4\vec{i} - 4\vec{j} vˉ⃗=Δr⃗Δt=4i⃗−4j⃗2−0=2i⃗−2j⃗\vec{\bar{v}} = \frac{\Delta\vec{r}}{\Delta t} = \frac{4\vec{i} - 4\vec{j}}{2 - 0} = 2\vec{i} - 2\vec{j} Δv⃗=v⃗2−v⃗0=−4j⃗\Delta\vec{v} = \vec{v}_2 - \vec{v}_0 = -4\vec{j} aˉ⃗=Δv⃗Δt=−4j⃗2−0=−2j⃗\vec{\bar{a}} = \frac{\Delta\vec{v}}{\Delta t} = \frac{-4\vec{j}}{2 - 0} = -2\vec{j}

(3) 第2s内(t=1t=1到t=2t=2): r⃗1=2i⃗+j⃗,r⃗2=4i⃗−2j⃗\vec{r}_1 = 2\vec{i} + \vec{j}, \quad \vec{r}_2 = 4\vec{i} - 2\vec{j} Δr⃗=r⃗2−r⃗1=2i⃗−3j⃗\Delta\vec{r} = \vec{r}_2 - \vec{r}_1 = 2\vec{i} - 3\vec{j} vˉ⃗=Δr⃗Δt=2i⃗−3j⃗\vec{\bar{v}} = \frac{\Delta\vec{r}}{\Delta t} = 2\vec{i} - 3\vec{j}

(4) 1s末和2s末质点的加速度: a⃗=−2j⃗\vec{a} = -2\vec{j}


3. a⃗→v⃗→r⃗\vec{a} \to \vec{v} \to \vec{r} 型#

已知加速度求速度和位矢,解题方法:积分

解题方法#

a=dvdt⇒dv=adt⇒∫v0vdv=∫0tadta = \frac{dv}{dt} \Rightarrow dv = adt \Rightarrow \int_{v_0}^{v} dv = \int_{0}^{t} adt

v=dxdt⇒dx=vdt⇒∫x0xdx=∫0tvdtv = \frac{dx}{dt} \Rightarrow dx = vdt \Rightarrow \int_{x_0}^{x} dx = \int_{0}^{t} vdt

匀变速直线运动公式#

v=v0+atv = v_0 + at x=x0+v0t+12at2x = x_0 + v_0t + \frac{1}{2}at^2 v22−v12=2a(x2−x1)v_2^2 - v_1^2 = 2a(x_2 - x_1)

例题#

题1:设质点沿xx轴作匀变速直线运动,加速度为aa不随时间变化,初速度为v0v_0,初位置为x0x_0,试根据速度、加速度的定义求出该质点的速度公式和运动学方程。

解: a=dvdt⇒dv=adt⇒∫v0vdv=∫0tadta = \frac{dv}{dt} \Rightarrow dv = adt \Rightarrow \int_{v_0}^{v} dv = \int_{0}^{t} adt v−v0=at⇒v=v0+atv - v_0 = at \Rightarrow v = v_0 + at

v=dxdt⇒dx=vdt=(v0+at)dt⇒∫x0xdx=∫0t(v0+at)dtv = \frac{dx}{dt} \Rightarrow dx = vdt = (v_0 + at)dt \Rightarrow \int_{x_0}^{x} dx = \int_{0}^{t} (v_0 + at)dt x−x0=v0t+12at2⇒x=x0+v0t+12at2x - x_0 = v_0t + \frac{1}{2}at^2 \Rightarrow x = x_0 + v_0t + \frac{1}{2}at^2


题2:一质点做直线运动,加速度a=2m/s2a = 2m/s^2,开始时v1=2m/sv_1 = 2m/s,一段时间后v2=6m/sv_2 = 6m/s,问质点在这段时间内的位移大小。

解:由v22−v12=2a(x2−x1)v_2^2 - v_1^2 = 2a(x_2 - x_1) 62−22=2×2×(x2−x1)6^2 - 2^2 = 2 \times 2 \times (x_2 - x_1) 36−4=4(x2−x1)36 - 4 = 4(x_2 - x_1) x2−x1=8 mx_2 - x_1 = 8\ m


题3:质点沿直线运动,加速度a=4−t2a = 4 - t^2,式中aa的单位为m/s2m/s^2,tt的单位为ss,如果当t=3st = 3s时,x=9mx = 9m,v=2m/sv = 2m/s,求质点的运动方程。

解: a=4−t2=dvdt⇒dv=(4−t2)dt⇒∫v0vdv=∫0t(4−t2)dta = 4 - t^2 = \frac{dv}{dt} \Rightarrow dv = (4 - t^2)dt \Rightarrow \int_{v_0}^{v} dv = \int_{0}^{t} (4 - t^2)dt v=v0+4t−13t3①v = v_0 + 4t - \frac{1}{3}t^3 \quad \text{①}

v=dxdt⇒dx=vdt=(v0+4t−13t3)dt⇒∫x0xdx=∫0t(v0+4t−13t3)dtv = \frac{dx}{dt} \Rightarrow dx = vdt = \left(v_0 + 4t - \frac{1}{3}t^3\right)dt \Rightarrow \int_{x_0}^{x} dx = \int_{0}^{t} \left(v_0 + 4t - \frac{1}{3}t^3\right)dt x=x0+v0t+2t2−112t4②x = x_0 + v_0t + 2t^2 - \frac{1}{12}t^4 \quad \text{②}

将t=3st = 3s,x=9mx = 9m,v=2m/sv = 2m/s代入①②得: v0=−1m/s,x0=0.75mv_0 = -1m/s, \quad x_0 = 0.75m

所以质点的运动方程为: x=0.75−t+2t2−112t4(m)x = 0.75 - t + 2t^2 - \frac{1}{12}t^4 \quad (m)


题4:一质点沿一直线运动,其加速度为a=−2xa = -2x,式中xx的单位为mm,aa的单位为m/s2m/s^2。试求该质点的速度vv与位置坐标xx之间的关系。设当x0=1x_0 = 1时,v0=4m/sv_0 = 4m/s。

解: a=−2x=dvdt=dvdx⋅dxdt=dvdx⋅va = -2x = \frac{dv}{dt} = \frac{dv}{dx} \cdot \frac{dx}{dt} = \frac{dv}{dx} \cdot v dvdx⋅v=−2x\frac{dv}{dx} \cdot v = -2x

分离变量得: vdv=−2xdx⇒∫v0vvdv=∫x0x−2xdxvdv = -2xdx \Rightarrow \int_{v_0}^{v} vdv = \int_{x_0}^{x} -2xdx

12v2−12v02=−x2+x02\frac{1}{2}v^2 - \frac{1}{2}v_0^2 = -x^2 + x_0^2

代入x0=1x_0 = 1,v0=4v_0 = 4: 12v2−8=−x2+1\frac{1}{2}v^2 - 8 = -x^2 + 1 v2=−2x2+18v^2 = -2x^2 + 18


4. 相对运动#

相对关系#

v⃗绝对=v⃗牵连+v⃗相对\vec{v}_{绝对} = \vec{v}_{牵连} + \vec{v}_{相对} a⃗绝对=a⃗牵连+a⃗相对\vec{a}_{绝对} = \vec{a}_{牵连} + \vec{a}_{相对}

例题#

题1:甲船以v1=10m/sv_1 = 10m/s的速度向南航行,乙船以v2=10m/sv_2 = 10m/s的速度向东航行,则甲船上的人观察乙船的速度大小为 ______

解:

  • v1v_1:牵连速度(甲船相对于地面)
  • v2v_2:绝对速度(乙船相对于地面)

v⃗2=v⃗1+v⃗相对\vec{v}_2 = \vec{v}_1 + \vec{v}_{相对} v⃗相对=v⃗2−v⃗1\vec{v}_{相对} = \vec{v}_2 - \vec{v}_1

由勾股定理: v相对=v12+v22=102+102=102 m/sv_{相对} = \sqrt{v_1^2 + v_2^2} = \sqrt{10^2 + 10^2} = 10\sqrt{2}\ m/s

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02质点运动学(二)#

考点概览#

考点重要程度占分题型
1. 角位移/角速度/角加速度基础知识不单独出题无
2. θ→ω→β\theta \to \omega \to \beta 型★★3~10选填为主,偶尔大题
3. β→ω→θ\beta \to \omega \to \theta 型★★★3~10选填为主,偶尔大题
4. 角量与线量关系必考3~10选填为主,偶尔大题

1. 角位移/角速度/角加速度#

基本概念和公式#

  • 角位移:θ\theta,单位:rad\text{rad}(弧度)
  • 角速度:ω=dθdt\omega = \frac{d\theta}{dt},单位:rad/s\text{rad/s}
  • 角加速度:β=dωdt=d2θdt2\beta = \frac{d\omega}{dt} = \frac{d^2\theta}{dt^2},单位:rad/s2\text{rad/s}^2
  • 周期:T=2πωT = \frac{2\pi}{\omega},单位:s\text{s}(秒)

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2. θ→ω→β\theta \to \omega \to \beta 型#

已知角位置求角速度和角加速度,解题方法:求导

例题#

题1:某质点上的角位置和时间关系为θ=4t−3t2+t3\theta = 4t - 3t^2 + t^3(SI),则在2秒末的角速度大小ω=\omega = ______,角加速度大小β=\beta = ______,在2秒末到4秒末这段时间内,平均角速度大小ωˉ=\bar{\omega} = ______。

解: ω=dθdt=4−6t+3t2\omega = \frac{d\theta}{dt} = 4 - 6t + 3t^2 ω∣t=2=4−6×2+3×22=4 rad/s\omega\big|_{t=2} = 4 - 6 \times 2 + 3 \times 2^2 = 4\ \text{rad/s}

β=dωdt=−6+6t\beta = \frac{d\omega}{dt} = -6 + 6t β∣t=2=−6+6×2=6 rad/s2\beta\big|_{t=2} = -6 + 6 \times 2 = 6\ \text{rad/s}^2

t=2 s 时 θ2=4t = 2\ \text{s}\ \text{时}\ \theta_2 = 4 t=4 s 时 θ4=32t = 4\ \text{s}\ \text{时}\ \theta_4 = 32 Δθ=32−4=28\Delta\theta = 32 - 4 = 28

ωˉ=ΔθΔt=284−2=14 rad/s\bar{\omega} = \frac{\Delta\theta}{\Delta t} = \frac{28}{4 - 2} = 14\ \text{rad/s}


3. β→ω→θ\beta \to \omega \to \theta 型#

已知角加速度求角速度和角位置,解题方法:积分

解题方法#

β=dωdt⇒dω=βdt⇒∫ω0ωdω=∫0tβdt\beta = \frac{d\omega}{dt} \Rightarrow d\omega = \beta dt \Rightarrow \int_{\omega_0}^{\omega} d\omega = \int_{0}^{t} \beta dt

ω=dθdt⇒dθ=ωdt⇒∫θ0θdθ=∫0tωdt\omega = \frac{d\theta}{dt} \Rightarrow d\theta = \omega dt \Rightarrow \int_{\theta_0}^{\theta} d\theta = \int_{0}^{t} \omega dt

匀变速圆周运动公式#

ω=ω0+βt\omega = \omega_0 + \beta t θ=θ0+ω0t+12βt2\theta = \theta_0 + \omega_0t + \frac{1}{2}\beta t^2 ω22−ω12=2β(θ2−θ1)\omega_2^2 - \omega_1^2 = 2\beta(\theta_2 - \theta_1)

例题#

题1:已知匀变速圆周运动,角加速度为β\beta,t=0t = 0时,角速度为ω0\omega_0,角位移为θ0\theta_0,试用定义公式,求角速度和角位移表达式。

解: β=dωdt⇒dω=βdt⇒∫ω0ωdω=∫0tβdt\beta = \frac{d\omega}{dt} \Rightarrow d\omega = \beta dt \Rightarrow \int_{\omega_0}^{\omega} d\omega = \int_{0}^{t} \beta dt ω−ω0=βt⇒ω=ω0+βt\omega - \omega_0 = \beta t \Rightarrow \omega = \omega_0 + \beta t

ω=dθdt⇒dθ=ωdt=(ω0+βt)dt⇒∫θ0θdθ=∫0t(ω0+βt)dt\omega = \frac{d\theta}{dt} \Rightarrow d\theta = \omega dt = (\omega_0 + \beta t)dt \Rightarrow \int_{\theta_0}^{\theta} d\theta = \int_{0}^{t} (\omega_0 + \beta t)dt θ−θ0=ω0t+12βt2⇒θ=θ0+ω0t+12βt2\theta - \theta_0 = \omega_0t + \frac{1}{2}\beta t^2 \Rightarrow \theta = \theta_0 + \omega_0t + \frac{1}{2}\beta t^2


题2:搅拌机叶片以恒定角加速度1.50 rad/s21.50\ \text{rad/s}^2转动,求: (1) 从静止启动后经过多少时间角速度将达到36.0 rad/s36.0\ \text{rad/s}? (2) 在此时间内共转过多少转?

解: (1) 由ω=ω0+βt\omega = \omega_0 + \beta t得: 36=0+1.5t⇒t=24 s36 = 0 + 1.5t \Rightarrow t = 24\ \text{s}

(2) 由θ=θ0+ω0t+12βt2\theta = \theta_0 + \omega_0t + \frac{1}{2}\beta t^2: θ=0+0+12×1.5×242=432 rad\theta = 0 + 0 + \frac{1}{2} \times 1.5 \times 24^2 = 432\ \text{rad}

n=θ2π=4322×3.14=68.8 (转)n = \frac{\theta}{2\pi} = \frac{432}{2 \times 3.14} = 68.8\ \text{(转)}


题3:绕定轴转动的飞轮,均匀减速,t=0t = 0时ω0=5 rad/s\omega_0 = 5\ \text{rad/s},t=20t = 20时ω=0.8ω0\omega = 0.8\omega_0,则飞轮的角加速度β=\beta = ______ rad/s2\text{rad/s}^2,转过的角度θ=\theta = ______ rad\text{rad}。

解: t=0 时 ω0=5,t=20 时 ω=0.8ω0=4t = 0\ \text{时}\ \omega_0 = 5,\quad t = 20\ \text{时}\ \omega = 0.8\omega_0 = 4

由ω=ω0+βt\omega = \omega_0 + \beta t: 4=5+β×20⇒β=−0.05 rad/s24 = 5 + \beta \times 20 \Rightarrow \beta = -0.05\ \text{rad/s}^2

由ω2−ω02=2⋅β⋅Δθ\omega^2 - \omega_0^2 = 2 \cdot \beta \cdot \Delta\theta: Δθ=ω2−ω022β=42−52−2×0.05=90 rad\Delta\theta = \frac{\omega^2 - \omega_0^2}{2\beta} = \frac{4^2 - 5^2}{-2 \times 0.05} = 90\ \text{rad}


4. 角量与线量关系(必考)#

基本关系#

物理量角量表达式线量表达式关系
速度ω\omegavvv=ωRv = \omega R
切向加速度β\betaata_tat=βRa_t = \beta R
法向加速度ω\omegaana_nan=ω2R=v2Ra_n = \omega^2 R = \frac{v^2}{R}

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例题#

题1:质点在作半径为RR的圆周运动:

  • 质点的线速度vv与角速度ω\omega的关系为v=ωRv = \omega R;
  • 质点的切向加速度ata_t与角加速度β\beta的关系为at=βRa_t = \beta R;
  • 质点的法向加速度ana_n与角速度ω\omega的关系为an=ω2Ra_n = \omega^2 R。

题2:质点沿半径为RR的圆周运动,运动学方程为θ=3+2t2\theta = 3 + 2t^2(SI),则tt时刻质点的法向加速度大小为an=a_n = ______,切向加速度at=a_t = ______。

解: ω=dθdt=4t,β=dωdt=4\omega = \frac{d\theta}{dt} = 4t,\quad \beta = \frac{d\omega}{dt} = 4

an=ω2R=(4t)2R=16Rt2a_n = \omega^2 R = (4t)^2 R = 16Rt^2

at=βR=4Ra_t = \beta R = 4R


题3:一质点在半径为0.1 m0.1\ \text{m}的圆周上运动,其角位置变化关系为θ=2+4t3\theta = 2 + 4t^3(rad)。问: (1) 在t=2 st = 2\ \text{s}时,质点的法向加速度和切向加速度大小各为多少? (2) 当切向加速度大小恰好等于总加速度大小的一半时,θ\theta值为多少? (3) 在什么时刻,切向加速度和法向加速度恰好大小相等?

解: ω=dθdt=12t2,β=dωdt=24t\omega = \frac{d\theta}{dt} = 12t^2,\quad \beta = \frac{d\omega}{dt} = 24t

(1) an=ω2R=(12t2)2×0.1=14.4t4a_n = \omega^2 R = (12t^2)^2 \times 0.1 = 14.4t^4 an∣t=2=14.4×24=230.4 m/s2a_n\big|_{t=2} = 14.4 \times 2^4 = 230.4\ \text{m/s}^2

at=βR=24t×0.1=2.4ta_t = \beta R = 24t \times 0.1 = 2.4t at∣t=2=2.4×2=4.8 m/s2a_t\big|_{t=2} = 2.4 \times 2 = 4.8\ \text{m/s}^2

(2) a=at2+an2=(2.4t)2+(14.4t4)2a = \sqrt{a_t^2 + a_n^2} = \sqrt{(2.4t)^2 + (14.4t^4)^2}

依题意at=12aa_t = \frac{1}{2}a: 2.4t=12(2.4t)2+(14.4t4)22.4t = \frac{1}{2}\sqrt{(2.4t)^2 + (14.4t^4)^2} t3=36t^3 = \frac{\sqrt{3}}{6} θ=2+4t3=2+4×36=3.15 rad\theta = 2 + 4t^3 = 2 + 4 \times \frac{\sqrt{3}}{6} = 3.15\ \text{rad}

(3) 依题意at=ana_t = a_n: 2.4t=14.4t42.4t = 14.4t^4 解得:t=0.55 st = 0.55\ \text{s}


03常见力和牛顿三定律#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 常见力基础知识5~10选择、填空、大题
2. 牛顿三定律基础知识5~10选择、填空、大题

1. 常见力#

基本概念和公式#

  1. 重力:G=mgG = mg,g=9.8N/kgg = 9.8N/kg

  2. 弹力:F=kxF = kx(kk为弹性系数)

  3. 摩擦力:

    • ①滑动摩擦:f=μkNf = \mu_k N(μk\mu_k为滑动摩擦系数,NN为支持力)
    • ②静摩擦:0≤f≤μsN0 \leq f \leq \mu_s N(μs\mu_s为最大静摩擦系数)
  4. 万有引力:F=GMmr2F = G\frac{Mm}{r^2},G=6.67×10−11N⋅m2/kg2G = 6.67 \times 10^{-11} N \cdot m^2/kg^2


2. 牛顿三定律#

牛顿三定律内容#

  1. 牛顿第一定律:不受力或合外力为0,质点保持静止或匀速直线运动

  2. 牛顿第二定律:F=maF = ma(力是物体产生加速度的原因)

  3. 牛顿第三定律:F作用=F反作用F_{作用} = F_{反作用}(作用力等于反作用力)

解题步骤#

  1. 选物体
  2. 分析受力
  3. 列方程
  4. 求解

例题#

题1:关于摩擦力的说法,下列哪一种说法正确( )

A. 摩擦力总是阻碍物体运动 B. 摩擦力的方向总是与物体运动方向相反 C. 摩擦力总是对物体做负功 D. 以上说法都不对

解:选D


题2:用水平力FNF_N把一个物体压着靠在粗糙的竖直墙面上保持静止,当FNF_N逐渐增大时,物体所受到的静摩擦力FfF_f的大小( )

A. 不为零,但保持不变 B. 随FNF_N成正比增大 C. 开始随FNF_N增大,达到某一最大值后就保持不变 D. 无法确定

解:FN=NF_N = N,FNF_N增大则NN增大,但静摩擦力Ff=mgF_f = mg,与FNF_N无关,保持不变。选A


题3:两物体A和B,质量分别是m1m_1和m2m_2,互相接触放在光滑水平面上,对物体A施以水平推力FF,则物体A对物体B的作用力等于______。

解: F=(m1+m2)a①F = (m_1 + m_2)a \quad \text{①} F−FAB=m1a②F - F_{AB} = m_1a \quad \text{②}

由①②得:FAB=m2m1+m2FF_{AB} = \frac{m_2}{m_1 + m_2}F


题4:设电梯中有一质量可以忽略的滑轮,在滑轮两侧用轻绳悬挂着质量分别为m1m_1和m2m_2的重物A和B,已知m1>m2m_1 > m_2,当电梯匀速上升,求绳中的张力TT和物体A相对于电梯的加速度aa。

解: 对A受力分析:m1g−T=m1am_1g - T = m_1a

对B受力分析:T−m2g=m2aT - m_2g = m_2a

联立解得: T=2m1m2m1+m2gT = \frac{2m_1m_2}{m_1 + m_2}g a=m1−m2m1+m2ga = \frac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2}g


题5:一艘行驶的质量为mm的快艇,在发动机关闭后,受到一阻力作用,且f=−kv2f = -kv^2,式中kk为正常数,求快艇在关闭发动机后速度与行驶距离的关系。(已知发动机关闭时快艇速度为v0v_0)

解:根据牛顿第二定律: f=−kv2=ma=mdvdt=mdvdx⋅dxdt=mvdvdxf = -kv^2 = ma = m\frac{dv}{dt} = m\frac{dv}{dx} \cdot \frac{dx}{dt} = mv\frac{dv}{dx} −kv=mdvdx-kv = m\frac{dv}{dx}

分离变量:1vdv=−kmdx\frac{1}{v}dv = -\frac{k}{m}dx

两边同时积分: ∫v0v1vdv=∫0x−kmdx\int_{v_0}^{v} \frac{1}{v}dv = \int_{0}^{x} -\frac{k}{m}dx ln⁡v−ln⁡v0=−kmx\ln v - \ln v_0 = -\frac{k}{m}x ln⁡vv0=−kmx\ln \frac{v}{v_0} = -\frac{k}{m}x vv0=e−kmx\frac{v}{v_0} = e^{-\frac{k}{m}x} v=v0e−kmxv = v_0 e^{-\frac{k}{m}x}


题6:简述牛顿定律的适用范围

(1) 只适用于低速运动的物体(与光速比速度较低); (2) 只适用于宏观物体,不适用于微观原子; (3) 参照系应为惯性系。


04动量,冲量,动量守恒#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 动量定理必考5~10选/填
2. 动量守恒必考5~10大题

1. 动量定理#

基本概念和公式#

  • 动量:p⃗=mv⃗\vec{p} = m\vec{v},单位:kg⋅m/skg \cdot m/s
  • 动量定理:I⃗=mv⃗2−mv⃗1=∫t1t2F⃗dt\vec{I} = m\vec{v}_2 - m\vec{v}_1 = \int_{t_1}^{t_2} \vec{F}dt,单位:N⋅sN \cdot s

要点#

①冲量为矢量,等于动量的矢量差,也等于冲力对时间的积分

②F⃗\vec{F}为冲力,为合外力

③F⃗\vec{F}若为常力,I⃗=mv⃗2−mv⃗1=F⃗⋅Δt\vec{I} = m\vec{v}_2 - m\vec{v}_1 = \vec{F} \cdot \Delta t

例题#

题1:一物体质量为mm,t1t_1时刻速度大小为v0v_0,方向沿xx负方向,t2t_2时刻速度大小仍为v0v_0,方向沿yy轴正方向,t1t_1到t2t_2冲量大小为______

解: I=(mv0)2+(mv0)2=2mv0I = \sqrt{(mv_0)^2 + (mv_0)^2} = \sqrt{2}mv_0


题2:一垒球的质量m=0.20kgm = 0.20kg,如果其投出时的速度为30m/s30m/s,被棒击回的速度为50m/s50m/s,方向相反,球的冲量大小为______;球与棒的接触时间为Δt=0.0020s\Delta t = 0.0020s,则棒击打垒球的平均冲力F=F = ______

解: I=mv2−mv1=0.2×50−0.2×(−30)=16 N⋅sI = mv_2 - mv_1 = 0.2 \times 50 - 0.2 \times (-30) = 16\ N \cdot s

I=F⋅ΔtI = F \cdot \Delta t 16=F×0.00216 = F \times 0.002 F=8000NF = 8000N


题3:质量为3kg3kg的静止物体在水平力F=3t2F = 3t^2(NN)作用下,在光滑水平面上作直线运动,物体在0∼30 \sim 3秒内获得的冲量______N⋅sN \cdot s,第3秒末物体的速度值______m/sm/s

解: I=∫t1t2Fdt=∫033t2dt=27 N⋅sI = \int_{t_1}^{t_2} Fdt = \int_{0}^{3} 3t^2 dt = 27\ N \cdot s

I=mv2−mv1=mv2I = mv_2 - mv_1 = mv_2 27=3×v2⇒v2=9 m/s27 = 3 \times v_2 \Rightarrow v_2 = 9\ m/s


题4:一静止的质点,在合力为F⃗=10ti⃗+2(2−t)j⃗\vec{F} = 10t\vec{i} + 2(2-t)\vec{j}作用下,在2s2s末的动量为______

解: Fx=10t,Fy=2(2−t)F_x = 10t,\quad F_y = 2(2-t)

mvx2−0=∫02Fxdt=∫0210tdt=20mv_{x_2} - 0 = \int_{0}^{2} F_x dt = \int_{0}^{2} 10t dt = 20

mvy2−0=∫02Fydt=∫022(2−t)dt=4mv_{y_2} - 0 = \int_{0}^{2} F_y dt = \int_{0}^{2} 2(2-t) dt = 4

p⃗2=20i⃗+4j⃗\vec{p}_2 = 20\vec{i} + 4\vec{j}


2. 动量守恒#

动量守恒条件#

  1. F合=0F_{合} = 0:不受外力或所受合外力为零

  2. 内力不改变系统的总动量(例如:爆炸)

  3. 内力远大于外力时,也可认为F合=0F_{合} = 0

动量守恒定律#

∑miv⃗i1=∑miv⃗i2\sum m_i \vec{v}_{i1} = \sum m_i \vec{v}_{i2}

例题#

题1:粒子B的质量是粒子A的质量的4倍,开始时粒子A的速度为3i⃗3\vec{i},粒子B的速度为2i⃗2\vec{i},由于两者的相互作用,粒子A的速度变为7i⃗7\vec{i},此时粒子B的速度为( )

A. i⃗\vec{i} B. 2i⃗2\vec{i} C. 00 D. 5i⃗5\vec{i}

解:由动量守恒: m⋅3+4m⋅2=m⋅7+4m⋅vBm \cdot 3 + 4m \cdot 2 = m \cdot 7 + 4m \cdot v_B 3+8=7+4vB3 + 8 = 7 + 4v_B vB=1v_B = 1

选A


题2:一人站在长度为4m4m的船一端,船漂浮于静止水面上。船的质量为600kg600kg,人的质量为80kg80kg,若此人从船头走到船尾,则船相对于水面移动了多少米?(忽略水对船的阻力)

解:水平方向动量守恒: mv人=Mv船⇒mdx1dt=Mdx2dtmv_{人} = Mv_{船} \Rightarrow m\frac{dx_1}{dt} = M\frac{dx_2}{dt}

整理得:mdx1=Mdx2mdx_1 = Mdx_2

两边同时积分: ∫0x1mdx1=∫0x2Mdx2⇒mx1=Mx2\int_{0}^{x_1} mdx_1 = \int_{0}^{x_2} Mdx_2 \Rightarrow mx_1 = Mx_2

即:80x1=600x280x_1 = 600x_2

又:x1+x2=4x_1 + x_2 = 4

联立两式解得: {x1=3.53mx2=0.47m\begin{cases} x_1 = 3.53m \\ x_2 = 0.47m \end{cases}

故船移动了0.47m0.47m


题3:下列几种说法正确的是( )

(1) 作用力的冲量与反作用力的冲量总是等值相反的 (2) 系统的内力不能改变系统的总动量 (3) 冲量的方向与物体动量的方向相同 (4) 以恒力作用于物体,时间越长,物体的动量越大

A. 只有(1)是正确的 B. (1)(2)是正确的 C. (1)(3)是正确的 D. (2)(4)是正确的

解:选B


题4:判断下列运动是否动量守恒

运动类型是否守恒说明
匀速圆周运动不守恒动量方向不断改变
卫星绕地球不守恒受万有引力作用
弹性碰撞守恒系统动量守恒,机械能守恒
非弹性碰撞守恒系统动量守恒,机械能减小
完全非弹性碰撞守恒系统动量守恒,机械能损失最大
子弹打击木块(绳)守恒水平方向无外力
子弹打击木块(杆)不守恒杆受外力作用

05质点运动的功和能#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 做功必考5~10填空、大题
2. 动能定理必考5~10填空、大题
3. 保守力、势能★★5~10填空、大题
4. 机械能守恒必考5~10填空、大题

1. 做功#

基本概念和公式#

① 元功:dA=F⃗⋅dr⃗dA = \vec{F} \cdot d\vec{r}

② 功: A=∫F⃗⋅dr⃗A = \int \vec{F} \cdot d\vec{r}

当 F=f(x)F = f(x) 时: A=∫x1x2FdxA = \int_{x_1}^{x_2} F dx

③ 恒力做功: A=F⃗⋅r⃗=Fxx+Fyy+FzzA = \vec{F} \cdot \vec{r} = F_x x + F_y y + F_z z

例题#

题1:某质点在力 F=(4+5x)F = (4 + 5x) 的作用下沿 xx 轴做直线运动,在从 x=0x = 0 移动到 x=1x = 1 的过程中,力 FF 所做的功为______

解: A=∫01Fdx=∫01(4+5x)dx=4x+52x2∣01=4+52=6.5 JA = \int_{0}^{1} F dx = \int_{0}^{1} (4 + 5x) dx = 4x + \frac{5}{2}x^2 \Big|_{0}^{1} = 4 + \frac{5}{2} = 6.5\ J


题2:一质点在恒力 F⃗=3i⃗−5j⃗+6k⃗\vec{F} = 3\vec{i} - 5\vec{j} + 6\vec{k} 的作用下产生位移为 r⃗=2i⃗−4j⃗−3k⃗\vec{r} = 2\vec{i} - 4\vec{j} - 3\vec{k},在该位移过程中所做的功为______

解: A=F⃗⋅r⃗=3×2+(−5)×(−4)+6×(−3)=6+20−18=8 JA = \vec{F} \cdot \vec{r} = 3 \times 2 + (-5) \times (-4) + 6 \times (-3) = 6 + 20 - 18 = 8\ J


题3:一人从 10m10m 深的井中提水,起始桶中装有 10kg10kg 的水,由于水桶漏水,每升高 1m1m 要漏去 0.2kg0.2kg 的水,水桶被匀速地从井中提到井口,求人所做的功。

解:

设水桶升高 xx 米时,水的质量为: m=10−0.2xm = 10 - 0.2x

人所施加的力为: F=mg=(10−0.2x)gF = mg = (10 - 0.2x)g

人所做的功为: A=∫010Fdx=∫010(10−0.2x)gdx=g(10x−0.1x2)∣010=g(100−10)=90g=882 JA = \int_{0}^{10} F dx = \int_{0}^{10} (10 - 0.2x)g dx = g \left(10x - 0.1x^2\right) \Big|_{0}^{10} = g(100 - 10) = 90g = 882\ J


2. 动能定理#

基本概念和公式#

① 动能: Ek=12mv2E_k = \frac{1}{2}mv^2

② 动能定理: A=Ek2−Ek1=12mv22−12mv12A = E_{k2} - E_{k1} = \frac{1}{2}mv_2^2 - \frac{1}{2}mv_1^2

合外力对物体所做的功等于物体动能的增量。

例题#

题1:质量为 1kg1kg 的物体运动速率由 2m/s2m/s 增加到 4m/s4m/s 的过程中,合外力对它所做的功为______

解: A=12mv22−12mv12=12×1×42−12×1×22=8−2=6 JA = \frac{1}{2}mv_2^2 - \frac{1}{2}mv_1^2 = \frac{1}{2} \times 1 \times 4^2 - \frac{1}{2} \times 1 \times 2^2 = 8 - 2 = 6\ J


题2:用铁锤把钉子敲入墙面木板,设木板对钉子的阻力与钉子进入木板的深度成正比,即 F=kxF = kx。若第一次打击时,能把钉子打入木板 1cm1cm。第二次打击时,保持第一次打击的速度,第二次能把钉子打入的深度为______

解:

设第一次打击前钉子速度为 vv,第一次打击后钉子深度为 x1=1cmx_1 = 1cm

第一次打击: 12mv2=∫0x1kxdx=12kx12\frac{1}{2}mv^2 = \int_{0}^{x_1} kx dx = \frac{1}{2}kx_1^2

第二次打击(钉子从深度 x1x_1 打到深度 x2x_2): 12mv2=∫x1x2kxdx=12k(x22−x12)\frac{1}{2}mv^2 = \int_{x_1}^{x_2} kx dx = \frac{1}{2}k(x_2^2 - x_1^2)

由两次打击动能相等: 12kx12=12k(x22−x12)\frac{1}{2}kx_1^2 = \frac{1}{2}k(x_2^2 - x_1^2) x12=x22−x12x_1^2 = x_2^2 - x_1^2 x22=2x12x_2^2 = 2x_1^2 x2=2x1=2cmx_2 = \sqrt{2}x_1 = \sqrt{2}cm

第二次打入深度: Δx=x2−x1=(2−1)cm\Delta x = x_2 - x_1 = (\sqrt{2} - 1)cm


题3:质量均匀分布的钢性链条,总长为 LL,伸出光滑桌面的长度为 aa,若由静止释放。求:链条全部脱离光滑桌面时速率。

解:

设链条线密度为 λ=mL\lambda = \frac{m}{L}

链条从伸出 aa 到全部脱离桌面,重心下降高度: h=L2−a2=L−a2h = \frac{L}{2} - \frac{a}{2} = \frac{L - a}{2}

链条重力做功: A=mg⋅h=m⋅g⋅L−a2A = mg \cdot h = m \cdot g \cdot \frac{L - a}{2}

由动能定理: A=12mv2−0A = \frac{1}{2}mv^2 - 0 mg⋅L−a2=12mv2mg \cdot \frac{L - a}{2} = \frac{1}{2}mv^2 v=g(L−a)v = \sqrt{g(L - a)}


3. 保守力、势能#

基本概念和公式#

① 保守力:做功与路径无关,只与始末位置有关的力。

② 保守力的特点:

  • 保守力做功与路径无关,只与始末位置有关
  • 保守力沿一闭合路径运动一周,做功为零
  • 势能的引入是以保守力做功为前提
  • 不同的势能零点,对应的势能值不一样
  • 势能大小 = 保守力把物体移至势能零点所做的功
  • 保守力做正功,对应势能减小
  • 功能计算时,功-能计算一个,就要忽略这个保守力

③ 常用保守力势能及零势能点:

保守力势能表达式常用零势能点
重力 G=mgG = mgEp=mghE_p = mgh地面
弹力 F=kxF = kxEp=12kx2E_p = \frac{1}{2}kx^2平衡位置
万有引力 F=GMmr2F = G\frac{Mm}{r^2}Ep=−GMmrE_p = -G\frac{Mm}{r}无穷远处
静电力 F=14πε0q1q2r2F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1q_2}{r^2}Ep=14πε0q1q2rE_p = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{q_1q_2}{r}无穷远处

4. 机械能守恒#

基本概念和公式#

① 机械能: E=Ek+Ep=12mv2+EpE = E_k + E_p = \frac{1}{2}mv^2 + E_p

② 机械能守恒定律: Ek1+Ep1=Ek2+Ep2E_{k1} + E_{p1} = E_{k2} + E_{p2}

  1. 机械能只包含动能和势能
  2. 系统内只有保守力做功,其他内力和一切外力都不做功

例题#

题1:如图所示,质量 m=2kgm = 2kg 的物体从静止开始,沿 1/41/4 圆弧从 AA 滑到 BB,在 BB 处的速度大小为 v=6m/sv = 6m/s,已知圆的半径 R=4mR = 4m,则物体从 AA 到 BB 的过程中摩擦力对它所做的功为______

解:

AA 点机械能: EA=mgRE_A = mgR

BB 点机械能: EB=12mv2E_B = \frac{1}{2}mv^2

摩擦力做功等于机械能损失: Af=EB−EA=12mv2−mgR=12×2×62−2×9.8×4=36−78.4=−42.4 JA_f = E_B - E_A = \frac{1}{2}mv^2 - mgR = \frac{1}{2} \times 2 \times 6^2 - 2 \times 9.8 \times 4 = 36 - 78.4 = -42.4\ J


题2:质量为 mm 的子弹,穿过如图所示的摆锤后,速率由 vv 变为 v2\frac{v}{2}。已知摆锤的质量为 MM,摆线的长度为 LL,如果摆锤能在垂直平面内完成一个完全的圆周运动,子弹的速度最小值应为多大?

解:

子弹穿过摆锤瞬间,动量守恒: mv=m⋅v2+Mv′mv = m \cdot \frac{v}{2} + Mv' v′=mM⋅v2v' = \frac{m}{M} \cdot \frac{v}{2}

摆锤可以完成圆周运动,则在最高点满足: Mg=Mv最高2LMg = M\frac{v_{最高}^2}{L} v最高=gLv_{最高} = \sqrt{gL}

摆锤开始上扬,满足机械能守恒: 12Mv′2=12Mv最高2+Mg⋅2L\frac{1}{2}Mv'^2 = \frac{1}{2}Mv_{最高}^2 + Mg \cdot 2L 12M⋅(mM⋅v2)2=12M⋅gL+2MgL\frac{1}{2}M \cdot \left(\frac{m}{M} \cdot \frac{v}{2}\right)^2 = \frac{1}{2}M \cdot gL + 2MgL m2v24M2=5gL\frac{m^2v^2}{4M^2} = 5gL v=2Mm5gLv = \frac{2M}{m}\sqrt{5gL}


题3:子弹水平地射入一端固定在弹簧上的木块内,由弹簧压缩的距离求出子弹的速度。已知子弹质量是 0.02kg0.02kg,木块质量是 8.98kg8.98kg,弹簧的劲度系数是 100N/m100N/m,子弹射入木块后,弹簧被压缩 0.1m0.1m。设木块与平面间的动摩擦因数为 0.20.2,求子弹的速度。

解:

子弹射入木块瞬间,动量守恒: mv=(m+M)v′mv = (m + M)v' v′=mm+Mv=0.020.02+8.98v=0.029vv' = \frac{m}{m + M}v = \frac{0.02}{0.02 + 8.98}v = \frac{0.02}{9}v

弹簧开始压缩,满足功能关系: 12(m+M)v′2−μ(m+M)g⋅x=12kx2\frac{1}{2}(m + M)v'^2 - \mu(m + M)g \cdot x = \frac{1}{2}kx^2 12×9×(0.029v)2−0.2×9×9.8×0.1=12×100×0.12\frac{1}{2} \times 9 \times \left(\frac{0.02}{9}v\right)^2 - 0.2 \times 9 \times 9.8 \times 0.1 = \frac{1}{2} \times 100 \times 0.1^2 12×9×0.000481v2−1.764=0.5\frac{1}{2} \times 9 \times \frac{0.0004}{81}v^2 - 1.764 = 0.5 0.000418v2=2.264\frac{0.0004}{18}v^2 = 2.264 v2=2.264×180.0004=101880v^2 = \frac{2.264 \times 18}{0.0004} = 101880 v=319.2 m/sv = 319.2\ m/s


题4:对于一个物体来说,在下列的哪种情况下系统的机械能守恒( )

A. 合外力为0
B. 合外力不做功
C. 外力和非保守力都不做功
D. 外力和保守内力都不做功

解:机械能守恒条件:系统内只有保守力做功,其他内力和一切外力都不做功。选C


题5:对功的概念有以下几种说法:

(1) 保守力作正功时,系统内相应的势能增加;
(2) 质点运动经一闭合路径,保守力对质点作的功为零;
(3) 作用力与反作用力大小相等,方向相反,所以两者所做功的代数和必为零。

以上说法正确的是( )

A. (1)(2)是正确的
B. (2)(3)是正确的
C. 只有(2)是正确的
D. 只有(3)是正确的

解:

  • (1) 错误:保守力做正功时,势能减小
  • (2) 正确:保守力沿闭合路径做功为零
  • (3) 错误:作用力与反作用力做功的代数和不一定为零

选C


01电场强度#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 离散型★★0~3选择/填空
2. 连续型★★★★★5~10选择/填空/大题
3. 结论型★★★★★5~10选择/填空/大题

1. 求电场强度—离散型#

基本概念和公式#

库仑定律: F=14πε0⋅q⋅q0r2F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{q \cdot q_0}{r^2} (1) 同性相斥,异性相吸 (2) 电场力跟q,q0q, q_0电量成正比,跟r2r^2成反比 (3) 真空介电常量:ε0=8.85×10−12 C2/(N⋅m2)\varepsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12}\ C^2/(N \cdot m^2)

电场强度: E=Fq0=14πε0⋅qr2E = \frac{F}{q_0} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{q}{r^2} (矢量,有大小有方向)

(1) E⃗\vec{E}方向判定:将正电荷放入电场中,受力方向即E⃗\vec{E}的方向 (2) 电场强度跟场源电荷qq和位置rr有关,与试探电荷q0q_0无关

例题#

题1:在点电荷q1q_1激发的电场中有一试探电荷q0q_0受力为F⃗\vec{F},若将另一个点电荷q2q_2移入该区域后,q0q_0与q1q_1之间的作用力将( )

A. 不变 B. 变大 C. 变小 D. 无法确定

解:q0q_0与q1q_1之间的作用力只与它们之间的距离和电量有关,与q2q_2无关。选A


题2:如图所示,求在PP点和QQ点处的场强和方向?

解:

P点: E=E1−E2=14πε0⋅q(2l)2−14πε0⋅q(4l)2=3q64πε0l2E = E_1 - E_2 = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{q}{(2l)^2} - \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{q}{(4l)^2} = \frac{3q}{64\pi\varepsilon_0 l^2} 方向沿xx轴正方向

Q点: E1=E2=14πε0⋅q(2l)2=q16πε0l2E_1 = E_2 = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{q}{(2l)^2} = \frac{q}{16\pi\varepsilon_0 l^2} E=Ey=q16πε0l2E = E_y = \frac{q}{16\pi\varepsilon_0 l^2} 方向沿yy轴负方向


2. 求电场强度—连续型#

解题方法#

dE=14πε0⋅dqr2dE = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{dq}{r^2} E=∫dE=∫14πε0⋅dqr2E = \int dE = \int \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{dq}{r^2}

常用积分公式: ∫xdx=12x2+C\int xdx = \frac{1}{2}x^2 + C ∫dx=x+C\int dx = x + C

例题#

题1:均匀带电细棒,棒长LL,电荷线密度λ\lambda,求:棒的延长线上与棒的右端相距dd处的场强。

解:在带电棒上取一线元dxdx,则dxdx所带的电荷量:dq=λ⋅dxdq = \lambda \cdot dx

在PP处: dE=14πε0⋅λ⋅dx(L+d−x)2dE = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{\lambda \cdot dx}{(L + d - x)^2}

E=∫dE=∫0L14πε0⋅λ(L+d−x)2dxE = \int dE = \int_{0}^{L} \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{\lambda}{(L + d - x)^2} dx =λ4πε0⋅1(L+d−x)∣0L=λ4πε0(1d−1L+d)= \frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{1}{(L + d - x)} \bigg|_{0}^{L} = \frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0} \left( \frac{1}{d} - \frac{1}{L + d} \right)

另一种坐标设定(原点在棒右端): dE=14πε0⋅λ⋅dx(x+d)2dE = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{\lambda \cdot dx}{(x + d)^2}

E=∫0L14πε0⋅λ(x+d)2dxE = \int_{0}^{L} \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{\lambda}{(x + d)^2} dx =λ4πε0⋅−1(x+d)∣0L=λ4πε0(1d−1L+d)= \frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{-1}{(x + d)} \bigg|_{0}^{L} = \frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0} \left( \frac{1}{d} - \frac{1}{L + d} \right)


题2:一个半径为RR的均匀带正电半圆环,电荷线密度为λ\lambda,求环心处OO点的场强和方向。

解:在半圆环上任取线元dldl,dl=Rdθdl = Rd\theta,所带电量:dq=λ⋅dl=λ⋅Rdθdq = \lambda \cdot dl = \lambda \cdot Rd\theta

在OO点产生的场强: dE=14πε0⋅λ⋅dlR2=λ4πε0R2dldE = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{\lambda \cdot dl}{R^2} = \frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0 R^2} dl

分量分解: dEx=dE⋅sin⁡θ=λ4πε0R2sin⁡θ⋅Rdθ=λ4πε0Rsin⁡θdθdE_x = dE \cdot \sin\theta = \frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0 R^2} \sin\theta \cdot Rd\theta = \frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0 R} \sin\theta d\theta dEy=dE⋅cos⁡θ=λ4πε0Rcos⁡θdθdE_y = dE \cdot \cos\theta = \frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0 R} \cos\theta d\theta

积分: Ex=∫0πλ4πε0Rsin⁡θdθ=λ2πε0RE_x = \int_{0}^{\pi} \frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0 R} \sin\theta d\theta = \frac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 R} Ey=∫0πλ4πε0Rcos⁡θdθ=0E_y = \int_{0}^{\pi} \frac{\lambda}{4\pi\varepsilon_0 R} \cos\theta d\theta = 0

E=Ex=λ2πε0RE = E_x = \frac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 R} 方向朝xx正方向


3. 求电场强度—结论型#

常用结论汇总#

带电体场强公式备注
点电荷E=14πε0⋅qr2E = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \cdot \frac{q}{r^2}
无限长均匀带电直线E=λ2πε0rE = \frac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}rr为到直线距离
无限大均匀带电平面E=σ2ε0E = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0}与距离无关
均匀带电圆柱面E=0E = 0(r<Rr < R)
E=λ2πε0rE = \frac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}(r>Rr > R)
高斯推导
均匀带电球体E=qr4πε0R3E = \frac{qr}{4\pi\varepsilon_0 R^3}(r<Rr < R)
E=q4πε0r2E = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0 r^2}(r>Rr > R)
高斯推导

例题#

题1:均匀带电”无限大”平面上的面电荷密度为σ0\sigma_0,其场强与场点到带电平板的距离无关,其场强大小为______

解:E=σ02ε0E = \frac{\sigma_0}{2\varepsilon_0}


题2:真空中两个平行的”无限大”均匀带电平面,电荷面密度为+σ+\sigma和−2σ-2\sigma,则A,B,CA, B, C三个区域的场强分别为:

解:

  • AA区:E⃗A=σ2ε0i⃗\vec{E}_A = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0}\vec{i}
  • BB区:E⃗B=3σ2ε0i⃗\vec{E}_B = \frac{3\sigma}{2\varepsilon_0}\vec{i}
  • CC区:E⃗C=−σ2ε0i⃗\vec{E}_C = -\frac{\sigma}{2\varepsilon_0}\vec{i}

题3:一宽为bb的无限长均匀带电平面薄板,其电荷面密度为σ\sigma,试求平板所在平面内,距薄板边缘为aa处的电场强度。

解:薄板内任取一窄条,宽为dxdx,窄条可视为无限长带电线,线密度:λ=σdx\lambda = \sigma dx

无限长带电线在PP点的场强: dE=σdx2πε0(a+b2−x)dE = \frac{\sigma dx}{2\pi\varepsilon_0 \left(a + \frac{b}{2} - x\right)}

整个薄板在PP点的场强: E=∫−b2b2σdx2πε0(a+b2−x)=σ2πε0ln⁡a+baE = \int_{-\frac{b}{2}}^{\frac{b}{2}} \frac{\sigma dx}{2\pi\varepsilon_0 \left(a + \frac{b}{2} - x\right)} = \frac{\sigma}{2\pi\varepsilon_0} \ln\frac{a + b}{a}


02电通量,高斯定理#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 电通量★★★★★0~3选择、填空
2. 高斯定理求场强必考5~10大题

1. 电通量#

电场线性质#

(1) 电场线总是起自正电荷,终止于负电荷。

(2) 电场线不会自成闭合线,任意两条电场线也不会相交。

(3) 电场线密度大的地方,电场强度EE越大。

电通量公式#

(1) 电通量:Φe=E⋅S\Phi_e = E \cdot S

(2) EE和SS必须是垂直关系

(3) 对于曲面,向外穿出为正,向内穿入为负

三种情况:

  • 平面垂直电场:Φe=E⋅S\Phi_e = E \cdot S
  • 平面与电场成θ\theta角:Φe=E⋅S⋅cos⁡θ\Phi_e = E \cdot S \cdot \cos\theta
  • 曲面:dΦe=E⃗⋅dS⃗d\Phi_e = \vec{E} \cdot d\vec{S},Φe=∫dΦe=∬E⃗⋅dS⃗\Phi_e = \int d\Phi_e = \iint \vec{E} \cdot d\vec{S}

例题#

题1:一电场强度为E⃗\vec{E}的均匀电场,E⃗\vec{E}的方向沿xx轴正向,则通过图中一半径为RR的半球面的电场强度通量为( )

A. πR2E2\frac{\pi R^2 E}{2} B. 00 C. 2πR2E2\pi R^2 E D. πR2E\pi R^2 E

解:选B(电场线穿入和穿出相等,总通量为0)


题2:如图,在电场强度EE的匀强电场中,有一半径为RR的半球面,场强EE的方向与半球面对称轴平行,穿过此半球面的电通量为( )

A. 2πR2E2\pi R^2 E B. 2πR2E\sqrt{2}\pi R^2 E C. πR2E\pi R^2 E D. πR2E2\frac{\pi R^2 E}{2}

解:Φe=E⋅S=π⋅R2E\Phi_e = E \cdot S = \pi \cdot R^2 E,选C


题3:有一半径为RR的半球面如图所示,放在均匀电场中,通过半球面的电通量( )

A. 2πR2E2\pi R^2 E B. −πR2E-\pi R^2 E C. 2πR2cos⁡θ2\pi R^2 \cos\theta D. −πR2Ecos⁡θ-\pi R^2 E \cos\theta

解:Φe=−E⋅Scos⁡θ=−π⋅R2Ecos⁡θ\Phi_e = -E \cdot S \cos\theta = -\pi \cdot R^2 E \cos\theta,选D


2. 静电场中的高斯定理#

高斯定理内容#

闭合曲面的电通量等于包含电荷量除以ε0\varepsilon_0:

Φe=∯E⃗⋅dS⃗=1ε0∑q内\Phi_e = \oiint \vec{E} \cdot d\vec{S} = \frac{1}{\varepsilon_0} \sum q_{内}

例题#

题1:求电荷量为qq的均匀带电球壳内外场强分布。

解:由高斯定理: ∯E⃗⋅dS⃗=E⋅∯dS=E⋅4πr2=1ε0∑q内\oiint \vec{E} \cdot d\vec{S} = E \cdot \oiint dS = E \cdot 4\pi r^2 = \frac{1}{\varepsilon_0} \sum q_{内}

⇒E=∑q内4πε0r2\Rightarrow E = \frac{\sum q_{内}}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

  • r<Rr < R时:∑q内=0⇒E=0\sum q_{内} = 0 \Rightarrow E = 0
  • r>Rr > R时:∑q内=q⇒E=q4πε0r2\sum q_{内} = q \Rightarrow E = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

题2:半径为RR的球体,均匀带电qq,试求场强分布。

解:由高斯定理: ∯E⃗⋅dS⃗=E⋅4πr2=1ε0∑q内⇒E=∑q内4πε0r2\oiint \vec{E} \cdot d\vec{S} = E \cdot 4\pi r^2 = \frac{1}{\varepsilon_0} \sum q_{内} \Rightarrow E = \frac{\sum q_{内}}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

体密度:ρ=qV=q43πR3=3q4πR3\rho = \frac{q}{V} = \frac{q}{\frac{4}{3}\pi R^3} = \frac{3q}{4\pi R^3}

  • r<Rr < R时:∑q内=ρ⋅Vr=3q4πR3⋅43πr3=qr3R3\sum q_{内} = \rho \cdot V_r = \frac{3q}{4\pi R^3} \cdot \frac{4}{3}\pi r^3 = \frac{qr^3}{R^3}

E=qr3/R34πε0r2=qr4πε0R3E = \frac{qr^3/R^3}{4\pi \varepsilon_0 r^2} = \frac{qr}{4\pi \varepsilon_0 R^3}

  • r>Rr > R时:∑q内=q⇒E=q4πε0r2\sum q_{内} = q \Rightarrow E = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

题3:一半径为RR的带电球体,其电荷密度ρ=A⋅r\rho = A \cdot r(A>0A > 0),试求球内外的场强分布。

解:由高斯定理: ∯E⃗⋅dS⃗=E⋅4πr2=1ε0∑q内⇒E=∑q内4πε0r2\oiint \vec{E} \cdot d\vec{S} = E \cdot 4\pi r^2 = \frac{1}{\varepsilon_0} \sum q_{内} \Rightarrow E = \frac{\sum q_{内}}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

dV=4πr2⋅drdV = 4\pi r^2 \cdot dr,dq=ρ⋅dV=Ar⋅4πr2drdq = \rho \cdot dV = Ar \cdot 4\pi r^2 dr

  • r<Rr < R时:∑q内=∫0rAr⋅4πr2dr=πAr4\sum q_{内} = \int_0^r Ar \cdot 4\pi r^2 dr = \pi A r^4

E=πAr44πε0r2=Ar24ε0E = \frac{\pi A r^4}{4\pi \varepsilon_0 r^2} = \frac{A r^2}{4\varepsilon_0}

  • r>Rr > R时:∑q内=∫0RAr⋅4πr2dr=πAR4\sum q_{内} = \int_0^R Ar \cdot 4\pi r^2 dr = \pi A R^4

E=πAR44πε0r2=AR44ε0r2E = \frac{\pi A R^4}{4\pi \varepsilon_0 r^2} = \frac{A R^4}{4\varepsilon_0 r^2}


题4:求半径为RR,线密度为λ\lambda的无限长均匀带电圆柱体内外场强分布。

解:由高斯定理: ∯E⃗⋅dS⃗=E⋅∯dS=E⋅2πrh=1ε0∑q内\oiint \vec{E} \cdot d\vec{S} = E \cdot \oiint dS = E \cdot 2\pi r h = \frac{1}{\varepsilon_0} \sum q_{内}

⇒E=∑q内2πε0rh\Rightarrow E = \frac{\sum q_{内}}{2\pi \varepsilon_0 r h}

  • r<Rr < R时:∑q内=λhπR2h⋅πr2h=r2R2λh\sum q_{内} = \frac{\lambda h}{\pi R^2 h} \cdot \pi r^2 h = \frac{r^2}{R^2} \lambda h

E=r2R2λh2πε0rh=λr2πε0R2E = \frac{\frac{r^2}{R^2} \lambda h}{2\pi \varepsilon_0 r h} = \frac{\lambda r}{2\pi \varepsilon_0 R^2}

  • r>Rr > R时:∑q内=λh\sum q_{内} = \lambda h

E=λh2πε0rh=λ2πε0rE = \frac{\lambda h}{2\pi \varepsilon_0 r h} = \frac{\lambda}{2\pi \varepsilon_0 r}


题5:点电荷qq位于一边长为aa的立方体中心,试求: (1) 在该点电荷电场中穿过立方体的任一个面的电通量; (2) 若将该场源点电荷移动到立方体的一个顶点上,则穿过立方体各面的电通量。

解:

(1) Φe=∯SE⃗⋅dS⃗=qε0\Phi_e = \oiint_S \vec{E} \cdot d\vec{S} = \frac{q}{\varepsilon_0}

⇒Φe′=Φe6=q6ε0\Rightarrow \Phi_e' = \frac{\Phi_e}{6} = \frac{q}{6\varepsilon_0}

(2) Φe=∯SE⃗⋅dS⃗=qε0\Phi_e = \oiint_S \vec{E} \cdot d\vec{S} = \frac{q}{\varepsilon_0}

⇒Φe′=Φe24=q24ε0\Rightarrow \Phi_e' = \frac{\Phi_e}{24} = \frac{q}{24\varepsilon_0}

  • 与电荷直接相连的三个面电通量为00
  • 与电荷不相连的三个面电通量为q24ε0\frac{q}{24\varepsilon_0}

题6:点电荷q1,q2,q3,q4,q5q_1, q_2, q_3, q_4, q_5在真空中的分布如图所示,图中为闭合曲面,则通过该闭合曲面的电场强度通量为( )

A. q1+q2+q3ε0\frac{q_1+q_2+q_3}{\varepsilon_0} B. q1+q2+q3+q4+q5ε0\frac{q_1+q_2+q_3+q_4+q_5}{\varepsilon_0} C. q2+q3+q5ε0\frac{q_2+q_3+q_5}{\varepsilon_0} D. q1+q2+q4ε0\frac{q_1+q_2+q_4}{\varepsilon_0}

解:选D,电通量只与高斯面内电荷有关


题7:如图所示,闭合曲面SS内有一点电荷qq,PP为SS面上任一点,SS面外有一点电荷q′q',设通过SS的电通量为Φ\Phi,PP点的场强为E⃗P\vec{E}_P,当q′q'从AA点移动到BB点时( )

A. Φ\Phi改变,E⃗P\vec{E}_P不变 B. Φ,E⃗P\Phi, \vec{E}_P都不变

C. Φ,E⃗P\Phi, \vec{E}_P都改变 D. Φ\Phi不变,E⃗P\vec{E}_P改变

解:Φ\Phi只与高斯面内电荷有关,E⃗P\vec{E}_P由面内和面外电荷共同决定。选D


题8:在高斯定理中,∯SE⃗⋅dS⃗=qε0\oiint_S \vec{E} \cdot d\vec{S} = \frac{q}{\varepsilon_0},SS和qq的物理意义是( )

A. SS为闭合面,qq为SS内的总电量

B. SS为闭合面,qq为空间总电量

C. SS为任意曲面,qq为SS上分布的电量

D. SS为任意曲面,qq为空间总电量

解:选A


题9:对于高斯定理∯SE⃗⋅dS⃗=qε0\oiint_S \vec{E} \cdot d\vec{S} = \frac{q}{\varepsilon_0},以下说法正确的是( )

A. 高斯面上的场强仅由高斯面内的电荷所产生

B. 若∯SE⃗⋅dS⃗=0\oiint_S \vec{E} \cdot d\vec{S} = 0则高斯面内必无任何电荷分布

C. 若高斯面上的场强处处为零,则高斯面内无净电荷

D. 高斯面内净电荷等于零,则高斯面上的场强也必等于零

解:选C


题10:关于高斯定理的理解有下面几种说法,其中正确的是( )

A. 如果高斯面内无电荷,则高斯面上E⃗\vec{E}处处为零

B. 如果高斯面上E⃗\vec{E}处处不为零,则该面内必有电荷

C. 如果高斯面上E⃗\vec{E}处处为零,则该面内必无电荷

D. 如果高斯面内净电荷不为零,则通过该面的电通量必不为零

解:选D


高斯定理要点总结#

(1) 电通量与高斯面面内电荷有关,与电荷的位置以及高斯面面外电荷无关

(2) ∑q内\sum q_{内}是指高斯面内的净电荷(所有正负电荷的代数和)

(3) 高斯面上的场强EE,不仅由面内电荷影响,还由面外电荷影响

03电势,电势能#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 电势必考5~10大题
2. 电势能★★★0~3选择、填空
3. 电势与电场关系★★★3~5选择、填空

1. 电势#

基本概念和公式#

做功与路径无关 → 电场力是保守力 → 电势能

电势能:WM=∫M∞F⃗⋅dl⃗=∫M∞q0E⃗⋅dl⃗W_M = \int_{M}^{\infty} \vec{F} \cdot d\vec{l} = \int_{M}^{\infty} q_0 \vec{E} \cdot d\vec{l}

电势零点:可以自定义,一般默认无穷远处

电势定义: V=WMq0=∫r∞E⃗⋅dl⃗=q4πε0rV = \frac{W_M}{q_0} = \int_{r}^{\infty} \vec{E} \cdot d\vec{l} = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r}

电势在数值上等于单位正电荷从该点沿任意路径到零势能点电场力做功。

求电势三种类型#

① 离散型:V=q4πε0rV = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r}

② 连续型:dV=dq4πε0rdV = \frac{dq}{4\pi \varepsilon_0 r},V=∫dq4πε0rV = \int \frac{dq}{4\pi \varepsilon_0 r}

③ 已知场强求电势:V=∫起点∞E⃗⋅dl⃗V = \int_{起点}^{\infty} \vec{E} \cdot d\vec{l}

例题:连续型#

题1:一均匀带电半圆环,半径为RR,电量为+Q+Q,求环心处的电势。

解:带电圆环上取线元dldl,则dldl所带的电量:dq=QπR⋅dldq = \frac{Q}{\pi R} \cdot dl

在OO点产生的电势: dV=dq4πε0r=Qdl4π2ε0R2dV = \frac{dq}{4\pi \varepsilon_0 r} = \frac{Q dl}{4\pi^2 \varepsilon_0 R^2}

V=∫dV=∫0πRQdl4π2ε0R2=Q4πε0RV = \int dV = \int_{0}^{\pi R} \frac{Q dl}{4\pi^2 \varepsilon_0 R^2} = \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 R}

结论:圆环/半圆环/部分圆环,总带电量为QQ,在圆心处的电势:VO=Q4πε0RV_O = \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 R}


题2:一绝缘细棒弯成半径为RR的1/4圆形环,使之均匀带正电,电荷线密度为+λ+\lambda,设无穷远处为电势零点,则在1/4圆环圆心OO处的电势为( )

A. λ8ε0\frac{\lambda}{8\varepsilon_0} B. λε0\frac{\lambda}{\varepsilon_0} C. λ2ε0\frac{\lambda}{2\varepsilon_0} D. λ4ε0\frac{\lambda}{4\varepsilon_0}

解:1/4圆形环带电量:Q=λ⋅14⋅2πR=12πRλQ = \lambda \cdot \frac{1}{4} \cdot 2\pi R = \frac{1}{2}\pi R \lambda

所以在OO点的电势: V=Q4πε0R=12πRλ4πε0R=λ8ε0V = \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 R} = \frac{\frac{1}{2}\pi R \lambda}{4\pi \varepsilon_0 R} = \frac{\lambda}{8\varepsilon_0}

选A


例题:已知场强求电势#

题1:求电荷量为qq的均匀带电球壳内外电势分布。

解:先由高斯定理求场强: ∯E⃗⋅dS⃗=E⋅4πr2=1ε0∑q内⇒E=∑q内4πε0r2\oiint \vec{E} \cdot d\vec{S} = E \cdot 4\pi r^2 = \frac{1}{\varepsilon_0} \sum q_{内} \Rightarrow E = \frac{\sum q_{内}}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

  • r<Rr < R时:∑q内=0⇒E1=0\sum q_{内} = 0 \Rightarrow E_1 = 0
  • r>Rr > R时:∑q内=q⇒E2=q4πε0r2\sum q_{内} = q \Rightarrow E_2 = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

再由场强求电势:

  • r<Rr < R时:V=∫起点∞E⃗⋅dl⃗=∫rRE1dr+∫R∞E2dr=∫rR0dr+∫R∞q4πε0r2dr=q4πε0RV = \int_{起点}^{\infty} \vec{E} \cdot d\vec{l} = \int_{r}^{R} E_1 dr + \int_{R}^{\infty} E_2 dr = \int_{r}^{R} 0 dr + \int_{R}^{\infty} \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R}

  • r>Rr > R时:V=∫起点∞E⃗⋅dl⃗=∫r∞E2dr=∫r∞q4πε0r2dr=q4πε0rV = \int_{起点}^{\infty} \vec{E} \cdot d\vec{l} = \int_{r}^{\infty} E_2 dr = \int_{r}^{\infty} \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r}


题2:如图所示,在半径为R1R_1和R2R_2的两个同心球面上分别均匀带电q1q_1和q2q_2,求三个区域内的电势分布。

解:

(1) 先求场强分布: ∯E⃗⋅dS⃗=E⋅4πr2=1ε0∑q内⇒E=∑q内4πε0r2\oiint \vec{E} \cdot d\vec{S} = E \cdot 4\pi r^2 = \frac{1}{\varepsilon_0} \sum q_{内} \Rightarrow E = \frac{\sum q_{内}}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

  • r<R1r < R_1时:∑q内=0⇒E1=0\sum q_{内} = 0 \Rightarrow E_1 = 0
  • R1<r<R2R_1 < r < R_2时:∑q内=q1⇒E2=q14πε0r2\sum q_{内} = q_1 \Rightarrow E_2 = \frac{q_1}{4\pi \varepsilon_0 r^2}
  • r>R2r > R_2时:∑q内=q1+q2⇒E3=q1+q24πε0r2\sum q_{内} = q_1 + q_2 \Rightarrow E_3 = \frac{q_1 + q_2}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

(2) 电势分布:

  • r<R1r < R_1时: V1=∫rR10dr+∫R1R2q14πε0r2dr+∫R2∞q1+q24πε0r2dr=14πε0(q2R2+q1R1)V_1 = \int_{r}^{R_1} 0 dr + \int_{R_1}^{R_2} \frac{q_1}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr + \int_{R_2}^{\infty} \frac{q_1 + q_2}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \left( \frac{q_2}{R_2} + \frac{q_1}{R_1} \right)

  • R1<r<R2R_1 < r < R_2时: V2=∫rR2q14πε0r2dr+∫R2∞q1+q24πε0r2dr=14πε0(q1r+q2R2)V_2 = \int_{r}^{R_2} \frac{q_1}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr + \int_{R_2}^{\infty} \frac{q_1 + q_2}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr = \frac{1}{4\pi \varepsilon_0} \left( \frac{q_1}{r} + \frac{q_2}{R_2} \right)

  • r>R2r > R_2时: V3=∫r∞q1+q24πε0r2dr=q1+q24πε0rV_3 = \int_{r}^{\infty} \frac{q_1 + q_2}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr = \frac{q_1 + q_2}{4\pi \varepsilon_0 r}


题3:半径为R1R_1和R2R_2的两个无限长同轴圆柱面,单位长度上分别带有电量λ\lambda和−λ-\lambda,试求:(1) 空间场强分布;(2) 两圆柱面之间的电势差。

解:

(1) 由高斯定理: ∯E⃗⋅dS⃗=E⋅2πrh=1ε0∑q内⇒E=∑q内2πε0rh\oiint \vec{E} \cdot d\vec{S} = E \cdot 2\pi r h = \frac{1}{\varepsilon_0} \sum q_{内} \Rightarrow E = \frac{\sum q_{内}}{2\pi \varepsilon_0 r h}

  • r<R1r < R_1时:∑q内=0⇒E1=0\sum q_{内} = 0 \Rightarrow E_1 = 0
  • R1<r<R2R_1 < r < R_2时:∑q内=λh⇒E2=λ2πε0r\sum q_{内} = \lambda h \Rightarrow E_2 = \frac{\lambda}{2\pi \varepsilon_0 r}
  • r>R2r > R_2时:∑q内=λh−λh=0⇒E3=0\sum q_{内} = \lambda h - \lambda h = 0 \Rightarrow E_3 = 0

(2) 两圆柱面之间的电势差: VAB=∫R1R2E⃗2⋅dr⃗=∫R1R2λ2πε0rdr=λ2πε0ln⁡R2R1V_{AB} = \int_{R_1}^{R_2} \vec{E}_2 \cdot d\vec{r} = \int_{R_1}^{R_2} \frac{\lambda}{2\pi \varepsilon_0 r} dr = \frac{\lambda}{2\pi \varepsilon_0} \ln \frac{R_2}{R_1}


题4:一电荷q=10−9Cq = 10^{-9}C,A,B,CA, B, C三点分别距离该点电荷10cm, 20cm, 30cm。若选BB点电势为零,则AA点的电势为______,CC点的电势为______。

解:

VA=∫rArBE⃗⋅dl⃗=∫rArBq4πε0r2dr=q4πε0(1rA−1rB)V_A = \int_{r_A}^{r_B} \vec{E} \cdot d\vec{l} = \int_{r_A}^{r_B} \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0} \left( \frac{1}{r_A} - \frac{1}{r_B} \right) =10−94π×8.85×10−12(10.1−10.2)=45 V= \frac{10^{-9}}{4\pi \times 8.85 \times 10^{-12}} \left( \frac{1}{0.1} - \frac{1}{0.2} \right) = 45\ V

VC=∫rCrBE⃗⋅dl⃗=∫rCrBq4πε0r2dr=q4πε0(1rC−1rB)V_C = \int_{r_C}^{r_B} \vec{E} \cdot d\vec{l} = \int_{r_C}^{r_B} \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0} \left( \frac{1}{r_C} - \frac{1}{r_B} \right) =10−94π×8.85×10−12(10.3−10.2)=−15 V= \frac{10^{-9}}{4\pi \times 8.85 \times 10^{-12}} \left( \frac{1}{0.3} - \frac{1}{0.2} \right) = -15\ V


2. 电势能#

基本概念和公式#

电势能 = 电荷 × 电势 = 电场力做功

WM=q0V=∫M零势能点F⃗⋅dl⃗W_M = q_0 V = \int_{M}^{零势能点} \vec{F} \cdot d\vec{l}

电场力做正功 = 电势能减小

A=−(W2−W1)A = -(W_2 - W_1)

例题#

题1:如图所示,在A、BA、B两点处有电量分别为+q、−q+q、-q的点电荷,A、BA、B间的距离为2R2R,现将另一正试验点电荷q0q_0从OO点经半圆弧移动到CC点,电场力所做的功为______。

解:

OO点电势:VO=q4πε0R+−q4πε0R=0V_O = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R} + \frac{-q}{4\pi \varepsilon_0 R} = 0

CC点电势:VC=q4πε0⋅3R+−q4πε0R=−q6πε0RV_C = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 \cdot 3R} + \frac{-q}{4\pi \varepsilon_0 R} = -\frac{q}{6\pi \varepsilon_0 R}

电势能变化:W2−W1=q0VC−q0VO=−qq06πε0RW_2 - W_1 = q_0 V_C - q_0 V_O = -\frac{q q_0}{6\pi \varepsilon_0 R}

故电场力做功:A=−(W2−W1)=qq06πε0RA = -(W_2 - W_1) = \frac{q q_0}{6\pi \varepsilon_0 R}


题2:一电量为qq的点电荷位于圆心OO处,A,B,C,DA, B, C, D为同一圆周上的四点,现将一试验电荷从AA点分别移动到B,C,DB, C, D各点,则( )

A. 从AA到BB,电场力做功最大

B. 从AA到各点,电场力做功相等

C. 从AA到DD,电场力做功最大

D. 从AA到CC,电场力做功最大

解:同一圆周上各点电势相等:VA=VB=VC=VDV_A = V_B = V_C = V_D

电势能相等:q0VA=q0VB=q0VC=q0VDq_0 V_A = q_0 V_B = q_0 V_C = q_0 V_D

所以从AA到各点,电势能变化为0,电场力做功相等。选B


3. 电场和电势关系#

基本关系#

(1) E=0⇏V=0E = 0 \nRightarrow V = 0,EE大小 ⇏V\nRightarrow V大小

(2) 电场线密的地方电场强度越大

(3) 电势沿电场线方向减小

(4) 某点电势随电势零点不同而不同

(5) E⃗=−(∂V∂x,∂V∂y,∂V∂z)\vec{E} = -\left( \frac{\partial V}{\partial x}, \frac{\partial V}{\partial y}, \frac{\partial V}{\partial z} \right)

例题#

题1:描述静电场性质的两个基本物理量是______。

解:电场强度和电势


题2:在某电场区域内的电场线(实线)和等势面(虚线)如图所示,由图判断出正确结论为( )

A. EA>EB>ECE_A > E_B > E_C,VA>VB>VCV_A > V_B > V_C

B. EA>EB>ECE_A > E_B > E_C,VA<VB<VCV_A < V_B < V_C

C. EA<EB<ECE_A < E_B < E_C,VA>VB>VCV_A > V_B > V_C

D. EA<EB<ECE_A < E_B < E_C,VA<VB<VCV_A < V_B < V_C

解:电场线越密场强越大,故EA<EB<ECE_A < E_B < E_C;电势沿电场线方向减小,故VA>VB>VCV_A > V_B > V_C。选C


04导体#

考点概览#

考点重要程度占分题型
1. 静电平衡必考3~6选择/填空
2. 导体的场强和电势★★★★★5~10大题

1. 静电平衡#

静电平衡条件#

(1) 电荷分布在外表面,内部场强处处为零(E=0E = 0)

(2) 导体表面电场强度 E=σε0E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0}

(3) 导体是等势体,表面是等势面,但场强并非处处相等

(4) 导体表面曲率越大(尖锐),电荷密度越大

例题#

题1:半径为RR的金属球体是一个等势体,其电势V=100VV = 100V,则球心处的场强大小为______

解:E=0E = 0(导体内部场强处处为零)


题2:均匀带电无限大平面附近的场强大小为______,均匀带电无限大平面导体附近的场强大小为______

解:σ2ε0\frac{\sigma}{2\varepsilon_0};σε0\frac{\sigma}{\varepsilon_0}


题3:如图所示,金属球BB被一同心金属球壳AA所包围,分别给A,BA,B两导体以电量+5C+5C和+3C+3C,则AA球壳的外表面带电量为( )

A. 0C0C B. +5C+5C C. +8C+8C D. −3C-3C

解:BB球带+3C+3C,AA球壳内表面感应−3C-3C,AA球壳外表面带电量为5+3=+8C5 + 3 = +8C。选C


题4:一个带电导体达到静电平衡时( )

A. 表面上电荷密度较大处电势较高

B. 导体内任意两点的电势差等于零

C. 导体内部的电势比表面的电势高

D. 表面曲率较大处电势较高

解:导体是等势体,内部任意两点电势差为零。选B


题5:如图所示将一个电量为qq的点电荷放在一个半径为RR的不带电的导体球附近,点电荷距离导体球球心为dd,设无穷远处为零势能点,则在导体球球心OO点有( )

A. E=0E = 0,V=q4πε0dV = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 d}

B. E=q4πε0d2E = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 d^2},V=q4πε0dV = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 d}

C. E=0E = 0,V=0V = 0

D. E=q4πε0d2E = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 d^2},V=q4πε0RV = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R}

解:导体内部场强为零;电势由点电荷qq和感应电荷共同产生,球心电势等于点电荷qq在球心处产生的电势。选A


题6:一个带电的空腔导体球壳,内半径为RR,在空腔内离球心的距离为dd处(d<Rd < R),固定一点电荷+q+q,则在球心OO处的电势为______;用导线把球壳接地后,再把地线撤销,选无穷远为电势零点,则球心OO处的电势为______

解:

(1) 根据电势叠加: VO=q4πε0d+−q4πε0R+q4πε0R=q4πε0dV_O = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 d} + \frac{-q}{4\pi \varepsilon_0 R} + \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R} = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 d}

(2) 接地后,球壳外表面电荷为零: VO=q4πε0d+−q4πε0R=q4πε0(1d−1R)V_O = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 d} + \frac{-q}{4\pi \varepsilon_0 R} = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0} \left( \frac{1}{d} - \frac{1}{R} \right)


2. 导体中的电场和电势#

例题#

题1:有一外半径为R3R_3,内半径为R2R_2的金属球壳,在球壳内放一半径为R1R_1的同心金属球,若使金属球带有qq的正电荷。求:(1) 电荷分布;(2) 电场分布;(3) 电势分布。

解:

(1) 电荷分布:

  • 金属球表面:+q+q
  • 球壳内表面:−q-q
  • 球壳外表面:+q+q

(2) 电场分布(由高斯定理): ∯E⃗⋅dS⃗=E⋅4πr2=1ε0∑q内⇒E=∑q内4πε0r2\oiint \vec{E} \cdot d\vec{S} = E \cdot 4\pi r^2 = \frac{1}{\varepsilon_0} \sum q_{内} \Rightarrow E = \frac{\sum q_{内}}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

  • r<R1r < R_1时:∑q内=0⇒E1=0\sum q_{内} = 0 \Rightarrow E_1 = 0
  • R1<r<R2R_1 < r < R_2时:∑q内=q⇒E2=q4πε0r2\sum q_{内} = q \Rightarrow E_2 = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r^2}
  • R2<r<R3R_2 < r < R_3时:∑q内=q−q=0⇒E3=0\sum q_{内} = q - q = 0 \Rightarrow E_3 = 0
  • r>R3r > R_3时:∑q内=q−q+q=q⇒E4=q4πε0r2\sum q_{内} = q - q + q = q \Rightarrow E_4 = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

(3) 电势分布:

  • r<R1r < R_1时: V=q4πε0R1−q4πε0R2+q4πε0R3=q4πε0(1R1−1R2+1R3)V = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R_1} - \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R_2} + \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R_3} = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0} \left( \frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} \right)

  • R1<r<R2R_1 < r < R_2时: V=q4πε0r−q4πε0R2+q4πε0R3=q4πε0(1r−1R2+1R3)V = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r} - \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R_2} + \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R_3} = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0} \left( \frac{1}{r} - \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} \right)

  • R2<r<R3R_2 < r < R_3时: V=q4πε0r−q4πε0r+q4πε0R3=q4πε0R3V = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r} - \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r} + \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R_3} = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 R_3}

  • r>R3r > R_3时: V=q4πε0r−q4πε0r+q4πε0r=q4πε0rV = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r} - \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r} + \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r} = \frac{q}{4\pi \varepsilon_0 r}


05电容器#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 电容器★★★★★3~5选择、填空

1. 电容器#

基本概念和公式#

电容定义:C=qUC = \frac{q}{U},单位:FF(法拉),1μF=10−6F1\mu F = 10^{-6}F,1pF=10−12F1pF = 10^{-12}F

关键要点:

(1) 电容器是由导体构成,电荷量等值异号,分布在极板内侧

(2) C=qUC = \frac{q}{U},qq代表一侧的电荷量取正,UU代表极板间电压

(3) 极板间电场强度:E=σε0=UdE = \frac{\sigma}{\varepsilon_0} = \frac{U}{d},电势差:U=qC=E⋅dU = \frac{q}{C} = E \cdot d

(4) 极板间相互作用力:F=12E⋅qF = \frac{1}{2} E \cdot q

(5) 含介质:C=εrC0C = \varepsilon_r C_0,E=E0εrE = \frac{E_0}{\varepsilon_r},ε=ε0⋅εr\varepsilon = \varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r

电介质参数:

  • ε\varepsilon:介电常量(电容率)
  • ε0\varepsilon_0:真空中介电常量(真空中电容率)
  • εr\varepsilon_r:相对介电常量(相对电容率),εr≥1\varepsilon_r \geq 1,真空中εr=1\varepsilon_r = 1

常见电容器电容公式#

电容器类型真空中电容含介质εr\varepsilon_r电容
平行板电容器C=ε0SdC = \frac{\varepsilon_0 S}{d}C=ε0εrSdC = \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r S}{d}
圆柱形电容器C=2πε0lln⁡RB/RAC = \frac{2\pi \varepsilon_0 l}{\ln R_B / R_A}C=2πε0εrlln⁡RB/RAC = \frac{2\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r l}{\ln R_B / R_A}
球形电容器C=4πε0RARBRB−RAC = 4\pi \varepsilon_0 \frac{R_A R_B}{R_B - R_A}C=4πε0εrRARBRB−RAC = 4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r \frac{R_A R_B}{R_B - R_A}
孤立导体电容器C=4πε0RAC = 4\pi \varepsilon_0 R_AC=4πε0εrRAC = 4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r R_A

电容器串并联#

串联:1C=1C1+1C2\frac{1}{C} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2}

并联:C=C1+C2C = C_1 + C_2

例题#

题1:求面积为SS,两极板间距离为dd的平行板电容器的电容。

解: 电荷 q=σ⋅Sq = \sigma \cdot S

电势差:U=E⋅d=σε0⋅dU = E \cdot d = \frac{\sigma}{\varepsilon_0} \cdot d

电容:C=qU=σSσε0⋅d=ε0SdC = \frac{q}{U} = \frac{\sigma S}{\frac{\sigma}{\varepsilon_0} \cdot d} = \frac{\varepsilon_0 S}{d}

含介质时:C=ε0εrSdC = \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r S}{d}

结论:电容大小只与极板大小、形状、相对位置以及电介质有关


题2:设两平行板电容器的电容为CC,若将两极板的正对面积增大到原来的2倍,极板间距离增大到原来的3倍,则此电容器的电容变为______。

解:平行板电容器:C=ε0SdC = \frac{\varepsilon_0 S}{d}

S′→2SS' \to 2S,d′→3dd' \to 3d

C′=ε0S′d′=ε0⋅2S3d=23⋅ε0Sd=23CC' = \frac{\varepsilon_0 S'}{d'} = \frac{\varepsilon_0 \cdot 2S}{3d} = \frac{2}{3} \cdot \frac{\varepsilon_0 S}{d} = \frac{2}{3}C


题3:当平行板电容器板间为真空时,其电容为C0C_0,板间场强大小为E0E_0,当充满着相对介电常数为εr\varepsilon_r的电介质,则电容为______。

解:C=εrC0C = \varepsilon_r C_0


题4:真空中半径为RR的金属球的电容为______,若放在无限大相对介电常量为εr\varepsilon_r的电介质中电容为______。

解:C=4πε0RC = 4\pi \varepsilon_0 R;C=4πε0εrRC = 4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r R


题5:四个电容器连接如图,则a,ba,b两端的等效电容为______。

解: 1C1=112+14=13⇒C1=3μF\frac{1}{C_1} = \frac{1}{12} + \frac{1}{4} = \frac{1}{3} \Rightarrow C_1 = 3\mu F

C2=C1+2=3+2=5μFC_2 = C_1 + 2 = 3 + 2 = 5\mu F

1Cab=1C2+120=15+120=14⇒Cab=4μF\frac{1}{C_{ab}} = \frac{1}{C_2} + \frac{1}{20} = \frac{1}{5} + \frac{1}{20} = \frac{1}{4} \Rightarrow C_{ab} = 4\mu F


题6:平行板电容器两板间距离为dd,极板面积为SS,在真空时的电容、自由电荷面密度、电势差、电场强度的大小分别用C0,σ0,U0,E0C_0, \sigma_0, U_0, E_0表示。

(1) 如充电后与电源断开,将εr\varepsilon_r的均匀介质充满电容器,则:

C=C =,σ=\sigma =,U=U =,E=E =

(2) 与电源保持联接,将εr\varepsilon_r的均匀介质充满电容器,则:

C=C =,σ=\sigma =,U=U =,E=E =

解:

(1) 电荷量QQ不变: C=εrC0C = \varepsilon_r C_0 σ=QS=σ0\sigma = \frac{Q}{S} = \sigma_0 U=QC=QεrC0=U0εrU = \frac{Q}{C} = \frac{Q}{\varepsilon_r C_0} = \frac{U_0}{\varepsilon_r} E=Ud=U0εrd=E0εrE = \frac{U}{d} = \frac{U_0}{\varepsilon_r d} = \frac{E_0}{\varepsilon_r}

(2) 电压不变U=U0U = U_0: C=εrC0C = \varepsilon_r C_0 σ=QS=C⋅US=εrC0⋅US=εrQ0S=εrσ0\sigma = \frac{Q}{S} = \frac{C \cdot U}{S} = \frac{\varepsilon_r C_0 \cdot U}{S} = \frac{\varepsilon_r Q_0}{S} = \varepsilon_r \sigma_0 U=U0U = U_0 E=Ud=U0d=E0E = \frac{U}{d} = \frac{U_0}{d} = E_0


题7:一平行板空气电容器的两极板相距dd,AA和BB极板上面电荷密度分别为+σ+\sigma和−σ-\sigma,其间插入与极板大小相等,厚度为d/2d/2的金属板后,金属板与极板间场强大小为______,金属板内的场强大小为______,两极板间的电势差为______。

解:插入金属板,极板电荷不变,σ\sigma不变

  • 金属与极板间:E=σε0E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0}
  • 金属板是导体,内部:E=0E = 0
  • 两极板间电势差:UAB=Ed1+Ed2=E(d1+d2)=E⋅d2=dσ2ε0U_{AB} = E d_1 + E d_2 = E(d_1 + d_2) = E \cdot \frac{d}{2} = \frac{d\sigma}{2\varepsilon_0}

结论:电势差会减小,与金属板放置的位置无关


题8:一空气平行板电容器,电容为CC,两极板间距离为dd,充电后,两极板间的相互作用力为FF,则两极板间的电势差为______,极板上的电荷为______。

解:C=ε0SdC = \frac{\varepsilon_0 S}{d},F=12EqF = \frac{1}{2} E q,E=2FqE = \frac{2F}{q}

U=qC=E⋅d=2Fq⋅dU = \frac{q}{C} = E \cdot d = \frac{2F}{q} \cdot d

⇒q=2FCd\Rightarrow q = \sqrt{2FCd}

U=qC=2FCdC=2Fd/CU = \frac{q}{C} = \frac{\sqrt{2FCd}}{C} = \sqrt{2F d / C}


06电介质,电场能#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 电介质高斯定理★★★★★★5~10大题
2. 电场能★★★3~5选择、填空

1. 电介质高斯定理#

基本概念和公式#

电介质中的高斯定理:∯D⃗⋅dS⃗=∑q内\oiint \vec{D} \cdot d\vec{S} = \sum q_{内},适用:含介质和真空

电位移:D=ε0εrED = \varepsilon_0 \varepsilon_r E,∑q内\sum q_{内}为自由电荷代数和

真空中:εr=1\varepsilon_r = 1,D=ε0ED = \varepsilon_0 E

电介质中的场强:E=E0−E′=E0εrE = E_0 - E' = \frac{E_0}{\varepsilon_r}

极化电荷面密度:σ′=(1−1εr)σ0\sigma' = \left( 1 - \frac{1}{\varepsilon_r} \right) \sigma_0

例题#

题1:在半径为R1R_1的金属球之外包有一层外半径为R2R_2的均匀电介质球壳,介质的相对介电常数为εr\varepsilon_r,金属球带电QQ,试求:(1) 电介质内外的场强;(2) 电介质内外的电势。

解:

(1) 由电介质高斯定理:∯D⃗⋅dS⃗=D⋅4πr2=∑q内⇒D=∑q内4πr2⇒E=Dε0εr\oiint \vec{D} \cdot d\vec{S} = D \cdot 4\pi r^2 = \sum q_{内} \Rightarrow D = \frac{\sum q_{内}}{4\pi r^2} \Rightarrow E = \frac{D}{\varepsilon_0 \varepsilon_r}

  • r<R1r < R_1时:∑q内=0⇒D=0⇒E1=0\sum q_{内} = 0 \Rightarrow D = 0 \Rightarrow E_1 = 0
  • R1<r<R2R_1 < r < R_2时:∑q内=Q⇒D=Q4πr2⇒E2=Q4πε0εrr2\sum q_{内} = Q \Rightarrow D = \frac{Q}{4\pi r^2} \Rightarrow E_2 = \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r r^2}
  • r>R2r > R_2时:∑q内=Q⇒D=Q4πr2⇒E3=Q4πε0r2\sum q_{内} = Q \Rightarrow D = \frac{Q}{4\pi r^2} \Rightarrow E_3 = \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 r^2}

(2) 电势分布:

  • r<R1r < R_1时: V=∫R1R2E2dr+∫R2∞E3dr=∫R1R2Q4πε0εrr2dr+∫R2∞Q4πε0r2dr=Q4πε0εr(1R1−1R2)+Q4πε0R2V = \int_{R_1}^{R_2} E_2 dr + \int_{R_2}^{\infty} E_3 dr = \int_{R_1}^{R_2} \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r r^2} dr + \int_{R_2}^{\infty} \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr = \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r} \left( \frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2} \right) + \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 R_2}

  • R1<r<R2R_1 < r < R_2时: V=∫rR2E2dr+∫R2∞E3dr=∫rR2Q4πε0εrr2dr+∫R2∞Q4πε0r2dr=Q4πε0εr(1r−1R2)+Q4πε0R2V = \int_{r}^{R_2} E_2 dr + \int_{R_2}^{\infty} E_3 dr = \int_{r}^{R_2} \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r r^2} dr + \int_{R_2}^{\infty} \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr = \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r} \left( \frac{1}{r} - \frac{1}{R_2} \right) + \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 R_2}

  • r>R2r > R_2时: V=∫r∞E3dr=∫r∞Q4πε0r2dr=Q4πε0rV = \int_{r}^{\infty} E_3 dr = \int_{r}^{\infty} \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 r^2} dr = \frac{Q}{4\pi \varepsilon_0 r}


题2:一圆柱形电容器由半径为R1R_1的导线和与它同轴的导体圆筒构成,圆筒长为ll,内半径为R2R_2,导线与圆筒间充满相对电容率εr\varepsilon_r的电介质,设沿轴线单位长度上导线的电量为λ\lambda,圆筒的电量为−λ-\lambda,略去边缘效应,求:(1) 电介质中电位移DD,场强EE;(2) 两极板的电势差。

解:

(1) ∯D⃗⋅dS⃗=D⋅2πrh=∑q内⇒D=∑q内2πrh⇒E=Dε0εr\oiint \vec{D} \cdot d\vec{S} = D \cdot 2\pi r h = \sum q_{内} \Rightarrow D = \frac{\sum q_{内}}{2\pi r h} \Rightarrow E = \frac{D}{\varepsilon_0 \varepsilon_r}

R1<r<R2R_1 < r < R_2时:∑q内=λh\sum q_{内} = \lambda h

⇒D=λh2πrh=λ2πr⇒E=λ2πε0εrr\Rightarrow D = \frac{\lambda h}{2\pi r h} = \frac{\lambda}{2\pi r} \Rightarrow E = \frac{\lambda}{2\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r r}

(2) 两极板间电势差: UAB=∫R1R2E⃗⋅dr⃗=∫R1R2λ2πε0εrrdr=λ2πε0εrln⁡R2R1U_{AB} = \int_{R_1}^{R_2} \vec{E} \cdot d\vec{r} = \int_{R_1}^{R_2} \frac{\lambda}{2\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r r} dr = \frac{\lambda}{2\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r} \ln \frac{R_2}{R_1}


题3:静电场中,作闭合曲面SS,若有∯SD⃗⋅dS⃗=0\oiint_S \vec{D} \cdot d\vec{S} = 0(式中D⃗\vec{D}为电位移矢量),则SS内面必定( )

A. 既无自由电荷,又无束缚电荷

B. 没有自由电荷

C. 自由电荷和束缚电荷的代数和为零

D. 自由电荷的代数和为零

解:由∯D⃗⋅dS⃗=∑q内\oiint \vec{D} \cdot d\vec{S} = \sum q_{内},∑q内=0\sum q_{内} = 0表示自由电荷代数和为零。选D


2. 电场能#

基本概念和公式#

电场能密度(单位:J/m3J/m^3): we=12DE=12ε0εrE2w_e = \frac{1}{2} D E = \frac{1}{2} \varepsilon_0 \varepsilon_r E^2

电场能: W=∫VwedVW = \int_V w_e dV

电容器储存的电场能: W=Q22C=12C(V1−V2)2=12Q(V1−V2)W = \frac{Q^2}{2C} = \frac{1}{2} C (V_1 - V_2)^2 = \frac{1}{2} Q (V_1 - V_2)

例题#

题1:在相对电容率εr=4\varepsilon_r = 4的各向同性均匀电介质中,与能量密度we=2×106J/m3w_e = 2 \times 10^6 J/m^3相应的电场强度大小E=E =______N/CN/C

解:由we=12ε0εrE2w_e = \frac{1}{2} \varepsilon_0 \varepsilon_r E^2: E=2weε0εr=2×2×1068.85×10−12×4=3.36×108N/CE = \sqrt{\frac{2w_e}{\varepsilon_0 \varepsilon_r}} = \sqrt{\frac{2 \times 2 \times 10^6}{8.85 \times 10^{-12} \times 4}} = 3.36 \times 10^8 N/C


题2:一个3μF3\mu F的电容被接到12V12V的电源,则储存在电容器中的能量为______

解:3μF=3×10−6F3\mu F = 3 \times 10^{-6}F W=12C(V1−V2)2=12×3×10−6×122=2.16×10−4JW = \frac{1}{2} C (V_1 - V_2)^2 = \frac{1}{2} \times 3 \times 10^{-6} \times 12^2 = 2.16 \times 10^{-4} J


题3:有一半径为RR的带电导体球,带电量为qq,放在相对电容率为εr\varepsilon_r的无限大均匀介质中,则此系统的电场能量为( )

A. q28πε0εrR\frac{q^2}{8\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r R}

B. q4πε0εrR2\frac{q}{4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r R^2}

C. q8πε0εrR2\frac{q}{8\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r R^2}

D. q24πε0εrR2\frac{q^2}{4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r R^2}

解:C=4πε0εrRC = 4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r R W=Q22C=q22×4πε0εrR=q28πε0εrRW = \frac{Q^2}{2C} = \frac{q^2}{2 \times 4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r R} = \frac{q^2}{8\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r R}

选A


07磁感应强度#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 毕奥-萨伐尔定律★★★★3~5选择、填空
2. 安培环路定理必考5~10大题

1. 毕奥-萨伐尔定律#

基本概念#

毕奥-萨伐尔定律(毕萨定理):描述电流元在空间产生的磁感应强度

dB=μ04π⋅Idl⋅sin⁡θr2dB = \frac{\mu_0}{4\pi} \cdot \frac{Idl \cdot \sin\theta}{r^2}

B=∫dB=μ04π∫Idlsin⁡θr2B = \int dB = \frac{\mu_0}{4\pi} \int \frac{Idl \sin\theta}{r^2}

单位:TT(特斯拉)

真空中磁导率:μ0=4π×10−7T⋅m/A\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} T \cdot m/A

磁场线图示#

  • 直线电流:同心圆磁场线
  • 环形电流:类似条形磁铁的磁场线
  • 螺线管:内部匀强磁场

符号约定:

  • ⊗\otimes:垂直纸面向内
  • ⊙\odot:垂直纸面向外

毕奥-萨伐尔定律基本公式#

例题:载流直导线#

题1:在长为LL的一段载流直导线中,通有电流II,求距离导线为aa处一点PP的磁感应强度。

解:任取一电流元IdlIdl

dB=μ04π⋅Idlsin⁡θr2dB = \frac{\mu_0}{4\pi} \cdot \frac{Idl \sin\theta}{r^2}

B=∫dB=μ04π∫Idlsin⁡θr2B = \int dB = \frac{\mu_0}{4\pi} \int \frac{Idl \sin\theta}{r^2}

通过变量替换:r=asin⁡θr = \frac{a}{\sin\theta},dl=acsc⁡2θdθdl = a \csc^2\theta d\theta

B=μ0I4πa∫θ1θ2sin⁡θdθ=μ0I4πa(cos⁡θ1−cos⁡θ2)B = \frac{\mu_0 I}{4\pi a} \int_{\theta_1}^{\theta_2} \sin\theta d\theta = \frac{\mu_0 I}{4\pi a} (\cos\theta_1 - \cos\theta_2)

方向垂直纸面向里

常见结论汇总#

电流类型磁感应强度公式
有限长直导线B=μ0I4πa(cos⁡θ1−cos⁡θ2)B = \frac{\mu_0 I}{4\pi a} (\cos\theta_1 - \cos\theta_2)
无限长直导线B=μ0I2πaB = \frac{\mu_0 I}{2\pi a}
半无限长直导线B=μ0I4πaB = \frac{\mu_0 I}{4\pi a}
无限大电流平面B=12μ0αB = \frac{1}{2} \mu_0 \alpha
圆弧(圆心角φ\varphi)B=μ0I4πRφB = \frac{\mu_0 I}{4\pi R} \varphi
圆电流(圆心处)B=μ0I2RB = \frac{\mu_0 I}{2R}
螺绕环B=μ0nI=μ0NI2πRB = \mu_0 nI = \frac{\mu_0 NI}{2\pi R}
长直螺线管B=μ0nI=μ0NILB = \mu_0 nI = \frac{\mu_0 NI}{L}

例题#

题2:真空中,一根无限长的直导线,通过的电流强度为II,在距离导线rr处的磁感应强度为( )

A. μ0Ir\frac{\mu_0 I}{r} B. μ0I2r\frac{\mu_0 I}{2r} C. μ0I2πr\frac{\mu_0 I}{2\pi r} D. μ0I4πr\frac{\mu_0 I}{4\pi r}

解:选C,B=μ0I2πrB = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}


题3:真空中一根无限长导线弯成如图形状,设各线段都在同一平面内(纸面内),水平部分的延长线经过圆心OO,竖直向下的导线垂直于水平方向。导线中通有电流II,求图中OO处的磁感应强度的大小和方向。

解:

  • ABAB段和CDCD段过OO点,在OO点不产生磁场
  • BC⌢\overset{\frown}{BC}段:B1=μ0I2R1⋅12=μ0I4R1B_1 = \frac{\mu_0 I}{2R_1} \cdot \frac{1}{2} = \frac{\mu_0 I}{4R_1},朝内
  • DEDE段:B2=μ0I4π⋅2R2/2(cos⁡π4−cos⁡3π4)=μ0I2πR2B_2 = \frac{\mu_0 I}{4\pi \cdot \sqrt{2}R_2/2} (\cos\frac{\pi}{4} - \cos\frac{3\pi}{4}) = \frac{\mu_0 I}{2\pi R_2},朝外
  • EF⌢\overset{\frown}{EF}段:B3=μ0I2R2⋅14=μ0I8R2B_3 = \frac{\mu_0 I}{2R_2} \cdot \frac{1}{4} = \frac{\mu_0 I}{8R_2},朝外
  • FGFG段:B4=μ0I2πR2⋅12=μ0I4πR2B_4 = \frac{\mu_0 I}{2\pi R_2} \cdot \frac{1}{2} = \frac{\mu_0 I}{4\pi R_2},朝外

B=B2+B3+B4−B1=3μ0I4πR2+μ0I8R2−μ0I4R1B = B_2 + B_3 + B_4 - B_1 = \frac{3\mu_0 I}{4\pi R_2} + \frac{\mu_0 I}{8R_2} - \frac{\mu_0 I}{4R_1}

方向朝外


题4:如图所示,一无限长薄电流板均匀通有电流II,电流板宽为aa,求在电流板同一平面内距板边为aa的PP点处的磁感应强度。

解:电流板上取窄条dxdx

窄条的电流:dI=Ia⋅dxdI = \frac{I}{a} \cdot dx

dIdI在PP点处产生的磁感应强度: dB=μ0dI2π(2a−x)=μ0I2πa(2a−x)dxdB = \frac{\mu_0 dI}{2\pi (2a - x)} = \frac{\mu_0 I}{2\pi a (2a - x)} dx

B=∫dB=∫0aμ0I2πa(2a−x)dx=μ0I2πaln⁡2B = \int dB = \int_0^a \frac{\mu_0 I}{2\pi a (2a - x)} dx = \frac{\mu_0 I}{2\pi a} \ln 2

方向垂直纸面向里


2. 安培环路定理#

基本概念和公式#

安培环路定理: ∮B⃗⋅dl⃗=μ0∑I内\oint \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_0 \sum I_{内}

关键要点:

(1) 安培环路定理只与环路内电流有关,与电流位置以及环路外电流无关

(2) ∑I内\sum I_{内}是指环路内的净电流(所有电流的代数和)

(3) 环路上的磁感应强度BB,不仅由环路内电流影响,还由环路外电流影响

例题#

题1:已知半径为RR的铜线,通过电流为II,电流在导线横截面上均匀分布,求导线内外磁感应强度的分布?

解:由∮B⃗⋅dl⃗=B⋅∮dl=B⋅2πr=μ0∑I内⇒B=μ0∑I内2πr\oint \vec{B} \cdot d\vec{l} = B \cdot \oint dl = B \cdot 2\pi r = \mu_0 \sum I_{内} \Rightarrow B = \frac{\mu_0 \sum I_{内}}{2\pi r}

  • r<Rr < R时:∑I内=IπR2⋅πr2=Ir2R2\sum I_{内} = \frac{I}{\pi R^2} \cdot \pi r^2 = \frac{Ir^2}{R^2}

B=μ0Ir2πR2B = \frac{\mu_0 Ir}{2\pi R^2}

  • r>Rr > R时:∑I内=I\sum I_{内} = I

B=μ0I2πrB = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}

方向沿逆时针方向


题2:如图所示的空心柱形导体半径分别为R1R_1和R2R_2,导体内载流有电流II,设电流II均匀分布在导线的横截面上,求导体内部各点(R1<r<R2R_1 < r < R_2)的磁感应强度BB。

解:由∮B⃗⋅dl⃗=B⋅2πr=μ0∑I内⇒B=μ0∑I内2πr\oint \vec{B} \cdot d\vec{l} = B \cdot 2\pi r = \mu_0 \sum I_{内} \Rightarrow B = \frac{\mu_0 \sum I_{内}}{2\pi r}

∑I内=Iπ(R22−R12)⋅π(r2−R12)=I(r2−R12)R22−R12\sum I_{内} = \frac{I}{\pi (R_2^2 - R_1^2)} \cdot \pi (r^2 - R_1^2) = \frac{I (r^2 - R_1^2)}{R_2^2 - R_1^2}

⇒B=μ0I(r2−R12)2πr(R22−R12)\Rightarrow B = \frac{\mu_0 I (r^2 - R_1^2)}{2\pi r (R_2^2 - R_1^2)}

方向逆时针


题3:如图所示,垂直流出纸面的电流为2I2I,垂直流进纸面的电流为II,两电流均为稳恒电流,则环路积分正确的是( )

A. ∮LB⃗⋅dl⃗=2μ0I\oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} = 2\mu_0 I B. ∮LB⃗⋅dl⃗=3μ0I\oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} = 3\mu_0 I

C. ∮LB⃗⋅dl⃗=μ0I\oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_0 I D. ∮LB⃗⋅dl⃗=−μ0I\oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} = -\mu_0 I

解:垂直纸面向里为正,∑I内=I−2I=−I\sum I_{内} = I - 2I = -I

∮LB⃗⋅dl⃗=μ0∑I内=−μ0I\oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_0 \sum I_{内} = -\mu_0 I

选D


题4:取一闭合积分回路LL,使三根载流导线穿过它所围成的面,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LL内的II改变,LL上各点的B⃗\vec{B}改变

B. 回路LL内的II改变,LL上各点的B⃗\vec{B}不变

C. 回路LL内的II不变,LL上各点的B⃗\vec{B}改变

D. 回路LL内的II不变,LL上各点的B⃗\vec{B}不变

解:回路LL内的净电流II不变(三根导线都在回路内),但各电流位置变化会导致环路上各点的B⃗\vec{B}改变。选C


题5:下列说法中正确的是( )

A. 闭合回路上各点磁感应强度都为零时,回路内穿过电流的代数和必为零

B. 闭合回路上各点磁感应强度都为零时,回路内一定没有电流通过

C. 磁感应强度沿闭合回路积分不为零时,回路上任意一点的磁感应强度都不可能为零

D. 磁感应强度沿闭合回路积分为零时,回路上各点的磁感应强度必为零

解:由∮B⃗⋅dl⃗=μ0∑I内=0⇒∑I内=0\oint \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_0 \sum I_{内} = 0 \Rightarrow \sum I_{内} = 0,但回路外电流仍会产生磁场。选A


题6:如图,在一圆形电流II所在的平面内,选取一个同心圆形闭合回路LL,则由安培环路定理可知( )

A. ∮LB⃗⋅dl⃗=0\oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} = 0,且环路上任意一点B=0B = 0

B. ∮LB⃗⋅dl⃗=0\oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} = 0,且环路上任意一点B≠0B \neq 0

C. ∮LB⃗⋅dl⃗≠0\oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} \neq 0,且环路上任意一点B≠0B \neq 0

D. ∮LB⃗⋅dl⃗≠0\oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} \neq 0,且环路上任意一点B=B =常量

解:回路LL内没有电流,∑I内=0\sum I_{内} = 0,所以∮LB⃗⋅dl⃗=0\oint_L \vec{B} \cdot d\vec{l} = 0;但圆形电流在回路LL上各点会产生磁场,B≠0B \neq 0。选B


08磁通量,高斯定理#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 磁通量、高斯定理必考5~10大题

1. 磁通量、高斯定理#

基本概念和公式#

磁通量:Φm=B⋅S\Phi_m = B \cdot S,单位:WbWb(韦伯)

三种情况:

(1) 平面垂直磁场:Φm=B⋅S\Phi_m = B \cdot S

(2) 平面与磁场成θ\theta角:Φm=B⋅S⋅cos⁡θ\Phi_m = B \cdot S \cdot \cos\theta

(3) 曲面:dΦm=B⃗⋅dS⃗d\Phi_m = \vec{B} \cdot d\vec{S},Φm=∫dΦm=∬B⃗⋅dS⃗\Phi_m = \int d\Phi_m = \iint \vec{B} \cdot d\vec{S}

关键要点:

(1) BB和SS必须是垂直关系

(2) 对于曲面,向外穿出为正,向内穿入为负

(3) 磁场中高斯定理:Φm=∯B⃗⋅dS⃗=0\Phi_m = \oiint \vec{B} \cdot d\vec{S} = 0,沿闭合曲面积分为零:穿进等于穿出

例题#

题1:如图所示,在磁感应强度为B⃗\vec{B}的均匀磁场中作一半径为rr的半球面SS,则通过半球面SS的磁通量为( )

A. 2πr2B2\pi r^2 B B. −πr2B-\pi r^2 B C. −2πrB-2\pi r B D. πr2B\pi r^2 B

解:Φm=−B⋅S=−B⋅πr2\Phi_m = -B \cdot S = -B \cdot \pi r^2,选B


题2:在稳恒磁场中,穿过任一闭合曲面的总磁通量必然为______

解:00(磁场高斯定理)


题3:一个密绕细长螺线管,每米长度上绕有1000匝细导线,螺线管的横截面积为0.001m20.001m^2。当在螺线管中通入10A的电流时,它的横截面上的磁通量为______WbWb(μ0=4π×10−7T⋅m/A\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} T \cdot m/A)

解: B=μ0nI=4π×10−7×1000×10=1.256×10−2TB = \mu_0 nI = 4\pi \times 10^{-7} \times 1000 \times 10 = 1.256 \times 10^{-2} T

Φm=B⋅S=1.256×10−2×0.001=1.256×10−5Wb\Phi_m = B \cdot S = 1.256 \times 10^{-2} \times 0.001 = 1.256 \times 10^{-5} Wb


题4:如图,一无限长直导线通以电流II,若有一矩形导体线框与直导线共面且距导线为aa,试求通过矩形导体线框的磁通量。

解:矩形线框中取窄条宽为dxdx,dS=l⋅dxdS = l \cdot dx

载流直导线在xx处产生的磁感应强度:B=μ0I2πxB = \frac{\mu_0 I}{2\pi x}

dΦm=B⋅dS=B⋅l⋅dx=μ0Il2πxdxd\Phi_m = B \cdot dS = B \cdot l \cdot dx = \frac{\mu_0 I l}{2\pi x} dx

Φm=∫dΦm=∫aa+bμ0Il2πxdx=μ0Il2πln⁡a+ba\Phi_m = \int d\Phi_m = \int_{a}^{a+b} \frac{\mu_0 I l}{2\pi x} dx = \frac{\mu_0 I l}{2\pi} \ln \frac{a+b}{a}


题5:磁场中的高斯定理为∯B⃗⋅dS⃗=0\oiint \vec{B} \cdot d\vec{S} = 0,它表明磁场是( )

A. 非保守力 B. 保守力 C. 无源场 D. 有源场

解:选C

电场与磁场的对比#

定理电场磁场
高斯定理Φe=∯E⃗⋅dS⃗=1ε0∑q内\Phi_e = \oiint \vec{E} \cdot d\vec{S} = \frac{1}{\varepsilon_0} \sum q_{内}Φm=∯B⃗⋅dS⃗=0\Phi_m = \oiint \vec{B} \cdot d\vec{S} = 0
性质有源场无源场
环路定理∮E⃗⋅dl⃗=0\oint \vec{E} \cdot d\vec{l} = 0∮B⃗⋅dl⃗=μ0∑I内\oint \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_0 \sum I_{内}
性质无旋场,保守场有旋场

09安培力,磁力矩,洛伦兹力#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 安培力★★★0~5选择、填空
2. 磁矩、磁力矩★★★★★★2~5选择、填空、大题
3. 洛伦兹力★★0~3选择、填空

1. 安培力#

基本概念和公式#

安培力:F=B⋅I⋅LF = B \cdot I \cdot L,条件:B⊥I⊥LB \perp I \perp L

一般情况:F=B⋅I⋅L⋅sin⁡αF = B \cdot I \cdot L \cdot \sin\alpha(α\alpha为电流方向与磁场方向夹角)

电流元受力:dF=BIdldF = BIdl,F=∫dFF = \int dF

右手定则:掌心向里,四指指向电流方向,大拇指指向受力方向

例题#

题1:如图所示,一根长直导线载有电流I1I_1,矩形回路载有电流I2I_2,两者共面,试计算:作用在回路各边上的安培力以及线圈所受合外力。

解:

  • ABAB段:F1=B⋅I⋅L=μ0I12πa⋅I2⋅l=μ0I1I2l2πaF_1 = B \cdot I \cdot L = \frac{\mu_0 I_1}{2\pi a} \cdot I_2 \cdot l = \frac{\mu_0 I_1 I_2 l}{2\pi a},朝左
  • BCBC段:dF=B⋅I⋅dx=μ0I12πxI2dxdF = B \cdot I \cdot dx = \frac{\mu_0 I_1}{2\pi x} I_2 dx,F2=∫dF=μ0I1I22πln⁡a+baF_2 = \int dF = \frac{\mu_0 I_1 I_2}{2\pi} \ln \frac{a+b}{a},朝上
  • CDCD段:F3=B⋅I⋅L=μ0I12π(a+b)⋅I2⋅l=μ0I1I2l2π(a+b)F_3 = B \cdot I \cdot L = \frac{\mu_0 I_1}{2\pi (a+b)} \cdot I_2 \cdot l = \frac{\mu_0 I_1 I_2 l}{2\pi (a+b)},朝右
  • DADA段:F4=F2=μ0I1I22πln⁡a+baF_4 = F_2 = \frac{\mu_0 I_1 I_2}{2\pi} \ln \frac{a+b}{a},朝下

合力:F=F1−F3=μ0I1I2l2π(1a−1a+b)F = F_1 - F_3 = \frac{\mu_0 I_1 I_2 l}{2\pi} \left( \frac{1}{a} - \frac{1}{a+b} \right)


题2:图示表示一段半圆形导线,通有电流II,圆的半径为RR,放在均匀磁场BB中,磁场与导线平面垂直,求磁场作用在半圆形导线上的安培力F=F =______。

解:F=B⋅I⋅L=B⋅I⋅2R=2BIRF = B \cdot I \cdot L = B \cdot I \cdot 2R = 2BIR

结论:任意形状的载流导线在均匀磁场中所受安培力等于连接导线两端的直导线所受的安培力


2. 磁矩、磁力矩#

基本概念和公式#

磁矩:pm=I⋅Sp_m = I \cdot S,单位:A⋅m2A \cdot m^2

磁力矩:M=Bpmsin⁡θM = B p_m \sin\theta(θ\theta为BB和pmp_m夹角)

特殊情况:

  • θ=π2\theta = \frac{\pi}{2}时,磁力矩最大:Mmax=BISM_{max} = BIS
  • θ=0\theta = 0时,磁力矩最小:Mmin=0M_{min} = 0

磁力矩做功:A=IΔΦmA = I \Delta \Phi_m

例题#

题1:一半径为R=0.10mR = 0.10m的圆形闭合线圈,通有稳恒电流I=10AI = 10A,则此线圈磁矩pmp_m的大小是______

解:pm=I⋅S=I⋅πR2=10×3.14×0.12=0.314A⋅m2p_m = I \cdot S = I \cdot \pi R^2 = 10 \times 3.14 \times 0.1^2 = 0.314 A \cdot m^2


题2:一正方形线圈,由细导线做成,边长为aa,共有NN匝,可以绕通过其相对两边中点的一个竖直轴自由转动,现在线圈中通有电流II,并把线圈放在均匀的水平外磁场B⃗\vec{B}中,求线圈磁矩与磁场B⃗\vec{B}的夹角为θ\theta时,线圈受到的转动力矩为______

解:单匝磁矩:pm=I⋅S=Ia2p_m = I \cdot S = Ia^2

单匝磁力矩:M=Bpmsin⁡θ=BIa2sin⁡θM = B p_m \sin\theta = BIa^2 \sin\theta

总磁力矩:M总=NM=NBIa2sin⁡θM_{总} = NM = NBIa^2 \sin\theta


题3:如图所示,半径为RR的半圆形载流线圈在均匀磁场B⃗\vec{B}中所受的磁力矩大小______

解:θ=π\theta = \pi,M=Bpmsin⁡π=0M = B p_m \sin\pi = 0


题4:一半圆形闭合线圈半径R=0.1mR = 0.1m,通过电流I=10AI = 10A,放在均匀磁场中,磁场方向与线圈平面平行,B=0.5TB = 0.5T

(1) 求线圈所受力矩的大小

(2) 若此线圈受力矩的作用转到线圈平面与磁场垂直的位置,则力矩做功多少?

解:

(1) 磁矩:pm=I⋅S=I⋅12πR2=10×12π×0.12=0.157A⋅m2p_m = I \cdot S = I \cdot \frac{1}{2}\pi R^2 = 10 \times \frac{1}{2}\pi \times 0.1^2 = 0.157 A \cdot m^2

磁力矩:M=Bpmsin⁡π2=0.5×0.157×1=7.85×10−2N⋅mM = B p_m \sin\frac{\pi}{2} = 0.5 \times 0.157 \times 1 = 7.85 \times 10^{-2} N \cdot m

(2) 磁通量该变量:ΔΦm=BS−0=BS\Delta \Phi_m = BS - 0 = BS

磁力矩做功:A=IΔΦm=IBS=10×0.5×12π×0.12=7.84×10−2JA = I \Delta \Phi_m = IBS = 10 \times 0.5 \times \frac{1}{2}\pi \times 0.1^2 = 7.84 \times 10^{-2} J


3. 洛伦兹力#

基本概念和公式#

洛伦兹力:F=BqvF = Bqv(v⊥Bv \perp B)

圆周运动半径:F=Bqv=mv2R⇒R=mvBqF = Bqv = m \frac{v^2}{R} \Rightarrow R = \frac{mv}{Bq}

周期:T=2πmBqT = 2\pi \frac{m}{Bq}

洛伦兹力不做功(力始终与速度垂直)

例题#

题1:

  • 一带电粒子平行磁感线射入匀强磁场,则它作匀速直线运动
  • 一带电粒子垂直磁感线射入匀强磁场,则它作匀速圆周运动
  • 一带电粒子与磁感线成任意角射入匀强磁场,则它作螺旋运动

题2:图为四个带电粒子在OO点沿相同方向垂直于磁感线射入均匀磁场后的偏转轨迹的照片。磁场方向垂直纸面向外,轨迹所对应的四个粒子的质量相等,电荷大小也相等,则其中动能最大的带负电的粒子的轨迹是( )

A. OaOa B. ObOb C. OcOc D. OdOd

解:Ek=12mv2E_k = \frac{1}{2}mv^2,R=mvBqR = \frac{mv}{Bq},RR越大则vv越大,EkE_k越大。负电荷受力方向与正电荷相反,选C


10磁介质,磁场能#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 磁介质中安培环路定理★★★★★5~10大题
2. 磁场能量★★2~3选择、填空

1. 磁介质中安培环路定理#

基本概念和公式#

磁介质中安培环路定理:∮H⃗⋅dl⃗=∑I内\oint \vec{H} \cdot d\vec{l} = \sum I_{内},适用介质和真空

真空中安培环路定理:∮B⃗⋅dl⃗=μ0∑I内\oint \vec{B} \cdot d\vec{l} = \mu_0 \sum I_{内}

磁场强度:H=Bμ0μr=BμH = \frac{B}{\mu_0 \mu_r} = \frac{B}{\mu}

磁感应强度与磁场强度关系:B=μ0μrH=μHB = \mu_0 \mu_r H = \mu H

磁导率:

  • μ\mu:磁导率
  • μ0\mu_0:真空中磁导率
  • μr\mu_r:相对磁导率,μr=BB0\mu_r = \frac{B}{B_0}

三种磁介质:

  • 顺磁质:μr>1\mu_r > 1
  • 抗磁质:μr<1\mu_r < 1
  • 铁磁质:μr≫1\mu_r \gg 1

真空中相对磁导率:μr=1\mu_r = 1,H=Bμ0H = \frac{B}{\mu_0}

例题#

题1:长直圆柱形铜导线,外面包一层相对磁导率为μr\mu_r的圆筒形磁介质。导线半径为R1R_1,磁介质的半径为R2R_2,导线内有均匀分布的电流II通过,铜的相对磁导率可取1,求导线和介质内外的磁场强度HH和磁感应强度BB的分布。

解:由∮H⃗⋅dl⃗=H⋅2πr=∑I内⇒H=∑I内2πr\oint \vec{H} \cdot d\vec{l} = H \cdot 2\pi r = \sum I_{内} \Rightarrow H = \frac{\sum I_{内}}{2\pi r},B=μ0μrHB = \mu_0 \mu_r H

  • r<R1r < R_1时(导线内部,μr=1\mu_r = 1): ∑I内=IπR12⋅πr2=Ir2R12\sum I_{内} = \frac{I}{\pi R_1^2} \cdot \pi r^2 = \frac{Ir^2}{R_1^2} H=Ir2πR12H = \frac{Ir}{2\pi R_1^2} B=μ0Ir2πR12B = \frac{\mu_0 Ir}{2\pi R_1^2}

  • R1<r<R2R_1 < r < R_2时(磁介质内部): ∑I内=I\sum I_{内} = I H=I2πrH = \frac{I}{2\pi r} B=μ0μrI2πrB = \frac{\mu_0 \mu_r I}{2\pi r}

  • r>R2r > R_2时(介质外部,真空): ∑I内=I\sum I_{内} = I H=I2πrH = \frac{I}{2\pi r} B=μ0I2πrB = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}


题2:磁介质有三种,用相对磁导率μr\mu_r表征它们的各自特性是( )

A. 顺磁质μr>0\mu_r > 0,抗磁质μr<0\mu_r < 0,铁磁质μr≫1\mu_r \gg 1

B. 顺磁质μr>1\mu_r > 1,抗磁质μr=1\mu_r = 1,铁磁质μr≫1\mu_r \gg 1

C. 顺磁质μr>1\mu_r > 1,抗磁质μr<1\mu_r < 1,铁磁质μr≫1\mu_r \gg 1

D. 顺磁质μr>0\mu_r > 0,抗磁质μr<0\mu_r < 0,铁磁质μr>1\mu_r > 1

解:选C


2. 磁场能量#

基本概念和公式#

磁能密度:wm=12B2μ0w_m = \frac{1}{2} \frac{B^2}{\mu_0}

磁场能:Wm=∫VwmdVW_m = \int_V w_m dV

例题#

题1:真空中一长直密绕螺线管通以电流II,管上单位长度绕nn匝导线,内部的磁能密度为wm=w_m =______

解:B=μ0nIB = \mu_0 nI wm=12B2μ0=μ0n2I22w_m = \frac{1}{2} \frac{B^2}{\mu_0} = \frac{\mu_0 n^2 I^2}{2}


题2:真空中一根无限长直细导线上通电流II,则距导线垂直距离为aa的空间某点处的磁能密度为( )

A. 12μ0(μ0I2πa)2\frac{1}{2} \mu_0 \left( \frac{\mu_0 I}{2\pi a} \right)^2

B. 12μ0(μ0I2πa)2\frac{1}{2\mu_0} \left( \frac{\mu_0 I}{2\pi a} \right)^2

C. 12(2πaμ0I)2\frac{1}{2} \left( \frac{2\pi a}{\mu_0 I} \right)^2

D. 12μ0(μ0I2a)2\frac{1}{2\mu_0} \left( \frac{\mu_0 I}{2a} \right)^2

解:B=μ0I2πaB = \frac{\mu_0 I}{2\pi a} wm=12B2μ0=12μ0(μ0I2πa)2w_m = \frac{1}{2} \frac{B^2}{\mu_0} = \frac{1}{2\mu_0} \left( \frac{\mu_0 I}{2\pi a} \right)^2

选B


11电磁感应#

(待整理:2.11电磁感应文件夹)


12自感和互感(选学)#

考点概览#

考点重要程度占分常见题型
1. 自感和互感★★0~3选择、填空
2. 麦克斯韦方程组★★★★★★2~5选择、填空

提示:查看自己往年试卷,看下是否考察这部分内容


1. 自感与互感#

基本概念和公式#

自感:

  • 自感系数:L=ΦIL = \frac{\Phi}{I}
  • 自感电动势:ε=LdIdt\varepsilon = L \frac{dI}{dt}

互感:

  • 互感系数:M=Φ2I1=Φ1I2M = \frac{\Phi_2}{I_1} = \frac{\Phi_1}{I_2}

例题#

题1:一无铁芯的长直螺线管,在保持其半径和总匝数不变的情况下,把螺线管拉长一些,则它的自感系数将( )

A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 不能确定

解:长直螺线管内的磁感应强度:B=μ0nI=μ0NlIB = \mu_0 nI = \mu_0 \frac{N}{l} I

磁通量:Φ=NBS=N⋅μ0NlI⋅πR2=μ0N2IlπR2\Phi = NBS = N \cdot \mu_0 \frac{N}{l} I \cdot \pi R^2 = \frac{\mu_0 N^2 I}{l} \pi R^2

自感系数:L=ΦI=μ0N2lπR2L = \frac{\Phi}{I} = \frac{\mu_0 N^2}{l} \pi R^2

拉长后ll增大,LL减小。选B


题2:一自感线圈中,电流强度在0.002s内均匀地由10A增加到12A,此过程中线圈内自感电动势为400V,则线圈的自感系数为L=L =______HH

解:由ε=LdIdt\varepsilon = L \frac{dI}{dt}: 400=L⋅12−100.002⇒L=0.4H400 = L \cdot \frac{12 - 10}{0.002} \Rightarrow L = 0.4 H


题3:一边长为aa的正方形线圈放在一根长直导线旁,线圈与直导线共面。其中线圈的中心距长直导线为3a2\frac{3a}{2},线圈的一组对边与直导线平行。此时,正方形线圈与直导线的互感系数为( )

A. μ0aπln⁡2\frac{\mu_0 a}{\pi} \ln 2 B. μ0a2πln⁡2\frac{\mu_0 a}{2\pi} \ln 2 C. μ02πln⁡2\frac{\mu_0}{2\pi} \ln 2 D. μ0πln⁡2\frac{\mu_0}{\pi} \ln 2

解:在xx处取窄条,宽为dxdx

dΦ=B⋅dS=μ0I2πx⋅adx=μ0Ia2πxdxd\Phi = B \cdot dS = \frac{\mu_0 I}{2\pi x} \cdot adx = \frac{\mu_0 I a}{2\pi x} dx

Φ=∫dΦ=∫a2aμ0Ia2πxdx=μ0Ia2πln⁡2\Phi = \int d\Phi = \int_{a}^{2a} \frac{\mu_0 I a}{2\pi x} dx = \frac{\mu_0 I a}{2\pi} \ln 2

M=Φ2I1=μ0Ia2πln⁡2I=μ0a2πln⁡2M = \frac{\Phi_2}{I_1} = \frac{\frac{\mu_0 I a}{2\pi} \ln 2}{I} = \frac{\mu_0 a}{2\pi} \ln 2

选B


2. 麦克斯韦方程组#

基本概念和公式#

1. 电场高斯定理 — 电场是有源场,电荷总伴随着电场 ∯D⃗⋅dS⃗=∑q=∫VρdV\oiint \vec{D} \cdot d\vec{S} = \sum q = \int_V \rho dV

2. 磁场高斯定理 — 磁场是无源场,磁力线闭合 ∯B⃗⋅dS⃗=0\oiint \vec{B} \cdot d\vec{S} = 0

3. 变化的电场产生磁场(全电流安培环路定理) ∮H⃗⋅dl⃗=I+Id=∬Sj⃗⋅dS⃗+∬S∂D⃗∂t⋅dS⃗\oint \vec{H} \cdot d\vec{l} = I + I_d = \iint_S \vec{j} \cdot d\vec{S} + \iint_S \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} \cdot d\vec{S}

4. 变化的磁场一定伴随着电场 ∮E⃗⋅dl⃗=−dΦdt=−∬S∂B⃗∂t⋅dS⃗\oint \vec{E} \cdot d\vec{l} = -\frac{d\Phi}{dt} = -\iint_S \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \cdot d\vec{S}

例题#

题1:反应电磁场基本性质和规律的积分形式的麦克斯韦方程为:

A. ∯SD⃗⋅dS⃗=∫VρdV\oiint_S \vec{D} \cdot d\vec{S} = \int_V \rho dV

B. ∮lE⃗⋅dl⃗=−∬S∂B⃗∂t⋅dS⃗\oint_l \vec{E} \cdot d\vec{l} = -\iint_S \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \cdot d\vec{S}

C. ∯SB⃗⋅dS⃗=0\oiint_S \vec{B} \cdot d\vec{S} = 0

D. ∮lH⃗⋅dl⃗=∬S(j⃗+∂D⃗∂t)dS⃗\oint_l \vec{H} \cdot d\vec{l} = \iint_S \left( \vec{j} + \frac{\partial \vec{D}}{\partial t} \right) d\vec{S}

试判断下列结论是包含于或等效于哪一个麦克斯韦方程式:

(1) 变化的磁场一定伴随有电场:B

(2) 变化的电场产生磁场:D

(3) 磁场是无源场,磁力线闭合:C

(4) 电荷总伴随着电场:A

大学物理B1
https://fairycrane.website/posts/physics-b1/
作者
仙鹤
发布于
2026-06-22
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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