题目
9.12 半径为 R1 和 R2(R2 >R1)的两无限长同轴圆柱面,单位长度上分别带有电量和-,试求:(1)r<R1;(2) R1<r<R2;(3) r>R2 处各点的场强.
9.12 半径为 R1 和 R2(R2 >R1)的两无限长同轴圆柱面,单位长度上分别带有电量和-,试求:(1)r<R1;(2) R1<r<R2;(3) r>R2 处各点的场强.
题目解答
答案
解: 高斯定理 EdSsq 0取同轴圆柱形高斯面,侧面积 S2πrl则 EdSE2πrl S对(1) rR1 q0,E0ql (2) R1rR2∴ E 沿径向向外 2π0r(3) rR2 q0∴ E0题 9.13 图
解析
本题考查同轴圆柱面对称性电场的计算,核心思路是利用高斯定理分析不同区域的电场分布。关键点在于:
- 电荷分布:两圆柱面单位长度带电量分别为$+\lambda$和$-\lambda$,电荷均匀分布在表面。
- 对称性分析:电场具有圆柱对称性,高斯面选择同轴圆柱面。
- 分区域讨论:根据高斯面包含的电荷量,分$r
R_2$三种情况计算场强。
第(1)题:$r < R_1$
确定高斯面包含的电荷
在$r < R_1$区域内,高斯面包围的是内圆柱面内部的无电荷区域(电荷仅分布在$r=R_1$的表面),因此总电荷$q_{\text{enc}} = 0$。
应用高斯定理
由高斯定理$\oint \mathbf{E} \cdot d\mathbf{S} = \frac{q_{\text{enc}}}{\varepsilon_0}$,得:
$E \cdot (2\pi r l) = \frac{0}{\varepsilon_0} \implies E = 0.$
第(2)题:$R_1 < r < R_2$
确定高斯面包含的电荷
在$R_1 < r < R_2$区域内,高斯面包围内圆柱面的电荷,单位长度电荷量为$\lambda$,总电荷$q_{\text{enc}} = \lambda l$($l$为高斯面长度)。
应用高斯定理
$E \cdot (2\pi r l) = \frac{\lambda l}{\varepsilon_0} \implies E = \frac{\lambda}{2\pi \varepsilon_0 r}.$
方向:电场由正电荷向外辐射,故径向向外。
第(3)题:$r > R_2$
确定高斯面包含的电荷
在$r > R_2$区域,高斯面包围两圆柱面的总电荷,$\lambda + (-\lambda) = 0$。
应用高斯定理
$E \cdot (2\pi r l) = \frac{0}{\varepsilon_0} \implies E = 0.$