Savchenko_O_Ya__FMSh_NGU__Zadachi_po_fizike

Глава 6

Электростатика

§ 6.1. Закон Кулона.

Напряженность электрического поля )

6.1.1. а. Найдите силу взаимодействия зарядов 1 и 2 Кл на расстоянии 1 км друг от друга.

б. С какой силой взаимодействуют два электрона на расстоянии 10−8 см? Во сколько раз эта сила больше силы их гравитационного притяжения?

6.1.2.Сила взаимодействия между двумя одинаковыми зарядами на расстоянии 1 м равна 1 Н. Определите эти заряды в СИ и в СГС.

6.1.3.а. Сила, действующая на заряд 1 Кл, равна 1 Н. Чему равна напряженность электрического поля, действующего на этот заряд, в СИ и СГС?

б. Сила, действующая на заряд 10 СГС, равна 100 дин. Чему равна напряженность электрического поля, действующего на этот заряд, в СИ и СГС?

6.1.4.Чему равна напряженность электрического поля, создаваемого зарядом 10 Кл, в СИ и СГС на расстоянии 1 и 20 м от него? С какой силой действуют эти электрические поля на заряд 0,001 Кл? на заряд 1000 СГС?

6.1.5.Предположим, что удалось бы разделить 1 см3 воды на разноименные заряды, которые затем удалили друг от друга на расстояние 100 км. С какой силой притягивались бы эти заряды?

6.1.6.Какой заряд приобрел бы 1 см3 железа, если бы удалось убрать 1 % содержащихся в нем электронов?

♦6.1.7. Три заряда q1, q2, q3 связаны друг с другом двумя нитями. Длина каждой нити l. Найдите их силу натяжения.

♦6.1.8. На концах горизонтальной трубы длины l закреплены положитель-

ные заряды q1 и q2. Найдите положение равновесия шарика с положительным зарядом q, который помещен внутрь трубы. Устойчиво ли это положение равновесия? Будет ли положение равновесия отрицательно заряженного шарика в трубе устойчивым?

) Если в задаче не приводится значение диэлектрической проницаемости вещества, считать ее равной единице.

151

♦6.1.9. Два одинаково заряженных шарика массы m, подвешенных в одной точке на нитях длины l, разошлись так, что угол между нитями стал прямым. Определите заряд шариков.

♦6.1.10. Четыре положительных заряда q, Q, q, Q связаны пятью нитями так, как показано на рисунке. Длина каждой нити l. Определите силу натяжения нити, связывающей заряды Q > q.

♦6.1.11. Четыре положительных заряда Q, q, Q, q связаны четырьмя нитями так, как показано на рисунке. Длина каждой нити l. Определите углы между

6.1.12. В атоме водорода электрон движется вокруг протона с угловой скоростью 1016 рад/с. Найдите радиус орбиты.

♦6.1.13. Вокруг заряда q вращаются по круговой орбите, располагаясь в углах квадрата со стороной l, четыре одинаковых частицы массы m и заряда −q каждая. Заряд q находится в центре этого квадрата. Определите угловую скорость движения частиц по орбите.

♦6.1.14 . Какой минимальный заряд q нужно закрепить в нижней точке сферической полости радиуса R, чтобы в поле тяжести небольшой шарик массы m и заряда Q находился в верхней точке полости в положении устойчивого равновесия

♦6.1.15. Два заряда q, соединенных резиновыми шнурами с неподвижными стенками так, как показано на рисунке, находятся на расстоянии 2a друг от друга. Расстояние между стенками 2l, длина каждого недеформированного шнура l. Определите их жесткость.

♦6.1.16 . Семь одинаковых зарядов q связаны друг с другом одинаковыми упругими нитями так, как показано на рисунке. Расстояние между ближайшими зарядами l. Определите силу натяжения каждой нити.

152

♦ 6.1.17. Чему равна напряженность электрического поля в центре равномерно заряженного тонкого кольца радиуса R? Чему она равна на оси кольца на расстоянии h от центра? Заряд кольца Q.

6.1.18 . Чему равна напряженность электрического поля равномерно заряженной нити длины l на прямой, которая является продолжением нити, на расстоянии x от ближайшего ее конца? Заряд единицы длины нити ρ.

♦ 6.1.19. Докажите, что составляющая напряженности электрического поля, перпендикулярная поверхности равномерно заряженного участка плоскости, равна E = σΩ/(4πε0), где Ω — телесный угол, под которым виден этот участок из рассматриваемой точки пространства, σ — поверхностная плотность заряда. Определите, пользуясь этим, напряженность электрического поля:

а) в центре куба, пять граней которого равномерно заряжены с поверхностной плотностью заряда σ, а одна грань не заряжена;

б) в центре правильного тетраэдра, три грани которого заряжены с поверхностной плотностью σ1, а четвертая — с поверхностной плотностью заряда σ2; в) равномерно заряженной плоскости, если поверхностная плотность заря-

да σ; г) на оси длинной трубы с сечением в виде правильного треугольника, если

поверхностная плотность заряда граней треугольника трубы равна соответствен-

но σ1, σ2, σ3;

д ) в вершине конуса с углом при вершине α и высоты h, равномерно заряженного с объемной плотностью заряда ρ;

е ) на ребре длинного бруска, равномерно заряженного с объемной плотностью заряда ρ; поперечное сечение бруска — правильный треугольник со стороной l.

♦ 6.1.20. а. Равномерно заряженную сферу вместе с закрепленными на ее поверхности зарядами сжали в одном направлении в n раз, превратив ее в эллип-

153

соид. Докажите, что электрическое поле внутри такого эллипсоида равно нулю. Для доказательства разбейте поверхность эллипсоида на пары малых площадок так, как это изображено на рисунке.

б. Будет ли по-прежнему отсутствовать поле внутри длинной круглой трубы с равномерно заряженной поверхностью, если ее вместе с закрепленными поверхностными зарядами сжать в поперечном направлении?

6.1.21. а. Металлическое кольцо разорвалось кулоновскими силами, когда заряд кольца был равен Q. Сделали точно такое же новое кольцо, но из материала, прочность которого в десять раз больше. Какой заряд разорвет новое кольцо?

б. Какой заряд разорвет новое кольцо, сделанное из прежнего материала, если все размеры нового кольца в три раза больше размеров старого?

§6.2. Поток напряженности электрического поля. Теорема Гаусса

♦6.2.1. а. Напряженность однородного электрического поля равна E. Чему

равен поток напряженности электрического поля через квадрат со стороной l, плоскость которого расположена под углом 30◦ к направлению электрического поля?

б. При расчете потока напряженности электрического поля через замкнутую поверхность потоки, входящие вовнутрь, берутся со знаком минус, выходящие вовне потоки берутся со знаком плюс. Используя это правило, найдите отрицательные и положительные потоки однородного электрического поля напряженности E через замкнутую поверхность прямой трехгранной призмы, высота которой h. Передняя грань призмы, ширина которой равна h, перпендикулярна E, нижняя грань параллельна E.

в . Докажите, что поток напряженности однородного электрического поля через любую замкнутую поверхность равен нулю.

♦ 6.2.2. Чему равен поток напряженности однородного электрического поля через боковую поверхность усеченного конуса, радиусы сечения которого равны R и r? Напряженность электрического поля E составляет угол α с осью конуса.

154

♦6.2.3. Докажите, что поток напряженности электрического поля точечного заряда Q через любую поверхность равен телесному углу, под которым видна эта поверхность, умноженному на Q/(4πε0).

6.2.4.Поток напряженности электрического поля через плоскую поверхность, равномерно заряженной с поверхностной плотностью заряда σ, равен Φ. Чему равна электрическая сила, действующая на пластину в направлении, перпендикулярном ее плоскости?

6.2.5.а. С какой силой действует электрический заряд q на равномерно заряженную бесконечную плоскость? С какой силой действует эта плоскость на заряд? Чему равна напряженность электрического поля плоскости? Поверхностная плотность заряда σ.

б. С какой силой действует на каждую грань тетраэдра заряд q, помещенный в его центре? Поверхностная плотность заряда граней σ.

6.2.6.Используя теорему Гаусса, определите напряженность электрического

поля:

а) внутри и вне равномерно заряженной сферы, если полный заряд сферы Q; б) равномерно заряженной бесконечной нити, если заряд единицы длины ни-

ти ρ; в) равномерно заряженной бесконечной плоскости, если поверхностная плот-

ность заряда плоскости σ;

г) внутри и вне равномерно заряженного шара радиуса R, если объемная плотность заряда ρ; нарисуйте график зависимости напряженности электрического поля от расстояния до центра шара;

д) внутри и вне равномерно заряженного бесконечного цилиндра радиуса R, если объемная плотность заряда внутри цилиндра равна ρ; нарисуйте график зависимости напряженности электрического поля от расстояния до оси цилиндра; е) вне и внутри равномерно заряженной бесконечной пластины толщины h, если объемная плотность заряда в пластине равна ρ; нарисуйте график зависимости напряженности электрического поля от расстояния до центральной плоскости

пластины.

6.2.7.Найдите распределение объемной плотности электрического заряда:

а) в шаре радиуса R (напряженность электрического поля E0 в шаре направлена вдоль его радиуса и не меняется по модулю); б) в бесконечном цилиндре радиу-

са R (напряженность электрического поля E0 в цилиндре направлена вдоль его радиуса и не меняется по модулю).

6.2.8 . С какой силой расталкиваются равномерно заряженные грани куба? тетраэдра? Поверхностная плотность заряда граней σ, длина ребра l.

6.2.9.Чему равна напряженность электрического поля между двумя параллельными бесконечными плоскостями с поверхностной плотностью заряда ±σ? σ и σ? Чему равна напряженность поля вне плоскостей?

♦6.2.10. Две пересекающиеся под углом α бесконечные плоскости делят пространство на четыре области. Чему равна напряженность электрического поля в областях 1 и 2, если поверхностная плотность заряда плоскостей ±σ?

155

♦6.2.11. Две бесконечные пластины толщины h заряжены равномерно по объему и сложены вместе. Объемная плотность заряда первой пластины ρ, а второй −ρ. Найдите максимальную напряженность электрического поля.

♦6.2.12. В равномерно заряженной бесконечной пластине вырезали сферическую полость так, как показано на рисунке. Толщина пластины h, объемная плотность заряда ρ. Чему равна напряженность электрического поля в точке A? в точке B? Найдите зависимость напряженности электрического поля вдоль прямой OA от расстояния до точки O.

♦6.2.13 . В равномерно заряженном шаре радиуса R вырезали сферическую полость радиуса r, центр которой находится на расстоянии l от центра шара. Объемная плотность заряда ρ. Найдите напряженность электрического поля вдоль прямой, проходящей через центр полости и центр шара. Докажите, что электрическое поле в полости однородно.

♦6.2.14 . а. При пересечении двух шаров радиуса R, центры которых находятся на расстоянии l друг от друга, образуются два «полумесяца», равномерно заряженные разноименными электрическими зарядами. Объемная плотность электрического заряда слева −ρ, справа ρ. Докажите, что электрическое поле в области пересечения шаров однородно. Найдите напряженность этого поля.

б. Используя результаты задачи 6.2.14 а и применяя метод предельного перехода: l → 0, ρ → ∞, lρ = const, найдите распределение заряда на сфере радиуса R, которое даст внутри сферы однородное электрическое поле напряженности E. Как связана с напряженностью поля максимальная поверхностная плотность заряда?

6.2.15 . С помощью теоремы Гаусса докажите, что система электрически взаимодействующих частиц не может находиться в состоянии устойчивого равновесия.

§ 6.3. Потенциал электрического поля.

Проводники в постоянном электрическом поле

6.3.1. а. Потенциал заряженного проводника 300 В. Какой минимальной скоростью должен обладать электрон, чтобы улететь с поверхности проводника на бесконечно далекое от него расстояние?

б. Протон на большом расстоянии от проводника имел скорость 108 см/с. Потенциал проводника −10 СГС. Траектория протона заканчивается на поверхности проводника. Какую скорость имел протон вблизи поверхности?

6.3.2. а. Определите разность потенциалов электрического поля между точками 1 и 2, если известно, что электрон, двигаясь в этом электрическом поле в отсутствие других сил, в точке 1 имел скорость 109 см/с, а в точке 2 — скорость

2 ·109 см/с. Чему была бы равна скорость электрона в точке 2, если бы в точке 1 электрон имел нулевую скорость?

156

б. В электронной лампе электроны «ускоряются разностью потенциалов» 220 В. Чему равна скорость электронов при попадании их на анод?

6.3.3.Заряд 0,1 Кл удален от заряда 0,2 Кл на расстояние 20 м. Чему равен потенциал поля в середине отрезка, соединяющего заряды?

6.3.4.В вершинах квадрата со стороной l находятся четыре заряда q. Чему равен потенциал поля в центре квадрата?

♦6.3.5. Заряды 10−9 Кл каждый находятся в углах квад-

рата со стороной 10 см. Найдите разность потенциалов в поле этих зарядов между центром квадрата (1) и серединой одной из сторон квадрата (2).

6.3.6.Заряды 100, 10, 1, −10, −1, −10 СГС находятся

ввершинах правильного шестиугольника со стороной 2 см. Чему равен потенциал поля в центре шестиугольника в СИ и СГС?

6.3.7.Сфера радиуса R имеет заряд Q. Чему равен потенциал поля в центре сферы? Зависит ли потенциал в центре сферы от распределения зарядов на сфере? Зависит ли потенциал поля на поверхности сферы от распределения заряда по сфере?

6.3.8.Почему электрическое поле внутри проводника равно нулю? Почему электрическое поле на поверхности проводника перпендикулярно к ней? Достаточно ли этих условий, чтобы потенциал в любой точке проводника был одинаков?

6.3.9.Используя теорему Гаусса, докажите, что объемная плотность электрического заряда внутри проводника равна нулю и что поверхностная плотность заряда проводника σ связана с напряженностью электрического поля E вне проводника вблизи его поверхности соотношением E = σ/ε0.

6.3.10.а. Докажите, что внешнее электрическое поле эллипсоида из задачи 6.1.20а перпендикулярно его поверхности.

б. Проводящий эллипсоид получен из сферы уменьшением ее размеров в одном направлении в n раз. Длина большой полуоси эллипсоида R, его полный заряд Q. Определите максимальную и минимальную напряженность внешнего электрического поля вблизи поверхности эллипсоида.

♦ в. Определите максимальную напряженность электрического поля длинного металлического заряженного провода эллиптического сечения. Длина малой полуоси эллипса b, линейная плотность заряда провода ρ.

♦ 6.3.11. Две бесконечные проводящие изолированные плиты заряжены так, что суммарная поверхностная плотность заряда обеих сторон первой плиты рав-

на σ1, а второй σ2. Плиты параллельны друг другу. Найдите поверхностную плотность заряда на каждой стороне плит.

6.3.12. а. Две параллельные разноименно заряженные металлические пластины находятся друг от друга на расстоянии 1 см, много меньшем размеров пластин. Поверхностная плотность заряда пластин ±3 СГС/см2. Определите разность потенциалов между пластинами в СГС и СИ.

б. Две параллельные разноименно заряженные металлические пластины находятся друг от друга на расстоянии 5 см, много меньшем размеров пластин.

157

Поверхностная плотность заряда пластин ±10−10 Кл/см2. Определите разность потенциалов между пластинами в СГС и СИ.

6.3.13.Чему равна разность потенциалов между крайними пластинами в системе, состоящей из трех параллельных бесконечных пластин, заряженных од-

ноименными зарядами с поверхностной плотностью заряда σ1, σ2, σ3? Средняя пластина находится на расстоянии h1 от первой и на расстоянии h2 от третьей пластины.

6.3.14.Найдите напряженность электрического поля между тремя пластинами в случае, если средняя пластина заземлена. Расстояния между средней пластиной и крайними a и b. Потенциал крайних пластин ϕ.

♦6.3.15. а. Между двумя заземленными ме-

таллическими пластинами находится одинаковая с ним по размерам тонкая пленка с поверхностной плотностью заряда σ. Расстояние от нее до верхней пластины a, до нижней b (a и b много меньше линейных размеров пластин). Найдите напряжен-

ность электрического поля вблизи верхней и нижней пластин. Определите поверхностную плотность заряда, индуцируемого на них.

б . Между заземленными параллельными пластинами на расстоянии a и b от них находится заряд q. Линейные размеры пластин много больше расстояния между ними. Докажите, что заряды, индуцируемые на заземленных пластинах, не изменятся, если заряд q распределить по плоскости, лежащей между пластинами на том же расстоянии, что и заряд q. Определите заряд пластин.

♦6.3.16. В полости металлического шара радиуса R находится заряд Q. Найдите заряд, индуцируемый этим зарядом на поверхности полости. Почему на поверхности шара заряд будет распределен с постоянной плотностью? Чему равна поверхностная плотность заряда шара, если его полный заряд равен нулю? Найдите напряженность электрического поля вне шара на расстоянии L от его центра в случае, если его полный заряд равен q. Зависит ли это поле от месторасположения полости в шаре? от ее формы?

♦6.3.17 . Внутри полости длинного незаряженного проводника, радиус которого r, находится заряд q. Проводник окружен цилиндрическим экраном радиуса R. Длина проводника L R. Как зависит в средней части системы напряженность электрического поля вне полости от расстояния до оси этой системы?

6.3.18. В однородном электрическом поле находится проводник, суммарный заряд которого равен нулю. Изменится ли поверхностная плотность заряда, если все размеры проводника уменьшить в n раз?

♦ 6.3.19. Металлический шар радиуса 10 см помещен внутрь сферической металлической оболочки, имеющей внешний радиус 30 см и толщину 10 см, так, что их центры совпадают. На шаре находится заряд 10−5 Кл, на оболочке — заряд 8 · 10−5 Кл. Постройте график зависимости потенциала электрического поля от расстояния до центра шара.

158

6.3.20.Три проводящие концентрические сферы радиуса r, 2r и 3r имеют заряд соответственно q, 2q и −3q. Определите потенциал на каждой сфере.

6.3.21.Потенциал внутренней сферы радиуса r равен нулю (сфера заземлена). Потенциал внешней сферы радиуса 2r равен ϕ. Определите заряд сфер. Центры сфер совпадают.

6.3.22.Металлический шар радиуса R1, заряженный до потенциала ϕ, окружают концентрической проводящей незаряженной оболочкой радиуса R2. Чему станет равен потенциал шара, если заземлить оболочку? соединить шар с оболочкой проводником?

♦6.3.23. Система состоит из двух концентрических проводящих сфер — внут-

ренней радиуса R1 и внешней радиуса R2. Внутренняя сфера имеет заряд q, а внешняя заземлена. Найдите напряженность и потенциал электрического поля в зависимости от расстояния до центра сфер.

6.3.24.Система состоит из двух концентрических проводящих сфер — внут-

ренней радиуса R1 и внешней радиуса R2. Внешняя сфера имеет заряд q, а внутренняя заземлена. Найдите напряженность и потенциал электрического поля в зависимости от расстояния до центра сфер.

6.3.25.Равномерно заряженный шар радиуса R имеет объемную плотность заряда ρ. Найдите напряженность поля и потенциал шара в зависимости от расстояния до его центра.

6.3.26.Чему равна разность потенциалов между центром и поверхностью равномерно заряженного шара радиуса R, имеющего объемную плотность заряда ρ? Между осью и поверхностью равномерно заряженного бесконечного цилиндра радиуса R, имеющего объемную плотность заряда ρ? Между поверхностью равномерно заряженной пластины толщины h, имеющей объемную плотность заряда ρ, и серединой пластины?

6.3.27.Бесконечный заряженный цилиндр радиуса r имеет объемную плотность заряда ρ и окружен соосной с ним заземленной цилиндрической металлической поверхностью радиуса R. Найдите зависимость потенциала поля этой системы от расстояния до оси цилиндра.

6.3.28.Точечный заряд Q находится на расстоянии h от бесконечной металлической плоскости. Какая сила действует на заряд со стороны плоскости?

6.3.29.По одну сторону от незаряженной металлической плоскости на расстоянии h от нее находятся два одинаковых заряда Q. Определите силу, действующую на каждый из зарядов, если расстояние между ними 2h.

♦6.3.30. Две бесконечные проводящие плоскости, пересекаясь под прямым углом, делят пространство на четыре области. В области I находится заряд q на одинаковом расстоянии l от обеих плоскостей. Есть ли электрическое поле в об-

ластях II–IV? Какая сила действует на заряд q?

6.3.31 . Точечный заряд q находится на расстоянии L от центра изолированного металлического шара радиуса R < L. Полный заряд шара равен нулю. Чему равен потенциал шара?

159

♦ 6.3.32 . Чему равен заряд, индуцируемый на поверхности заземленного металлического шара точечным зарядом q, расположенным на расстоянии L от центра шара? Радиус шара R < L.

6.3.33. Как изменится сила взаимодействия заряженной металлической сферы радиуса R с точечным зарядом q, который находится на расстоянии L от ее центра, если заряд сферы увеличить на Q?

♦6.3.34. Однородно заряженный положительным зарядом обруч опирается на четыре ролика и может вращаться. Один участок обруча проходит через отверстие, сделанное в параллельных разноименно заряженных пластинах. По мысли изобретателя, участок обруча, находящийся между пластинами, будет притягиваться к отрицательной пластине и отталкиваться от положительной. Вне пластин поля нет. Таким образом, будет поддерживаться вращение обруча даже при наличии сопротивления движению — получается вечный двигатель. В чем ошибка изобретателя? Докажите, что момент сил, действующий на такой обруч в любом электростатическом поле, равен нулю.

♦6.3.35. Из капельницы 1 в полый изолированный металлический шар 2 радиуса R падают капли воды, каждой из которых сообщают заряд q. Какой должна быть наименьшая высота падения капель для того, чтобы шар заполнился водой? Радиус капли r R.

♦ 6.3.36. С помощью электрофорной машины металлический шарик 1 можно зарядить до заряда Q. Затем, через соприкосновение с металлическим же шариком 2, можно передать тому часть заряда. При первом соприкосновении на шарик 2 перешел заряд q. Определите, до какого заряда, многократно повторяя процесс, можно зарядить шарик 2.

6.3.37. Как, имея металлический шарик с зарядом Q, зарядить другой проводник зарядом, б´ольшим Q?

160