高二物理竞赛高斯定理课件

1§11.4高斯定理（Gausstheorem）

静电场中任意闭合曲面S的电通量，等于该曲面所包围的电量除以e

0

而与S以外的电荷无关。这个闭合曲面称为高斯面。

数学表达式1.包围点电荷q的同心球面S的电通量球面上各点的场强方向与其径向相同。球面上各点的场强大小由库仑定律给出。S反映场和源的关系。

2任意闭合曲面S不包围电荷，点电荷q处于S之外：如图所示，由于从q发出的电场线，凡是穿入S面的，必定又从S面穿出，所以穿过S面的电场线净条数必定等于零，曲面S的电通量必定等于零。多个点电荷q1,q2,…,qn，其中k个被任意闭合曲面S所包围，另外nk个处于S面之外：根据上一条的证明，闭合曲面S外的nk个电荷对S面的电通量无贡献，S面的电通量只决定于其内部的k个电荷，并应表示为:3任意闭合曲面S包围了一个任意的带电体这时可以把带电体划分成很多很小的体元d，体元所带的电荷dq=d可看作点电荷，与上面第3条的结果一致，这时S的电通量可表示为根据矢量分析中的高斯定理，可以将上式写成下面的微分形式:

高斯定理源自库仑定律，在静电学中，常常利用它来求解电荷分布具有一定对称性的电场问题。4例：一无限长均匀带电细棒，其线电荷密度为，求距细棒为a处的电场强度。

解：以细棒为轴作一个高为l、截面半径为a的圆柱面，如图所示。以该圆柱面为高斯面，运用高斯定理，由于对称性，圆柱侧面上各点的场强E的大小相等,方向都垂直于圆柱侧面向外。

通过高斯面S的电通量可分为圆柱侧面和上、下底面三部分通量的代数和。S

a5因上、下底面的场强方向与面平行，其电通量为零，即式中后两项为零。此闭合面包含的电荷总量其方向沿场点到直导线的垂线方向。正负由电荷的符号决定。S

a6例：求半径为R的均匀带电球体在球内外各点的场强分布。设球体电荷密度为r

，总电量为Q。解：因为电荷分布具有球对称性。固选取同心的球面为高斯面。QRr7例：均匀带电的球壳内外的场强分布。设球壳半径为R，所带总电量为Q。解：场源的对称性决定着场强分布的对称性。它具有与场源同心的球对称性。固选同心球面为高斯面。场强的方向沿着径向，且在球面上的场强处处相等。当高斯面内电荷为Q，所以当高斯面内电荷为0高斯面高斯面均匀带电球壳8结果表明：1)均匀带电球壳外的场强分布正像球面上的电荷都集中在球心时所形成的点电荷在该区的场强分布一样。2)在球面内的场强均为零。注意：1）不是每个面元上电荷在球面内产生的场强为零，而是所有面元上电荷在球面内产生场强的矢量和=0。2）非均匀带电球面在在球面内任一点产生的场强不可能都为零。（在个别点有可能为零）

9解：由于电荷分布对于场点p到平面的垂线op

是对称的，所以

p点的场强必然垂直于该平面。

又因电荷均匀分布在无限大的平面上，所以电场分布对该平面对称。即离平面等远处的场强大小都相等、方向都垂直于平面，当场强指离平面。当场强方向指向平面。例：求无限大均匀带电平板的场强分布。设面电荷密度为。10

由于圆筒侧面上各点的场强方向垂直于侧面的法线方向，所以电通量为零；又两个底面上场强相等、电通量相等，均为穿出。场强方向垂直于带电平面。

选一其轴垂直于带电平面的圆筒式封闭面作为高斯面

S，带电平面平分此圆筒，场点p位于它的一个底面上。11

场强方向指离平面;场强方向指向平面。例：求两个平行无限大均匀带电平面的场强分布。设面电荷密度分别为和。解：该系统不再具有简单的对称性，不能直接应用高斯定理。然而每一个带电平面的场强先可用高斯定理求出，然后再用叠加原理求两个带电平面产生的总场强。需注意方向：A区：与相反B区：与相反C区：与相同所有区域与大小相同，方向：12直流电路中的平行板电容器间的场强，就是这种情况。由图可知，在A

区和B区场强均为零。C区场强的方向从带正电的平板指向带负电的平板。场强大小为一个带电平板产生的场强的两倍。13小结：⑴通过用闭合曲面的电通量概念可以说明高斯定理。但需注意这仅仅是为了便于理解而用的一种形象解释，它不是高斯定理的严格数学证明。⑵高斯定理是在库仑定律基础上得到的（定律是对客观事实的描述，通常是对实验结果的归纳，而定理是由定律通过推理演变而来），但是前者适用范围比后者更广泛。

高斯定理反映了库仑定律的平方反比关系F

1/r2，如库仑定律无此关系则得不到高斯定理。库仑定律只适用于真空中的静电场，而高斯定理适用于静电场和随时间变化的场，高斯定理是电磁场理论的基本方程之一。14(4)虽然高斯定理说明电通量只与S内电荷有关而与S外电荷无关，但这并不是说

只与S内电荷有关而与S外电荷无关。实际上，

是由S内、外所有电荷产生的结果。(3)高斯定理表明，通过闭合曲面的电通量只与闭合面内的电荷代数和有关，而与闭合曲面外的电荷无关。这同时也表明静电场是有源场，其源就是电荷。(5)

高斯定理对静电场的描述是不完备的。高斯定理是静电场的两个基本定理之一(另一个是环路定理)。两个定理各自反映静电场性质的一个侧面。二者结合，才能完整地描述静电场。15(7)

用高斯定理求场强是比较简单的。然而，我们需要明确，虽然高斯定理是普遍成立，但是任何带电体产生的场强不是都能由它计算出，因为这样的计算是有条件的，它要求电场分布具有一定的对称性，在具有某种对称性时，才能适选高斯面，从而很方便的计算出值。

(8)应用高斯定理时，要注意下面环节：分析对称性；b)适选高斯面（必须是闭合曲面以