题目
半径为 R 的无限长直圆柱体,体内均匀带电,体电荷密度为 rho。距柱体的轴线的距离为 r (r A. (rho r)/(2 varepsilon_0)B. 0C. (rho^2)/(2 varepsilon_0 R)D. (rho R)/(2 varepsilon_0)E. (rho R^2)/(2 varepsilon_0 r)
半径为 $R$ 的无限长直圆柱体,体内均匀带电,体电荷密度为 $\rho$。距柱体的轴线的距离为 $r (r < R)$ 的场强为:
A. $\frac{\rho r}{2 \varepsilon_0}$
B. 0
C. $\frac{\rho^2}{2 \varepsilon_0 R}$
D. $\frac{\rho R}{2 \varepsilon_0}$
E. $\frac{\rho R^2}{2 \varepsilon_0 r}$
题目解答
答案
A. $\frac{\rho r}{2 \varepsilon_0}$
解析
本题考查利用高斯定理求解无限长直圆柱体内部的电场强度。解题的关键思路是选取合适的高斯面,利用高斯定理建立电场强度与电荷分布之间的关系。
步骤如下
- 选取高斯面:
由于无限长直圆柱体具有轴对称性,我们选取一个半径为 $r(r < R)$、长度为 $L$ 的同轴圆柱面作为高斯面。这个高斯面由侧面和两个底面组成。 - 分析电通量:
根据电通量的定义 $\varPhi_E=\oint_S\vec{E}\cdot d\vec{S}$,对于高斯面的两个底面,由于电场强度方向沿径向,与底面的法线方向垂直,即 $\vec{E}\cdot d\vec{S} = 0$,所以通过两个底面的电通量为 $0$。
对于高斯面的侧面,电场强度大小处处相等且方向与侧面的法线方向平行,所以通过侧面的电通量为 $\varPhi_E=\oint_{S_{侧}}\vec{E}\cdot d\vec{S}=E\oint_{S_{侧}}dS$。
而圆柱面的侧面积 $S_{侧}=2\pi rL$,因此通过整个高斯面的电通量 $\varPhi_E = E\cdot 2\pi rL$。 - 计算高斯面内的电荷量:
已知圆柱体的体电荷密度为 $\rho$,高斯面所包围的体积 $V=\pi r^{2}L$,根据电荷密度的定义 $\rho=\frac{q}{V}$,可得高斯面内的电荷量 $q = \rho V=\rho\pi r^{2}L$。 - 应用高斯定理:
高斯定理的表达式为 $\varPhi_E=\frac{q_{in}}{\varepsilon_0}$,将前面计算得到的电通量 $\varPhi_E = E\cdot 2\pi rL$ 和高斯面内的电荷量 $q=\rho\pi r^{2}L$ 代入高斯定理,可得 $E\cdot 2\pi rL=\frac{\rho\pi r^{2}L}{\varepsilon_0}$。 - 求解电场强度 $E$:
对上式进行化简求解 $E$,两边同时约去 $2\pi rL$,得到 $E = \frac{\rho r}{2\varepsilon_0}$。