大学物理高斯定理PPT学习教案

1、会计学1大学物理高斯定理大学物理高斯定理第1页/共44页高斯高斯（CarlFriedrichGauss，17771855） 德国数学家、天文学德国数学家、天文学家、物理学家家、物理学家高斯在数学上的建树颇高斯在数学上的建树颇丰，有丰，有 “数学王子数学王子” 美称美称。 因家境贫寒，父亲靠短工为生，在一位贵族资因家境贫寒，父亲靠短工为生，在一位贵族资助下与助下与17951798年入格丁根大学学习。年入格丁根大学学习。 1777年年4月月30日生于布伦日生于布伦瑞克。童年时就聪颖非凡瑞克。童年时就聪颖非凡，10岁岁发现等差数列公式发现等差数列公式而令教师惊叹。而令教师惊叹。第2页/共44页 大学

2、一年级（大学一年级（19岁岁）时就解决了几何难题）时就解决了几何难题：用直尺与圆规作正十七边形图。：用直尺与圆规作正十七边形图。1799年年以论文以论文所有单变数的有理函数都可以解成一次或二次所有单变数的有理函数都可以解成一次或二次的因式这一定理的新证明的因式这一定理的新证明获得博土学位。获得博土学位。 1807年年起任格丁根大学数学教授和天文台起任格丁根大学数学教授和天文台台长，一直到逝世。台长，一直到逝世。1838年年因提出地球表面任一因提出地球表面任一点磁势均可以表示为一个无穷级数，并进行了计点磁势均可以表示为一个无穷级数，并进行了计算，从而获得英国皇家学会颁发的科普利奖章。算，从而获得

3、英国皇家学会颁发的科普利奖章。 1855年年2月月23日在格丁根逝世。日在格丁根逝世。第3页/共44页(1)物理学和地磁学：物理学和地磁学：关于静电学、温差电和摩擦关于静电学、温差电和摩擦电的研究、利用绝对单位（长度、质量和时间）法则量电的研究、利用绝对单位（长度、质量和时间）法则量度非力学量以及地磁分布的理论研究。度非力学量以及地磁分布的理论研究。(2)光学光学 ：利用几何学知识研究光学系统近轴光线利用几何学知识研究光学系统近轴光线行为和成像，建立高斯光学。行为和成像，建立高斯光学。(3)天文学和大地测量学中：天文学和大地测量学中：如小行星轨道的计算如小行星轨道的计算，地球大小和形状的理论研

4、究等。，地球大小和形状的理论研究等。(4)试验数据处理：试验数据处理：结合试验数据的测算，发展了结合试验数据的测算，发展了概率统计理论和误差理论，发明了最小二乘法，引入高概率统计理论和误差理论，发明了最小二乘法，引入高斯误差曲线。斯误差曲线。 (5)高斯还创立了电磁量的绝对单位制。高斯还创立了电磁量的绝对单位制。高斯高斯长期从事于数学并将数学应用于物理学长期从事于数学并将数学应用于物理学、天文学和大地测量学等领域的研究，、天文学和大地测量学等领域的研究，主要成就主要成就：第4页/共44页规定规定：1、电场线、电场线 ( Electric Field Line ) （电场的几何描述）（电场的几何

5、描述） 2）通过垂直于电场方向单位面积的电场线条数等通过垂直于电场方向单位面积的电场线条数等 于该点电场强度的于该点电场强度的。 1）曲线上每一点的切线方向表示该点场强的曲线上每一点的切线方向表示该点场强的； dSdNE/EdSE电电场场线密集的地方场强大。线密集的地方场强大。电电场场线稀疏的地方场强小，线稀疏的地方场强小，dS第5页/共44页电场线的特性电场线的特性 1） 电场线起始于正电荷电场线起始于正电荷(或无穷远处或无穷远处)， 终止于负电荷，终止于负电荷，不会不会在没有电荷处在没有电荷处中断中断； 2） 电场线不相交。电场线不相交。 3） 静电场电场线不闭合。静电场电场线不闭合。 电

6、场线的这些性质是由电场线的这些性质是由静电场的基本性静电场的基本性质质和和场的单值性场的单值性决定的。可用静电场的基本性决定的。可用静电场的基本性质方程加以证明。质方程加以证明。第6页/共44页+第7页/共44页+第8页/共44页+第9页/共44页qq2第10页/共44页+ + + + + + + + + + + + 第11页/共44页（Electric Flux）定义：定义：通过电场中某一通过电场中某一曲面的电场线数，叫做曲面的电场线数，叫做通过这个面的通过这个面的电通量电通量。 均匀电场均匀电场 ， 垂直平面垂直平面 SEES eES cos 均匀电场均匀电场 ， 与平面夹角与平面夹角EE

7、S ESenSS=ESnSE，第12页/共44页E 非均匀电场非均匀电场，S 为任意曲面为任意曲面SSEdcosdee SSEdeSEddenSS ddSd为面元矢量为面元矢量dS 有两个法线方向，有两个法线方向，d 可正可负。可正可负。En为通过为通过 S 面的电通量。面的电通量。第13页/共44页E1dS22E11ESSSESEdcosde EdsSEcosdde0d,2e220d,2e11 为为封闭曲面封闭曲面S闭合面上各面元的闭合面上各面元的外法线方向为正向外法线方向为正向。表示穿出与穿入闭合曲面的电场线的条数表示穿出与穿入闭合曲面的电场线的条数之差，也就是净穿出闭合曲面的电场线的总条

8、数。之差，也就是净穿出闭合曲面的电场线的总条数。e电场线穿电场线穿出出闭合面为闭合面为正正通量，通量，电场线穿电场线穿入入闭合面为闭合面为负负通量。通量。2dS第14页/共44页解：解：下下右右左左后后前前eeeeee下下后后前前eee 0dsSE左左左左左左左左ESESsSEcosd e左左右右右右右右ESESsSE cosd e0 eeeeee下下右右左左后后前前例：例：一个三棱柱体处在电场强度一个三棱柱体处在电场强度 的的匀强电场中。匀强电场中。求：求：通过此三棱柱体表面的电通量。通过此三棱柱体表面的电通量。1CN200iExyzEonnn第15页/共44页第16页/共44页二、静电场中

9、的高斯定理二、静电场中的高斯定理（Gauss Law）niiSqSE10e1d内内 在真空中在真空中的静电场内，的静电场内，通过任一通过任一闭合闭合曲面的电曲面的电场强度通量，等于场强度通量，等于该曲面所包围的该曲面所包围的所有电荷的代数所有电荷的代数和除以和除以 。0（与（与面外面外电荷无关，电荷无关，称为称为）请思考：请思考：1 1）高斯面上的高斯面上的 与那些电荷有关与那些电荷有关 ？ Es2 2）哪些电荷对闭合曲面哪些电荷对闭合曲面 的的 有贡献有贡献 ？e高斯定理可用高斯定理可用库仑定律库仑定律和和场强叠加原理场强叠加原理导出。导出。1、高斯定理、高斯定理第17页/共44页高斯定理的

10、导出高斯定理的导出dS结果与球面半径无关，结果与球面半径无关，即以点电荷即以点电荷q 为中心的任一球为中心的任一球面，不论半径大小如何，通过球面的电通量都相等。面，不论半径大小如何，通过球面的电通量都相等。E204rqE 022044qrrq0cosdSESdESSeSSdSrqdSE2041）点电荷位于球面点电荷位于球面 中心中心SSr+ +q第18页/共44页2）点电荷在任意闭合曲面点电荷在任意闭合曲面 内内S 和和 包围同一个点电荷。由于电场线的连续性，包围同一个点电荷。由于电场线的连续性，通过两个闭合曲面的电场线的数目是相等的，所以通过两个闭合曲面的电场线的数目是相等的，所以SS0qS

11、dEeSeqSS通过通过 的电通量：的电通量：S即：即：通过任一个包围点通过任一个包围点电荷的闭合曲面的电通电荷的闭合曲面的电通量与曲面无关，结果都量与曲面无关，结果都等于等于0qR第19页/共44页q2dS2E0dd111SE0dd222SE0dd211dS1E3）点电荷在闭合曲面之外点电荷在闭合曲面之外0SeSdE第20页/共44页iq1q2q1kqnq4）在点电荷系的电场中，在点电荷系的电场中，通过任意闭合曲面的电通量通过任意闭合曲面的电通量nkkiiEEEEEE11面内电荷产生面内电荷产生面外电荷产生面外电荷产生SeSdE SiSdE00001qqk)(内内iq01)()(外外内内iS

12、iSSdESdE )(内内iq)(内内iSeqSdE01ESd第21页/共44页对连续带电体，高斯定理为：对连续带电体，高斯定理为：表明：表明：电力线从正电荷发出，穿出闭合曲面电力线从正电荷发出，穿出闭合曲面，所以所以正电荷是静电场的源头正电荷是静电场的源头。表明：表明：有电力线穿入闭合曲面而终止于负电荷有电力线穿入闭合曲面而终止于负电荷，所以所以负电荷是静电场的尾负电荷是静电场的尾。dqSdES01 00eiq00eiqniiSqSE10e1d内内 高斯定理高斯定理静电场是有源场。静电场是有源场。说明：说明：第22页/共44页niiSqSE10e1d 高斯定理高斯定理总总 结结iq1q2q1

13、kqnqESd1）高斯面上的电场强度高斯面上的电场强度为为所有所有内外电荷的总电场强度。内外电荷的总电场强度。2）仅高斯面仅高斯面内内的电荷对高斯面的电场强度的电荷对高斯面的电场强度通量通量有贡献。有贡献。4）反映了静电场的基本性质反映了静电场的基本性质静电场是静电场是有源场。有源场。3）穿进穿进高斯面的电场强度通量高斯面的电场强度通量为负为负，穿出为正穿出为正。正电荷是发出电场线的源头，负电荷是吸收电场线的闾尾。正电荷是发出电场线的源头，负电荷是吸收电场线的闾尾。第23页/共44页问题：问题：如果高斯面上如果高斯面上 E 处处为零，则该面内必无处处为零，则该面内必无净净电荷。电荷。2）如果高

14、斯面内无电荷，则高斯面上如果高斯面内无电荷，则高斯面上 E 处处为零。处处为零。如果高斯面内无电荷，则高斯面上如果高斯面内无电荷，则高斯面上 E 不一定为零不一定为零。3）如果高斯面上如果高斯面上 E 处处不为零，则该面内必有电荷。处处不为零，则该面内必有电荷。如果高斯面上如果高斯面上 E 处处不为零，则该面内不一定有电荷。处处不为零，则该面内不一定有电荷。4）高斯面内的电荷代数和为零时，则高斯面上各点的高斯面内的电荷代数和为零时，则高斯面上各点的 场强一定为零。场强一定为零。 高斯面内的电荷代数和为零时，则高斯面上各点高斯面内的电荷代数和为零时，则高斯面上各点的的 场强不一定处处为零。场强不

15、一定处处为零。)(1内内sioSqSdE 1）如果高斯面上如果高斯面上 E 处处为零，则该面内必无电荷处处为零，则该面内必无电荷。第24页/共44页1S2S3Sqq01e1dqSES02e03eq 在点电荷在点电荷 和和 的静电场中，做如下的三的静电场中，做如下的三个闭合面个闭合面 求求通过各闭合面的电通量。通过各闭合面的电通量。,321SSSqq讨论讨论 将将 从从 移到移到2qABePs点点 电场强度是否变化电场强度是否变化？穿过高斯面穿过高斯面 的的 有否变化有否变化？2q2qABs1qP*第25页/共44页例：例：一点电荷位于边长为一点电荷位于边长为 a 的立方体的顶角上，的立方体的顶

16、角上，求：求：通过该立方体表面总的电通量。通过该立方体表面总的电通量。解：解： 顶角所在的三个面上的通量为零。顶角所在的三个面上的通量为零。其余三个面上直接计算困难其余三个面上直接计算困难考虑用考虑用 8 个这样的立方体个这样的立方体将点电荷拥在中心。将点电荷拥在中心。其外表面上的电通量为：其外表面上的电通量为：由对称性：由对称性：0324eq SeSdE0q第26页/共44页)(内内iSeqSdE01如均匀带电的球体、球面、球壳。如均匀带电的球体、球面、球壳。如均匀带电的长直柱体、柱面。如均匀带电的长直柱体、柱面。如均匀带电的无限大平面、平板。如均匀带电的无限大平面、平板。 高斯定理的一个重

17、要应用是：高斯定理的一个重要应用是： 计算带电体周围电场的电场强度。计算带电体周围电场的电场强度。常见的具有对称性分布的源电荷有：常见的具有对称性分布的源电荷有：求解的关键是选取适当的高斯面。求解的关键是选取适当的高斯面。 只有在场强分布具有一定的只有在场强分布具有一定的对称性对称性时，才能比时，才能比较方便应用高斯定理求出场强。较方便应用高斯定理求出场强。第27页/共44页1）分析场强分布的对称性分析场强分布的对称性，找出场强的方向，找出场强的方向和场强大小的分布。和场强大小的分布。2）选择适当的高斯面选择适当的高斯面，并写出通过该高斯面，并写出通过该高斯面的电通量。的电通量。3）求出高斯面

18、所包围的电量求出高斯面所包围的电量。4）按高斯定理按高斯定理求出场强求出场强。 用高斯定理计算场强的步骤：用高斯定理计算场强的步骤：)(内内iSeqSdE01第28页/共44页如何选取高斯面：如何选取高斯面：2）高斯面必须通过所求的场点；高斯面必须通过所求的场点；3）高斯面的形状必须简单规则，以便于计算高斯面的形状必须简单规则，以便于计算穿过该面的电通量。穿过该面的电通量。4）使高斯面上各点的场强大小相等，使高斯面上各点的场强大小相等，方向与高方向与高斯面法线方向一致。斯面法线方向一致。 或或高斯面上某一部分各点的场强方向与高斯面高斯面上某一部分各点的场强方向与高斯面法线方向垂直，该部分的通量

19、为零。而另一部分各法线方向垂直，该部分的通量为零。而另一部分各点的场强大小相等，方向与高斯面法线方向一致。点的场强大小相等，方向与高斯面法线方向一致。1）高斯面必须是高斯面必须是闭合曲面；闭合曲面；)(内内iSeqSdE01第29页/共44页注意注意 高斯定理在任何电荷分布情况下都成立，但高斯定理在任何电荷分布情况下都成立，但只有少数几种高度对称电荷分布的系统，其场强只有少数几种高度对称电荷分布的系统，其场强才能用高斯定理简单地计算出来。才能用高斯定理简单地计算出来。这是因为：这是因为： 已知电荷分布，利用高斯定理求场强，已知电荷分布，利用高斯定理求场强，意味着要解上面的意味着要解上面的积分方

20、程积分方程！ 但如果电荷分布具有的对称性，能使场强这但如果电荷分布具有的对称性，能使场强这个物理量从积分号下提出来，左面只剩下面积积个物理量从积分号下提出来，左面只剩下面积积分，问题就简单地解决了。分，问题就简单地解决了。)(内内iSeqSdE01第30页/共44页OR+r1Sr2s例：均匀带电球面的电场强度例：均匀带电球面的电场强度 一半径为一半径为 , 均匀带电均匀带电 的薄球壳（面）。的薄球壳（面）。求：求：球面内外球面内外任意点的电场强度。任意点的电场强度。RQ解：解：均匀带电球面的电场分布具均匀带电球面的电场分布具有球对称性。有球对称性。由高斯定理：由高斯定理：SEdS cos0/q

21、i内内球对称时的高斯定理可写为：球对称时的高斯定理可写为：内内ioqrE14224 rE 取半径取半径 r 的同心球面为高斯面，的同心球面为高斯面，高斯面上场强大小相等，方向与面元高斯面上场强大小相等，方向与面元一致。一致。第31页/共44页OR+0d1SSE0E02dQSESr1S20 4rQE 02 4QErr2s20 4RQrRoE（1）Rr 0Rr（2）内内ioqrE142第32页/共44页例：例：均匀带电球体，已知均匀带电球体，已知 q、R。求：求：任意点的电场强度任意点的电场强度。解：解：RqEr R 时：时：电量电量 qqi由高斯定理由高斯定理024qrE场强场强204rqE 电

22、通量电通量r24rESdESe第34页/共44页RqR204Rqo均匀带电球体均匀带电球体场强场强大小分布曲线大小分布曲线204,rqERr304,RqrERrorE第35页/共44页例：例：两同心均匀带电球面，半径为两同心均匀带电球面，半径为 R1 和和 R2 ，分别带电，分别带电 q1 和和 q2 。求：求：空间电场分布。空间电场分布。 解：解：由对称性可知，电场方向是沿径向向外的。由对称性可知，电场方向是沿径向向外的。24rqEo 内内;42rEo 224:rERro q1q1+q2R R1 :由球对称时的高斯定理：由球对称时的高斯定理：24rEo 0= 0;R1R2oq1q2:21RrR第36页