题目
关于高斯定理得出的下述结论正确的是()。A. 闭合曲面内的电荷代数和为零,则闭合曲面上任一点的电场强度必为零B. 闭合曲面上各点的电场强度为零,则闭合曲面内一定没有电荷C. 闭合曲面上各点的电场强度仅由曲面内的电荷决定D. 通过闭合曲面的电通量仅由曲面内的电荷决定。
关于高斯定理得出的下述结论正确的是()。
A. 闭合曲面内的电荷代数和为零,则闭合曲面上任一点的电场强度必为零
B. 闭合曲面上各点的电场强度为零,则闭合曲面内一定没有电荷
C. 闭合曲面上各点的电场强度仅由曲面内的电荷决定
D. 通过闭合曲面的电通量仅由曲面内的电荷决定。
题目解答
答案
D. 通过闭合曲面的电通量仅由曲面内的电荷决定。
解析
本题考查高斯定理的理解。高斯定理的表达式为$\varPhi_E=\oint_{S}\vec{E}\cdot d\vec{S}=\frac{1}{\epsilon_0}\sum_{i = 1}^{n}q_{i}$,其中$\varPhi_E$是通过闭合曲面$S$的电通量,$\vec{E}$是闭合曲面上某点的电场强度,$d\vec{S}$是闭合曲面上的面积元,$\epsilon_0$是真空介电常数,$\sum_{i = 1}^{n}q_{i}$是闭合曲面内电荷的代数和。下面对每个选项进行分析:
- 选项A:
当闭合曲面内的电荷代数和$\sum_{i = 1}^{n}q_{i}=0$时,根据高斯定理$\varPhi_E=\oint_{S}\vec{E}\cdot d\vec{S}=\frac{1}{\epsilon_0}\sum_{i = 1}^{n}q_{i}=0$,只能说明通过闭合曲面的电通量为零。
电通量$\varPhi_E=\oint_{S}\vec{E}\cdot d\vec{S}=\oint_{S}E\cos\theta dS$($\theta$是$\vec{E}$与$d\vec{S}$的夹角),电通量为零可能是因为$\vec{E}$在不同部分的面积元上的投影相互抵消,而不能得出闭合曲面上任一点的电场强度$\vec{E}$必为零。
例如,在两个等量异号点电荷产生的电场中,取一个包含这两个点电荷的闭合曲面,闭合曲面内电荷代数和为零,但闭合曲面上各点的电场强度并不为零。所以选项A错误。 - 选项B:
若闭合曲面上各点的电场强度$\vec{E}=0$,则通过闭合曲面的电通量$\varPhi_E=\oint_{S}\vec{E}\cdot d\vec{S}=0$。
根据高斯定理$\varPhi_E=\frac{1}{\epsilon_0}\sum_{i = 1}^{n}q_{i}=0$,只能得出闭合曲面内电荷的代数和为零,但不能说明闭合曲面内一定没有电荷。
比如,在一个闭合曲面内放置两个等量异号的点电荷,闭合曲面内电荷代数和为零,闭合曲面上各点的电场强度可能为零,但曲面内是有电荷的。所以选项B错误。 - 选项C:
闭合曲面上某点的电场强度$\vec{E}$是由空间中所有电荷(包括曲面内和曲面外的电荷)共同产生的,而不是仅由曲面内的电荷决定。
虽然高斯定理表明通过闭合曲面的电通量只与曲面内的电荷有关,但电场强度是矢量,其分布与所有电荷的分布有关。所以选项C错误。 - 选项D:
根据高斯定理$\varPhi_E=\oint_{S}\vec{E}\cdot d\vec{S}=\frac{1}{\epsilon_0}\sum_{i = 1}^{n}q_{i}$,通过闭合曲面的电通量$\varPhi_E$只与闭合曲面内电荷的代数和$\sum_{i = 1}^{n}q_{i}$有关,与曲面外的电荷无关,即通过闭合曲面的电通量仅由曲面内的电荷决定。所以选项D正确。