题目
如果某带电体其电荷分布的体密度增大为原来的2倍,则其电场的能量变为原来的..
如果某带电体其电荷分布的体密度增大为原来的2倍,则其电场的能量变为原来的.
.题目解答
答案
4倍
.解析
考查要点:本题主要考查电场能量与电荷分布的关系,需要理解电场能量的计算公式及其与电荷密度的依赖关系。
解题核心思路:
电场能量公式为 $W = \frac{1}{2\varepsilon_0} \int E^2 \, dV$,其中电场强度 $E$ 与电荷密度 $\rho$ 直接相关。当 $\rho$ 增大为原来的2倍时,需分析 $E$ 的变化,进而推导出 $E^2$ 的变化倍数,最终确定电场能量的倍数关系。
破题关键点:
- 电场强度与电荷密度的关系:根据高斯定理或电场叠加原理,电荷密度 $\rho$ 增大为2倍时,电场强度 $E$ 也会按比例增大为2倍。
- 能量与场强的平方关系:电场能量与 $E^2$ 成正比,因此 $E$ 变为2倍时,$E^2$ 变为4倍,能量最终变为原来的4倍。
假设原电荷体密度为 $\rho$,体积为 $V$,则总电荷量为 $Q = \rho V$。电场能量公式为:
$W = \frac{1}{2\varepsilon_0} \int E^2 \, dV$
当 $\rho$ 增大为原来的2倍时,新电荷密度为 $2\rho$,总电荷量变为 $Q' = 2\rho V = 2Q$。此时电场强度 $E'$ 与原电场强度 $E$ 的关系为:
$E' = 2E$
代入电场能量公式:
$W' = \frac{1}{2\varepsilon_0} \int (2E)^2 \, dV = \frac{1}{2\varepsilon_0} \int 4E^2 \, dV = 4 \cdot \frac{1}{2\varepsilon_0} \int E^2 \, dV = 4W$
因此,电场能量变为原来的 4倍。