题目
边长为b的立方盒子的六个面,分别平行于xOy、yOz和xOz平面,盒子的一角在坐标原点处,在此区域有一静电场,场强为E=200i+300j,试求穿过各面的电通量。
边长为b的立方盒子的六个面,分别平行于xOy、yOz和xOz平面,盒子的一角在坐标原点处,在此区域有一静电场,场强为E=200i+300j,试求穿过各面的电通量。
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查电通量的计算,涉及电场强度与面积矢量的点积运算,以及立方体各面法线方向的判断。
解题核心思路:
- 电通量公式:$\Phi = \vec{E} \cdot \vec{S} = E \cdot S \cdot \cos\theta$,其中$\theta$为电场与面积矢量的夹角。
- 立方体各面法线方向:
- 平行于xOy平面的面,法线方向沿$\pm z$轴;
- 平行于yOz平面的面,法线方向沿$\pm x$轴;
- 平行于xOz平面的面,法线方向沿$\pm y$轴。
- 关键简化:电场$\vec{E} = 200\hat{i} + 300\hat{j}$的$E_z = 0$,因此平行于xOy平面的面电通量为零。
平行于xOy平面的两个面(z方向法线)
- 法线方向为$\pm \hat{k}$,但$\vec{E}$的$z$分量$E_z = 0$,故:
$\Phi_{\text{z面}} = E_z \cdot S = 0 \cdot b^2 = 0.$
平行于yOz平面的两个面(x方向法线)
- 右侧面(x = b,法线方向$+\hat{i}$):
$\Phi_{\text{右}} = E_x \cdot S = 200 \cdot b^2 = 200b^2.$ - 左侧面(x = 0,法线方向$-\hat{i}$):
$\Phi_{\text{左}} = E_x \cdot (-S) = 200 \cdot (-b^2) = -200b^2.$
平行于xOz平面的两个面(y方向法线)
- 上表面(y = b,法线方向$+\hat{j}$):
$\Phi_{\text{上}} = E_y \cdot S = 300 \cdot b^2 = 300b^2.$ - 下表面(y = 0,法线方向$-\hat{j}$):
$\Phi_{\text{下}} = E_y \cdot (-S) = 300 \cdot (-b^2) = -300b^2.$