高斯定理在电场中的应用.docVIP

简析高斯定理在电场中的应用 河南平顶山工业职业技术学院 467001 王广云 冯小妞 摘要：本文主要介绍了电通量、高斯定理、高斯定理在对称电场的应用及解题步骤. 关键词：电通量；高斯定理；对称电场；应用；步骤 Simple Analysis of the Application of Gauss Theorem in electric field Pingdingshan Industrial College of Technology 467001 Wang guangyun Feng xiaoniu Abstract: The article mainly elaborated the electric flux, the Gauss Theorem, the application of Gauss Theorem in the symmetrical electric field and the steps of sovlng problems. Key word: electric flux; Gauss Theorem; Symmetrical electric field; application; step 高斯定理是物理学中电学部分的重要定理之一，在简化计算具有对称性的电场中有着重要应用，例如均匀带电的平面、直线、圆柱体、球面、球体等的电场的计算. 如果不理解高斯定理，不熟练掌握高斯定理的应用技巧，就会感到高斯定理深不可测. 下面，笔者就几年来的教学体会对高斯定理及其在电场中的应用作以简要分析. 一、电通量 通过电场中某个曲面的电场线的条数称为电场强度的通量，简称电通量。在匀强电场中，各点的相等。通过任一平面的电场线条数与通过的电场线条数相等(图-1). 为在垂直与电场方向上的投影面积. 如果的法线方向与场强的夹角为，则 通过的电场线条数为通过面上各面积元的条数的总和，即，故得 推广到封闭曲面。如果是一个封闭面，则 二、真空中的高斯定理 设真空中有一个正的点电荷，以点电荷所在处为中心，为半径，作一个包围电荷的球面，如图-2所示 图-1 图-2 球面上各点的场强大小为，方向沿半径向外，而球面上任一点的法线也沿半径向外，即=0，，有 由于所发出的电场线不会中断，因此不管闭合曲面取什么形状，与所发出的电场线垂直的有效曲面都是一个球面，即穿过包围电荷的任一曲面的电通量均为. 设闭合曲面面内的电荷为，则有 上式表明，穿过一个封闭曲面的电通量等于该曲面内所有电荷的代数和除以，这就是真空中的高斯定理. 三、高斯定理在电场中的应用 ［例题1］设一块均匀带正电无限大平面，电荷密度为=9.3×10-8C/m2，放置在真空中，求空间任一点的场强. 解：根据电荷的分布情况，可作如下判断：(1)电荷均匀分布在均匀带电无限大平面上，我们知道孤立正的点电荷的电场是以电荷为中心，沿各个方向在空间向外的直线，因此空间任一点的场强只在与平面垂直向外的方向上(如果带负电荷，电场方向相反)，其他方向上的电场相互抵消；(2)在平行于带电平面的某一平面上各点的场强相等；(3)带电面右半空间的场强与左半空间的场强，对带电平面是对称的. 为了计算右方一点的场强，在左取它的对称点，以为轴线作一圆柱，如图-3所示. 对圆柱表面用高斯定理， 图-3 (1) (2) (3) 圆柱内的电荷量为 (4) 把(2)、(3)、(4)代入(1)得 =V/m=5.25×103 V/m ［例题2］设有一根无限长块均匀带正电直线，电荷线密度为=5.0×10-9C/m，放置在真空中，求空间距直线1m处任一点的场强. 解：根据电荷的分布情况，可作如下判断：(1)电荷均匀分布在无限长块均匀直线上，我们知道孤立正的点电荷的电场是以电荷为中心，沿各个方向在空间向外的直线，因此空间任一点的场强只在与直线垂直向外的方向上存在(如果带负电荷，电场方向相反)，其他方向上的电场相互抵消；(2)以直线为轴线的圆柱面上各点的场强数值相等，方向垂直于柱面(如图-4). 图-4 根据场强的分布，我们以直线为轴作