物理学教程第二版课后答案.doc

第十二章电磁感应电磁场和电磁波121一根无限长平行直导线载有电流I，一矩形线圈位于导线平面内沿垂直于载流导线方向以恒定速率运动（如图所示），则（）（A） 线圈中无感应电流（B） 线圈中感应电流为顺时针方向（C） 线圈中感应电流为逆时针方向（D） 线圈中感应电流方向无法确定题 12-1 图分析与解由右手定则可以判断，在矩形线圈附近磁场垂直纸面朝里，磁场是非均匀场，距离长直载流导线越远，磁场越弱因而当矩形线圈朝下运动时，在线圈中产生感应电流，感应电流方向由法拉第电磁感应定律可以判定因而正确答案为（B）122 将形状完全相同的铜环和木环静止放置在交变磁场中，并假设通过两环面的磁通量随时间的变化率相等，不计自感时则（）（A） 铜环中有感应电流，木环中无感应电流（B） 铜环中有感应电流，木环中有感应电流（C） 铜环中感应电动势大，木环中感应电动势小（D） 铜环中感应电动势小，木环中感应电动势大分析与解根据法拉第电磁感应定律，铜环、木环中的感应电场大小相等，但在木环中不会形成电流因而正确答案为（A）123有两个线圈，线圈1对线圈2 的互感系数为M21 ，而线圈2 对线圈1的互感系数为M12 若它们分别流过i1 和i2 的变化电流且，并设由i2变化在线圈1 中产生的互感电动势为12 ，由i1 变化在线圈2 中产生的互感电动势为21 ，下述论断正确的是（）（A） ，（B） ，（C）， （D） ，分析与解教材中已经证明M21 M12 ，电磁感应定律；因而正确答案为（D）124对位移电流，下述说法正确的是（）（A） 位移电流的实质是变化的电场（B） 位移电流和传导电流一样是定向运动的电荷（C） 位移电流服从传导电流遵循的所有定律（D） 位移电流的磁效应不服从安培环路定理分析与解位移电流的实质是变化的电场变化的电场激发磁场，在这一点位移电流等效于传导电流，但是位移电流不是走向运动的电荷，也就不服从焦耳热效应、安培力等定律因而正确答案为（A）125下列概念正确的是（）（A） 感应电场是保守场（B） 感应电场的电场线是一组闭合曲线（C） ，因而线圈的自感系数与回路的电流成反比（D） ，回路的磁通量越大，回路的自感系数也一定大分析与解对照感应电场的性质，感应电场的电场线是一组闭合曲线因而正确答案为（B）126一铁心上绕有线圈100匝，已知铁心中磁通量与时间的关系为，式中的单位为Wb，t的单位为s，求在时，线圈中的感应电动势分析由于线圈有N 匝相同回路，线圈中的感应电动势等于各匝回路的感应电动势的代数和，在此情况下，法拉第电磁感应定律通常写成，其中称为磁链解线圈中总的感应电动势当 时，127 载流长直导线中的电流以的变化率增长.若有一边长为d的正方形线圈与导线处于同一平面内，如图所示.求线圈中的感应电动势. 分析 本题仍可用法拉第电磁感应定律，来求解.由于回路处在非均匀磁场中，磁通量就需用来计算. 为了积分的需要，建立如图所示的坐标系.由于B仅与x有关，即B=B(x)，故取一个平行于长直导线的宽为dx、长为d的面元dS，如图中阴影部分所示，则dS=ddx，所以，总磁通量可通过线积分求得（若取面元dS=dxdy，则上述积分实际上为二重积分）.本题在工程技术中又称为互感现象，也可用公式求解.解1 穿过面元dS的磁通量为因此穿过线圈的磁通量为再由法拉第电磁感应定律，有 解2 当两长直导线有电流I通过时，穿过线圈的磁通量为线圈与两长直导线间的互感为当电流以变化时，线圈中的互感电动势为题 12-7 图128有一测量磁感强度的线圈，其截面积S4.0 cm2 、匝数N160 匝、电阻R50线圈与一内阻Ri30的冲击电流计相连若开始时，线圈的平面与均匀磁场的磁感强度B相垂直，然后线圈的平面很快地转到与B的方向平行此时从冲击电流计中测得电荷值问此均匀磁场的磁感强度B 的值为多少？分析在电磁感应现象中，闭合回路中的感应电动势和感应电流与磁通量变化的快慢有关，而在一段时间内，通过导体截面的感应电量只与磁通量变化的大小有关，与磁通量变化的快慢无关工程中常通过感应电量的测定来确定磁场的强弱解在线圈转过90角时，通过线圈平面磁通量的变化量为因此，流过导体截面的电量为则 129如图所示，一长直导线中通有I5.0 A 的电流，在距导线9.0 cm处，放一面积为0.10 cm2 ，10匝的小圆线圈，线圈中的磁场可看作是均匀的今在1.0 102 s 内把此线圈移至距长直导线10.0 cm 处求：（1） 线圈中平均感应电动势；（2） 设线圈的电阻为1.0102，求通过线圈横截面的感应电荷题 12-9 图分析虽然线圈处于非均匀磁场中，但由于线圈的面积很小，可近似认为穿过线圈平面的磁场是均匀的，因而可近似用来计算线圈在始、末两个位置的磁链解 （1） 在始、末状态，通过线圈的磁链分别为,则线圈中的平均感应电动势为电动势的指向为顺时针方向（2） 通过线圈导线横截面的感应电荷为1210如图（）所示，把一半径为R 的半圆形导线OP 置于磁感强度为B的均匀磁场中，当导线以速率v 水平向右平动时，求导线中感应电动势E 的大小，哪一端电势较高？题 12-10 图分析本题及后面几题中的电动势均为动生电动势，除仍可由求解外（必须设法构造一个闭合回路），还可直接用公式求解在用后一种方法求解时，应注意导体上任一导线元l 上的动生电动势.在一般情况下，上述各量可能是l 所在位置的函数矢量（v B）的方向就是导线中电势升高的方向解1如图（）所示，假想半圆形导线OP 在宽为2R 的静止形导轨上滑动，两者之间形成一个闭合回路设顺时针方向为回路正向，任一时刻端点O 或端点P 距 形导轨左侧距离为x，则即由于静止的 形导轨上的电动势为零，则E 2RvB式中负号表示电动势的方向为逆时针，对OP 段来说端点P 的电势较高解2建立如图（c）所示的坐标系，在导体上任意处取导体元l，则由矢量（v B）的指向可知，端点P 的电势较高 解3连接OP 使导线构成一个闭合回路由于磁场是均匀的，在任意时刻，穿过回路的磁通量常数.由法拉第电磁感应定律可知，E 0又因 E EOP EPO即 EOP EPO 2RvB由上述结果可知，在均匀磁场中，任意闭合导体回路平动所产生的动生电动势为零；而任意曲线形导体上的动生电动势就等于其两端所连直线形导体上的动生电动势上述求解方法是叠加思想的逆运用，即补偿的方法1211长为L的铜棒，以距端点r 处为支点，以角速率绕通过支点且垂直于铜棒的轴转动.设磁感强度为B的均匀磁场与轴平行，求棒两端的电势差题 12-11 图分析应该注意棒两端的电势差与棒上的动生电动势是两个不同的概念，如同电源的端电压与电源电动势的不同在开路时，两者大小相等，方向相反（电动势的方向是电势升高的方向，而电势差的正方向是电势降落的方向）本题可直接用积分法求解棒上的电动势，亦可以将整个棒的电动势看作是OA 棒与OB 棒上电动势的代数和，如图（）所示而EOA 和EOB 则可以直接利用第122 节例1 给出的结果解1如图（）所示，在棒上距点O 为l 处取导体元l，则因此棒两端的电势差为当L 2r 时，端点A 处的电势较高解2将AB 棒上的电动势看作是OA 棒和OB 棒上电动势的代数和，如图（）所示其中,则1212如图所示，长为L 的导体棒OP，处于均匀磁场中，并绕OO轴以角速度旋转，棒与转轴间夹角恒为，磁感强度B 与转轴平行求OP 棒在图示位置处的电动势题 12-12 图分析如前所述，本题既可以用法拉第电磁感应定律 计算（此时必须构造一个包含OP导体在内的闭合回路， 如直角三角形导体回路OPQO），也可用来计算由于对称性，导体OP 旋转至任何位置时产生的电动势与图示位置是相同的解1由上分析，得 由矢量的方向可知端点P 的电势较高解2设想导体OP 为直角三角形导体回路OPQO 中的一部分，任一时刻穿过回路的磁通量为零，则回路的总电动势显然，EQO 0，所以由上可知，导体棒OP 旋转时，在单位时间内切割的磁感线数与导体棒QP 等效1213如图（）所示，金属杆AB 以匀速平行于一长直导线移动，此导线通有电流I 40 A求杆中的感应电动势，杆的哪一端电势较高？题 12-13 图分析本题可用两种方法求解方法1：用公式求解，建立图（a）所示的坐标系，所取导体元，该处的磁感强度方法2：用法拉第电磁感应定律求解，需构造一个包含杆AB 在内的闭合回路为此可设想杆AB在一个静止的导轨上滑动，如图（）所示设时刻t，杆AB 距导轨下端CD的距离为y，先用公式求得穿过该回路的磁通量，再代入公式，即可求得回路的电动势，亦即本题杆中的电动势解1根据分析，杆中的感应电动势为式中负号表示电动势方向由B 指向A，故点A 电势较高解2设顺时针方向为回路ABCD 的正向，根据分析，在距直导线x 处，取宽为x、长为y 的面元S，则穿过面元的磁通量为穿过回路的磁通量为回路的电动势为由于静止的导轨上电动势为零，所以式中负号说明回路电动势方向为逆时针，对AB导体来说，电动势方向应由B 指向A，故点A电势较高1214如图（）所示，在“无限长”直载流导线的近旁，放置一个矩形导体线框，该线框在垂直于导线方向上以匀速率v 向右移动，求在图示位置处，线框中感应电动势的大小和方向题 12 -14 图分析本题亦可用两种方法求解其中应注意下列两点：（1）当闭合导体线框在磁场中运动时，线框中的总电动势就等于框上各段导体中的动生电动势的代数和如图（）所示，导体eh 段和fg 段上的电动势为零此两段导体上处处满足，因而线框中的总电动势为其等效电路如图（）所示（2）用公式求解，式中是线框运动至任意位置处时，穿过线框的磁通量为此设时刻t 时，线框左边距导线的距离为，如图（c）所示，显然是时间t 的函数，且有在求得线框在任意位置处的电动势E（）后，再令d，即可得线框在题目所给位置处的电动势解1根据分析，线框中的电动势为由Eef Ehg 可知，线框中的电动势方向为efgh解2设顺时针方向为线框回路的正向根据分析，在任意位置处，穿过线框的磁通量为相应电动势为令d，得线框在图示位置处的电动势为由E 0 可知，线框中电动势方向为顺时针方向1215在半径为R 的圆柱形空间中存在着均匀磁场，B 的方向与柱的轴线平行如图（）所示，有一长为l 的金属棒放在磁场中，设B 随时间的变化率为常量试证：棒上感应电动势的大小为题 12-15 图分析变化磁场在其周围激发感生电场，把导体置于感生电场中，导体中的自由电子就会在电场力的作用下移动，在棒内两端形成正负电荷的积累，从而产生感生电动势由于本题的感生电场分布与上题所述情况完全相同，故可利用上题结果，由计算棒上感生电动势此外，还可连接OP、OQ，设想PQOP 构成一个闭合导体回路，用法拉第电磁感应定律求解，由于OP、OQ 沿半径方向，与通过该处的感生电场强度Ek 处处垂直，故，OP、OQ 两段均无电动势，这样，由法拉第电磁感应定律求出的闭合回路的总电动势，就是导体棒PQ 上的电动势证1由电磁感应定律，在r R 区域，解得该区域内感生电场强度的大小设PQ 上线元x 处，Ek的方向如图（b）所示，则金属杆PQ 上的电动势为证2由法拉第电磁感应定律，有讨论假如金属棒PQ 有一段在圆外，则圆外一段导体上有无电动势？ 该如何求解？1216截面积为长方形的环形均匀密绕螺绕环，其尺寸如图（）所示，共有N 匝（图中仅画出少量几匝），求该螺绕环的自感L题 12-16 图分析如同电容一样，自感和互感都是与回路系统自身性质（如形状、匝数、介质等）有关的量求自感L 的方法有两种：1设有电流I 通过线圈，计算磁场穿过自身回路的总磁通量，再用公式计算L2让回路中通以变化率已知的电流，测出回路中的感应电动势EL ，由公式计算L式中EL 和都较容易通过实验测定，所以此方法一般适合于工程中此外，还可通过计算能量的方法求解解用方法1 求解，设有电流I 通过线圈，线圈回路呈长方形，如图（）所示，由安培环路定理可求得在R1 r R2 范围内的磁场分布为由于线圈由N 匝相同的回路构成，所以穿过自身回路的磁链为则若管中充满均匀同种磁介质，其相对磁导率为r ，则自感将增大r倍1217如图所示，螺线管的管心是两个套在一起的同轴圆柱体，其截面积分别为S1 和S2 ，磁导率分别为1 和2 ，管长为，匝数为N，求螺线管的自感（设管的截面很小）题 12-17 图分析本题求解时应注意磁介质的存在对磁场的影响在无介质时，通电螺线管内的磁场是均匀的，磁感强度为B0 ，由于磁介质的存在，在不同磁介质中磁感强度分别为1 B0 和2 B0 通过线圈横截面的总磁通量是截面积分别为S1 和S2 的两部分磁通量之和由自感的定义可解得结果解设有电流I 通过螺线管，则管中两介质中磁感强度分别为,通过N匝回路的磁链为则自感1218有两根半径均为a 的平行长直导线，它们中心距离为d试求长为l的一对导线的自感（导线内部的磁通量可略去不计）题 12-18 图分析两平行长直导线可以看成无限长但宽为d 的矩形回路的一部分设在矩形回路中通有逆时针方向电流I，然后计算图中阴影部分（宽为d、长为l）的磁通量该区域内磁场可以看成两无限长直载流导线分别在该区域产生的磁场的叠加解在如图所示的坐标中，当两导线中通有图示的电流I 时，两平行导线间的磁感强度为穿过图中阴影部分的磁通量为则长为l 的一对导线的自感为如导线内部磁通量不能忽略，则一对导线的自感为L1 称为外自感，即本题已求出的L，L2 称为一根导线的内自感长为l的导线的内自感，有兴趣的读者可自行求解1219如图所示，在一柱形纸筒上绕有两组相同线圈AB 和AB，每个线圈的自感均为L，求：（1） A 和A相接时，B 和B间的自感L1 ；（2） A和B 相接时，A 和B间的自感L2 题 12-19 图分析无论线圈AB 和AB作哪种方式连接，均可看成一个大线圈回路的两个部分，故仍可从自感系数的定义出发求解求解过程中可利用磁通量叠加的方法，如每一组载流线圈单独存在时穿过自身回路的磁通量为，则穿过两线圈回路的磁通量为2；而当两组线圈按（1）或（2）方式连接后，则穿过大线圈回路的总磁通量为22，“ ”取决于电流在两组线圈中的流向是相同或是相反解（1） 当A 和A连接时，AB 和AB线圈中电流流向相反，通过回路的磁通量亦相反，故总通量为，故L1 0（2） 当A和B 连接时，AB 和AB线圈中电流流向相同，通过回路的磁通量亦相同，故总通量为，故本题结果在工程实际中有实用意义，如按题（1）方式连接，则可构造出一个无自感的线圈1220如图所示，一面积为4.0 cm2 共50 匝的小圆形线圈A，放在半径为20 cm 共100 匝的大圆形线圈B 的正中央，此两线圈同心且同平面设线圈A 内各点的磁感强度可看作是相同的求：（1） 两线圈的互感；（2） 当线圈B 中电流的变化率为50 A1 时，线圈A 中感应电动势的大小和方向题 12-20 图 分析设回路中通有电流I1 ，穿过回路的磁通量为21 ，则互感M M21 21/I1 ；也可设回路通有电流I2 ，穿过回路的磁通量为12 ，则 虽然两种途径所得结果相同，但在很多情况下，不同途径所涉及的计算难易程度会有很大的不同以本题为例，如设线圈B 中有电流I 通过，则在线圈A 中心处的磁感强度很易求得，由于线圈A 很小，其所在处的磁场可视为均匀的，因而穿过线圈A 的磁通量BS反之，如设线圈A 通有电流I，其周围的磁场分布是变化的，且难以计算，因而穿过线圈B 的磁通量也就很难求得，由此可见，计算互感一定要善于选择方便的途径解（1） 设线圈B 有电流I 通过，它在圆心处产生的磁感强度,穿过小线圈A 的磁链近似为则两线圈的互感为（2）线圈A中感应电动势的大小为互感电动势的方向和线圈B 中的电流方向相同1221如图所示，两同轴单匝线圈A、C 的半径分别为R 和r，两线圈相距为d若r很小，可认为线圈A 在线圈C 处所产生的磁场是均匀的求两线圈的互感若线圈C 的匝数为N 匝，则互感又为多少？题 12-21 图解设线圈A 中有电流I 通过，它在线圈C 所包围的平面内各点产生的磁感强度近似为穿过线圈C 的磁通为则两线圈的互感为若线圈C 的匝数为N 匝，则互感为上述值的N 倍1222如图所示，螺绕环A 中充满了铁磁质，管的截面积S 为2.0 cm2 ，沿环每厘米绕有100 匝线圈，通有电流I1 4.0 10 2 A，在环上再绕一线圈C，共10 匝，其电阻为0.10 ，今将开关 突然开启，测得线圈C 中的感应电荷为2.0 10 3 C求：当螺绕环中通有电流I1 时，铁磁质中的B 和铁磁质的相对磁导率r题 12-22 图分析本题与题12-8 相似，均是利用冲击电流计测量电磁感应现象中通过回路的电荷的方法来计算磁场的磁感强度线圈C 的磁通变化是与环形螺线管中的电流变化相联系的解当螺绕环中通以电流I1 时，在环内产生的磁感强度则通过线圈C 的磁链为设断开电源过程中，通过C 的感应电荷为qC ，则有由此得相对磁导率1223一个直径为0.01 m，长为0.10 m 的长直密绕螺线管，共1 000 匝线圈，总电阻为7.76 求：（1） 如把线圈接到电动势E 2.0 V 的电池上，电流稳定后，线圈中所储存的磁能有多少？ 磁能密度是多少？*（2） 从接通电路时算起，要使线圈储存磁能为最大储存磁能的一半，需经过多少时间？分析单一载流回路所具有的磁能，通常可用两种方法计算：方法 1： 如回路自感为L（已知或很容易求得），则该回路通有电流I 时所储存