《大學(xué)物理》 第二版 課后習(xí)題答案第七章

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1、習(xí)題精解 7-1一條無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線在一處彎折成半徑為R的圓弧，如圖7.6所示，若已知導(dǎo)線中電流強(qiáng)度為I,試?yán)帽葕W—薩伐爾定律求：（1）當(dāng)圓弧為半圓周時(shí)，圓心O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度；（2）當(dāng)圓弧為1/4圓周時(shí)，圓心O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 解（1）如圖7.6所示，圓心O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度可看作由3段載流導(dǎo)線的磁場(chǎng)疊加而成。因?yàn)閳A心O位于直線電流AB和DE的延長(zhǎng)線上，直線電流上的任一電流元在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為零，所以直線電流AB和DE段在O點(diǎn)不產(chǎn)生磁場(chǎng)。 根據(jù)比奧—薩伐爾定律，半圓弧上任一電流元在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 方向垂直紙面向內(nèi)

2、。半圓弧在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 方向垂直紙面向里。 （2）如圖7.6（b）所示，同理，圓心O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度可看作由3段載流導(dǎo)線的磁場(chǎng)疊加而成。因?yàn)閳A心O位于電流AB和DE的延長(zhǎng)線上，直線電流上的任一電流元在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為零，所以直線電流AB和DE段在O點(diǎn)不產(chǎn)生磁場(chǎng)。 根據(jù)畢奧—薩伐爾定理，1/4圓弧上任一電流元在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 方向垂直紙面向內(nèi)，1/4圓弧電流在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 方向垂直紙

3、面向里。 7.2 如圖7.7所示，有一被折成直角的無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線有20A電流，P點(diǎn)在折線的延長(zhǎng)線上，設(shè)a為，試求P點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度。 解 P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可看作由兩段載流直導(dǎo)線AB和BC所產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加而成。AB段在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，BC段在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 式中 。所以 方向垂直紙面向里。 7-3 如圖7.8所示，用畢奧—薩伐爾定律計(jì)算圖中O點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 解 圓心 O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度可看作由3段載流導(dǎo)線的磁場(chǎng)疊加而成， AB段在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

4、 式中 ，所以 方向垂直紙面向里。 同理，DE段在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 圓弧段在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 O點(diǎn)總的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 方向垂直紙面向里。 7-4 如圖7.9所示，兩根長(zhǎng)直導(dǎo)線沿半徑方向接到粗細(xì)均勻的鐵環(huán)上的A、B兩點(diǎn)，并與很遠(yuǎn)處的電源相接，試求環(huán)中心O點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 解 因?yàn)镺點(diǎn)在兩根長(zhǎng)直導(dǎo)線上的延長(zhǎng)線上，所以兩根長(zhǎng)直導(dǎo)線在O點(diǎn)不產(chǎn)生磁場(chǎng)

5、，設(shè)第一段圓弧的長(zhǎng)為，電流強(qiáng)度為，電阻為，第二段圓弧長(zhǎng)為，電流強(qiáng)度為，電阻為，因?yàn)?、2兩段圓弧兩端電壓相等，可得 電阻，而同一鐵環(huán)的截面積為S和電阻率是相同的，于是有 由于第一段圓弧上的任一線元在O點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 方向垂直紙面向里。 第一段圓弧在O點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 方向垂直紙面向里。 同理，第二段圓弧在O點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

6、 方向垂直紙面向外。 鐵環(huán)在O點(diǎn)所產(chǎn)生的總磁感應(yīng)強(qiáng)度為 7-5 在真空中有兩根互相平行的截流長(zhǎng)直導(dǎo)線和，相距0.1m，通有方向相反的電流,，如圖7.10所示，求所決定的平面內(nèi)位于兩側(cè)各距為0.05m的a,b兩點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。 解 截流長(zhǎng)直導(dǎo)線在空間產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為 長(zhǎng)直導(dǎo)線在a,b兩點(diǎn)產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為 方向垂直紙面向里 長(zhǎng)直導(dǎo)線在a,b兩點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

7、 長(zhǎng)直導(dǎo)線在a點(diǎn)產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為 方向垂直紙面向里 在b點(diǎn)產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為 方向垂直紙面向外 7-6 如圖7.11（a）所示載流長(zhǎng)直導(dǎo)線中的電流為I，求通過(guò)矩形面積CDEF的磁通量。 解 在矩形平面上取一矩形面元（如圖7.11（b））截流長(zhǎng)直導(dǎo)線的磁場(chǎng)穿過(guò)該面元的磁通量為 通過(guò)矩形面積的總磁通量為 7-7 一載流無(wú)限長(zhǎng)直圓筒，內(nèi)半徑為a，外半徑為b，

8、傳到電流為，電流沿軸線方向流動(dòng)，并均勻的分布在管的橫截面上，求磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。 解 建立如圖7.12所示半徑為r的安培回路，由電流分布的對(duì)稱性，L上各點(diǎn)值相等，方向沿圓的切線，根據(jù)安培環(huán)路定理有 可得 其中是通過(guò)圓周L內(nèi)部的電流. 當(dāng)時(shí)， 當(dāng)時(shí)， 當(dāng)時(shí)， 7-8 一根很長(zhǎng)的電纜由半徑為的導(dǎo)體圓柱，以及內(nèi)外半徑分別為和的同軸導(dǎo)體圓柱構(gòu)成。電流從一導(dǎo)體流出，又從另一導(dǎo)體流回

9、，電流都沿軸線方向流動(dòng)，并均勻分布在其橫截面上，設(shè)r為到軸線的垂直距離，試求磁感應(yīng)強(qiáng)度隨r的變化。 解 由電流分布具有軸對(duì)稱性，可知相應(yīng)的磁場(chǎng)分布也具有軸對(duì)稱性，根據(jù)安培環(huán)路定理，有 可得 其中是通過(guò)圓周L內(nèi)部的電流， 當(dāng)時(shí)， 當(dāng)時(shí)， 當(dāng) 時(shí)， 當(dāng)時(shí)， 7-9一根很長(zhǎng)的同軸電纜，由一導(dǎo)線圓柱（半徑為a）和一同軸的導(dǎo)線圓管（內(nèi)、外半徑分別為b、c）構(gòu)成。使用時(shí)，電流I從一導(dǎo)體流出，從另一導(dǎo)體流

10、回。設(shè)電流都是均勻分布在導(dǎo)體的橫截面上，求：（1）導(dǎo)體圓柱內(nèi)（rc）各點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。 解 如圖7.13所示，由電流分布具有軸對(duì)稱性可知，相應(yīng)的磁場(chǎng)分布也具有軸對(duì)稱性。根據(jù)安培環(huán)路定理有 可得 其中是通過(guò)圓周L內(nèi)部的電流 （1）當(dāng)時(shí)， （2）當(dāng)時(shí)， （3）當(dāng)時(shí)， （4）當(dāng)時(shí)， 7-10

11、一載有電流的硬導(dǎo)線，轉(zhuǎn)折處為半徑為的四分之一圓周ab。均勻外磁場(chǎng)的大小為，其方向垂直于導(dǎo)線所在的平面，如圖7.14所示，求圓弧ab部分所受的力。 解 在圓弧ab上取一電流元，此電流元所受安培力為 把沿軸正交分解，有圖7.14有 由于，所以 因此 整個(gè)圓弧ab所受的安培力為 7-11

12、 用鉛絲制作成半徑為的圓環(huán)，圓環(huán)中載有電流，把圓環(huán)放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的方向與環(huán)面垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為，試問(wèn)圓環(huán)靜止時(shí)，鉛絲內(nèi)部張力為多少？ 解 如圖7.15所示，整個(gè)圓環(huán)所受的合力為零，圓環(huán)靜止不動(dòng)。欲求圓環(huán)內(nèi)部任意一點(diǎn)的張力，可把圓環(huán)沿直徑分為左右兩部分，其中左半部分所受的安培力為，而左半部分又保持靜止不動(dòng)，則必有 鉛絲內(nèi)部張力為 7-12 通以電流的導(dǎo)線abcd形狀如圖7.16所示，,bc弧是半徑為R的半圓周，置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中，B的方向垂直紙

13、面向里。求此導(dǎo)線受到的安培力的大小和方向。 解 建立如圖7.16所示的坐標(biāo)系。由安培定理得兩線段和受力大小相等，方向相反，二力合力為零，導(dǎo)線所受力即為半圓弧所受力。 在bc弧上任取一電流元，其受力為 由對(duì)稱性可知 導(dǎo)線所受力 7-13 直徑的圓形線圈，共10匝，通以的電流時(shí)，問(wèn)：（1）它的磁矩是多少 ？（2）若將該線圈置于的磁場(chǎng)中，它受到的最大磁力矩是多少？ 解 （1）載流圓形線圈的磁矩大小為

14、 （2）線圈置于的磁場(chǎng)中，它受到的最大磁力矩是 7-14 一電子動(dòng)能為，在垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，已知磁感應(yīng)強(qiáng)度，試求電子的軌道半徑和回旋周期。 解 電子的軌道半徑 電子回旋周期 7-15 正電子的質(zhì)量和電量都與電子相同，但它帶的是正電荷，有一個(gè)正電子在的均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能為，它的速度 與成60角。試求該正電子所做的螺旋線的運(yùn)動(dòng)的周期、半徑和螺距。 解 將分解為平行和垂直與B的分量，有

15、 回旋周期 螺旋線的半徑為 螺旋線的螺距為 7-16 如圖7.17所示，一塊長(zhǎng)方形半導(dǎo)體樣品放在面上，其長(zhǎng)、寬和厚度依次沿和軸的方向，沿軸方向有電流通過(guò)，在軸方向加有均勻磁場(chǎng)。現(xiàn)測(cè)得。在寬度為，兩側(cè)的電勢(shì)差。（1）試問(wèn)這塊半導(dǎo)體是正電荷導(dǎo)電（P型）還是負(fù)電荷導(dǎo)電（N型）？（2）試求載流子的濃度。 解 （1）這塊半導(dǎo)體是正電荷導(dǎo)電（P型）。 利用霍爾公式可得 7-17 螺繞環(huán)

16、中心周長(zhǎng)，環(huán)上均勻密繞線圈200匝，線圈中通有電流。若管內(nèi)充滿相對(duì)磁導(dǎo)率的均勻磁介質(zhì)，則管內(nèi)的和的大小各是多少？ 解 以 螺繞環(huán)中心為軸，作半徑的圓周。根據(jù)磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理，有 所以 7-18 一無(wú)限長(zhǎng)圓柱形直導(dǎo)線外包一層磁導(dǎo)率為的圓筒形磁介質(zhì)，導(dǎo)線半徑為，磁介質(zhì)的外半徑為導(dǎo)線內(nèi)，有電流通過(guò)，且電流沿導(dǎo)線橫截面均勻分布。求磁介質(zhì)內(nèi)外的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。 解 以圓柱形直導(dǎo)線中心為軸，作半徑為的圓周。 根據(jù)磁介質(zhì)中的安培環(huán)路定理，有 當(dāng)時(shí)， 當(dāng)時(shí)， 當(dāng)時(shí)，