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1、第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 (1) 点电荷的场强 库仑定律电场强度 (2) 场强叠加原理 电场强度的计算复 习 (3) 电荷连续分布的 带电体的电场 电 荷 分 布 1 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 7.3 7.3 高斯定理高斯定理 2 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 高斯（Carl Friedrich Gauss，17771855） 德国数学家、天文学 家、物理学家 高斯在数学上的建树颇 丰，有 “数学王子” 美称。 因家境贫寒，父亲靠短工为生，在一
2、位贵族资 助下与17951798年入格丁根大学学习。 1777年4月30日生于布伦 瑞克。童年时就聪颖非凡， 10岁发现等差数列公式而令 教师惊叹。 3 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 大学一年级（19岁）时就解决了几何难题： 用直尺与圆规作正十七边形图。1799年以论文 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获得博土学位。 1807年起任格丁根大学数学教授和天文台台 长，一直到逝世。1838年因提出地球表面任一点 磁势均可以表示为一个无穷级数，并进行了计算 ，从而获得英国皇家学会颁发的科普利奖章。 1855年2月23日在
3、格丁根逝世。 4 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 (1) 物理学和地磁学：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 度非力学量以及地磁分布的理论研究。 (2) 光学 ：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。 (3) 天文学和大地测量学中：如小行星轨道的计算 ，地球大小和形状的理论研究等。 (4) 试验数据处理：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 斯误差曲线。 (5) 高斯还创立了电磁量的绝对单位制。 高斯长期从事于数学并将数学应用于物理学、 天文学和
4、大地测量学等领域的研究，主要成就： 5 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 规定： 1、电场线 ( Electric Field Line ) （电场的几何描述） 2）通过垂直于电场方向单位面积的电场线条数等 于该点电场强度的大小大小。 1）曲线上每一点的切线方向表示该点场强的方向方向； dS 电场线密集的地方场强大。电场线稀疏的地方场强小， 一、电通量一、电通量 6 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 点电荷的电场线点电荷的电场线 正正 点点 电电 荷荷 + 负负 点点 电电 荷荷 7 第第7 7章章 真空中
5、的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 一对等量异号点电荷的电场线一对等量异号点电荷的电场线 + 8 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 一对等量正点电荷的电场线一对等量正点电荷的电场线 + 9 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 一对不等量异号点电荷的电场线一对不等量异号点电荷的电场线 10 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 带电平行板电容器的电场线带电平行板电容器的电场线 + + + + + + + + + + + + 11 第第7 7章章 真空中
6、的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 电场线的特性 1） 电场线起始于正电荷(或无穷远处)， 终止于负电荷，不会在没有电荷处中断； 2） 电场线不相交。 3） 静电场电场线不闭合。 电场线的这些性质是由静电场的基本性质 和场的单值性决定的。可用静电场的基本性质 方程加以证明。 12 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 2 2、电场强度通量、电场强度通量（Electric Flux） 定义：通过电场中某一 曲面的电场线数，叫做 通过这个面的电通量。 均匀电场 ， 垂直平面 S 均匀电场 ， 与平面夹角 ， 13 第第7 7章章 真空中的
7、静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 非均匀电场，S 为任意曲面（不闭合的）（不闭合的） 为面元矢量 dS 有两个法线方向，d 可正可负。 为通过 S 面的电通量。 14 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 通过闭合曲面的电通量为：通过闭合曲面的电通量为： 为封闭曲面 规定：规定：闭合面上各面元的 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 之差，也就是净穿出闭合曲面的电场线的总条数。 电场线穿出闭合面为正通量， 电场线穿入闭合面为负通量。 15 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理
8、 解： 例：一个三棱柱体处在电场强度 的 匀强电场中。求：通过此三棱柱体表面的电通量。 16 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 17 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 二、静电场中的高斯定理（Gauss Law） 在真空中的静电场内，通过任一闭合曲面的电 场强度通量，等于该曲面所包围的所有电荷的代数 和除以 。 （与面外电荷无关，闭合曲面闭合曲面称为高斯面高斯面） 请思考：1）高斯面上的 与那些电荷有关 ？ 2）哪些电荷对闭合曲面 的 有贡献 ？ 高斯定理可用库仑定律和场强叠加原理导出。 1、高斯定理 18
9、 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 高斯定理的导出 结果与球面半径无关，即以点电荷q 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。 1）点电荷位于球面 中心 r + q 19 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 2）点电荷在任意闭合曲面 内 和 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 的电通量： 即：通过任一个包围点 电荷的闭合曲面的电通 量与曲面无关，结果都 等于 20 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理
10、高斯定理 3）点电荷在闭合曲面之外 21 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 4）在点电荷系的电场中，通过任意闭合曲面的电通量 面内电荷产生面外电荷产生 是指面内电荷代数和。是指面内电荷代数和。 22 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 对连续带电体，高斯定理为： 表明：电力线从正电荷发出，穿出闭合曲面， 所以正电荷是静电场的源头。 表明：有电力线穿入闭合曲面而终止于负电荷， 所以负电荷是静电场的尾。 高斯定理 静电场是有源场。 说明： 23 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理
11、高斯定理 高斯定理 总 结 1）高斯面上的电场强度为所有内外电荷的总电场强度。 2）仅高斯面内的电荷对高斯面的电场强度通量有贡献。 4）反映了静电场的基本性质静电场是有源场。 3）穿进高斯面的电场强度通量为负，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。 24 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 问题： 如果高斯面上 E 处处为零，则该面内必无净电荷。 2）如果高斯面内无电荷，则高斯面上 E 处处为零。 如果高斯面内无电荷，则高斯面上 E 不一定为零。 3）如果高斯面上 E 处处不为零，则该面内必有电荷。 如果高斯面上 E 处处不为
12、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 场强一定为零。 高斯面内的电荷代数和为零时，则高斯面上各点的 场强不一定处处为零。 1）如果高斯面上 E 处处为零，则该面内必无电荷。 25 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 在点电荷 和 的静电场中，做如下的三 个闭合面 求通过各闭合面的电通量。 讨论 将 从 移到 点 电场强度是否变化？ 穿过高斯面 的 有否变化？ * 26 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 例：一点电荷位于边长为 a 的立方体的顶角上， 求：通过该立方体表面
13、总的电通量。 解： 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 考虑用 8 个这样的立方体 将点电荷拥在中心。 其外表面上的电通量为： 由对称性： 27 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 2 2、高斯定理的应用、高斯定理的应用 球对称：球对称：如均匀带电的球体、球面、球壳。 轴对称：轴对称：如均匀带电的长直柱体、柱面。 平面对称：平面对称：如均匀带电的无限大平面、平板。 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。 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。 只有在场强分布具有一定的对称性时，才能比
14、较方便应用高斯定理求出场强。 28 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 1）分析场强分布的对称性，找出场强的方向 和场强大小的分布。 2）选择适当的高斯面，并写出通过该高斯面 的电通量。 3）求出高斯面所包围的电量。 4）按高斯定理求出场强。 用高斯定理计算场强的步骤： 29 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 如何选取高斯面： 2）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，以便于计算穿 过该面的电通量。 4）使高斯面上各点的场强大小相等，方向与高斯 面法线方向一致。 或高斯面上某一部分各点的场
15、强方向与高斯面法 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。 1）高斯面必须是闭合曲面； 30 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 注意 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 才能用高斯定理简单地计算出来。 这是因为： 已知电荷分布，利用高斯定理求场强， 意味着要解上面的积分方程！ 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 分，问题就简单地解决了。 31 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定
16、理高斯定理 + + + + + + + + + + + 例：均匀带电球面的电场强度 一半径为 , 均匀带电 的 薄球壳（面）。求：球面内外任 意点的电场强度。 解：均匀带电球面的电场分布具 有球对称性。 由高斯定理： 球对称时的高斯定理可写为： 取半径 r 的同心球面为高斯面， 高斯面上场强大小相等，方向与面元外法向外法向一致。 32 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 + + + + + + + + + + + （1） （2） 33 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 例：均匀带电球体，已知 q、R。 求：任意点的电场强度。 解： R q r R 时： 电量 由高斯定理 场强 电通量 35 第第7 7章章 真空中的静电场真空中的静电场7.3 7.3 高斯定理高斯定理 R q R 均匀带电球体场强 大
