高斯定理的应用

1、简析高斯定理在电场中的应用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.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

2、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：

3、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，我们以直线为轴作长为，半径为的圆柱体.把圆柱体的表面作为高斯面，对圆柱表面用高斯定理： (1) (2) (3)圆柱内的电荷量为 (4)把(2)、(3)、(4)代入(1)得=V/m=89.96 V/m例题3设有一半径为的均匀带正电球面，电荷为，放置在

4、真空中，求空间任一点的场强.解：由于电荷均匀分布在球面上,因此,空间任一点的的场强具有对称性,方向由球心到的径矢方向(如果带负电荷，电场方向相反)，在与带电球面同心的球面上各点的大小相等.根据场强的分布，我们取一半径为且与带电球面同系同心的球面为为高斯面，如图-5所示. 图-5若，高斯面在球壳内，对球面用高斯定理得 因为球壳内无电荷，所以若，高斯面在球壳外，对球面用高斯定理得，故有 由此可知，均匀带电球面内的场强为零，球面外的场强与电荷集中在球心的点电荷所产生的场强相同.四、高斯定理在电场中的一般应用步骤:(1) 判断电场的分布特点；(2) 合理作出高斯面，使电场在其中对称分布；(3) 找出电

5、场在高斯面内的垂直面积；(4) 分析高斯面内的电荷量；(5) 应用高斯定理求解().我们知道，用电场的叠加原理也可以计算连续分布的电荷所产生的场强，但是高斯定理以其简单明了的步骤最终赢得读者的喜爱.第四讲：高斯定理的应用高斯定理的一个重要应用，是用来计算带电体周围电场的电场强度。实际上，只有在场强分布具有一定的对称性时，才能比较方便应用高斯定理求出场强。步骤：1进行对称性分析，即由电荷分布的对称性，分析场强分布的对称性，判断能否用高斯定理来求电场强度的分布（常见的对称性有球对称性、轴对称性、面对称性等）；2根据场强分布的特点，作适当的高斯面，要求：待求场强的场点应在此高斯面上，穿过该高斯面的电

6、通量容易计算。一般地，高斯面各面元的法线矢量与平行或垂直，与平行时，的大小要求处处相等，使得能提到积分号外面；3计算电通量和高斯面内所包围的电荷的代数和，最后由高斯定理求出场强。应该指出，在某些情况下（对称），应用高斯定理是比较简单的，但一般情况下，以点电荷场强公式和叠加原理以相互补充，还有其它的方法，应根据具体情况选用。利用高斯定理，可简洁地求得具有对称性的带电体场源（如球型、圆柱形、无限长和无限大平板型等）的空间场强分布。计算的关键在于选取合适的闭合曲面高斯面。例1 均匀带电球壳的场强。设有一半径为R、均匀带电为Q的薄球壳。求球壳内部和外部任意点的电场强度。解：因为球壳很薄，其厚度可忽略不

7、计，电荷Q近似认为均匀分布在球面上。由于电荷分布是球对称的，所以电场强度的分布也是球对称的。因此在电场强度的空间中任意点的电场强度的方向沿径矢，大小则依赖于从球心到场点的距离。即在同一球面上的各点的电场强度的大小是相等的。以球心到场点的距离为半径作一球面，则通过此球面的电通量为 根据高斯定理，通过球面的电通量为球面内包围的电荷当场点在球壳外时 电场强度为 当场点在球壳内时 电场强度为 例2 均匀带电球体的场强。 设有一半径为R、均匀带电为Q的球体。求球体内部和外部任意点的电场强度。解：由于电荷分布是球对称的，所以电场强度的分布也是球对称的。因此在电场强度的空间中任意点的电场强度的方向沿径矢，大

8、小则依赖于从球心到场点的距离。即在同一球面上的各点的电场强度的大小是相等的。以球心到场点的距离为半径作一球面，则通过此球面的电通量为 根据高斯定理，通过球面的电通量为球面内包围的电荷 当场点在球体外时 电场强度为 当场点在球体内时 电场强度为 例3 无限长均匀带电直线的场强。 设有一无限长均匀带电直线，单位长度上的电荷，即电荷线密度为，求距离直线为r处的电场强度。解：由于带电直线无限长，且电荷均匀分布，所以电场的场强沿垂直于该直线的径矢方向，而且在距直线等距离的各点的场强的大小相等，即电场分布是柱对称的。以该直线为轴线作一圆柱面为高斯面，长为h，半径为r。由于场强与上下底面的法线垂直，所以通过

9、圆柱的上下两个底面的电通量为零，而通过圆柱侧面的电场强度的通量为。又此高斯面所包围的电量为，所以根据高斯定理有 由此可知，电场强度为 例4：求无限长均匀带电圆柱体内外的电场分布. 已知圆柱体半径为，电荷体密度为. 解答：， (3分)解得 (3分)， (3分)解得 (3分)例5：无限长均匀带电平面的场强。 设有一无限长均匀带电平板，单位面积上的电荷，即电荷面密度为，求距离平板为r处的电场强度。解：由于带电平板无限长，且电荷均匀分布，所以带电平板两侧电场的分布具有对称性，所以场强沿垂直于该平面，而且在距平面等距离的各点的场强的大小相等。作圆柱面为高斯面，此圆柱面穿过带电平面，且对带电平面是对称的。

10、其侧面的法线方向与场强垂直，而通过圆柱侧面的电场强度的通量为零；由于场强与两个底面垂直，所以通过圆柱的两个底面的电通量为ES。又此高斯面所包围的电量为S，所以根据高斯定理有 由此可知，电场强度为 即无限大均匀带电平面的场强与场点到平面的距离无关，而且场强的方向与带电平面垂直。无限大带电平面的电场是匀强电场。例6：两个带等量异号电荷的无限大平行平面的电场。解：有例4可知，在两平面之外，在两平面之内，方向有带正电的平面指向带负电的平面。1. 例题 P26例题2：已知半径为 R，带电量为 q 的均匀带电球面，求空间场强 分布。解：由对称性分析知，的分布为球对称，即离开球心距离为 r 处各点的场强大小

11、相等，方向沿各自的矢径方向。以O 为球心，过P 点作半径为r 的闭合球面S（高斯面），各点处面积元的法线方向与该点处的方向相同，所以由高斯定理：，因此得到：同理作高斯面S 有：即讨论（1）当 q0时，的方向沿矢径向外，当 q0 时，的方向沿矢径由外指向球心O。（2）Er 曲线。（3）内部场强处处为零；外部场强分布与将球面上电荷集中于球心的点电荷场强分布相同；场强分布在球面处不连续，产生突变。（4）半径为R，均匀带电球体的场强分布。 P27例题3：求无限长均匀带电直线的空间电场分布。已知直线上线电荷密度为。解：由对称性分析，分布为轴对称性，即与带电直线距离相等的同轴圆柱面上各点场强大小相等，方向

12、均沿径向。作过P点以带电直线为轴，半径为 r，高为 h 的圆柱形高斯面 S ，通过 S 的电通量为高斯面S内所包围的电荷为，由高斯定理得：所以得：。 讨论（1）当0时，的方向沿矢径向外；当0时，的方向沿矢径指向带电直线。（2）Er 曲线。（3）半径为R 的无限长均匀带电圆柱面，沿轴线方向线电荷密度为，其场强分布为 P27例题4：求均匀带电无限大薄平板的空间场强分布，设电荷密度为。解：无限大均匀带电薄平板可看成无限多根无限长均匀带电直线排列而成，由对称性分析，平板两侧离该板等距离处场强大小相等，方向均垂直平板。其一轴垂直带电平面，高为 2 r 的圆柱面为高斯面，通过它的电通量为： S 内包围的电荷为：由高斯定理： 所以得 当>0，的方向垂直平板离开平板；当<0，