已知一极薄的绝缘球壳半径为R,电介质相对介电常量为varepsilon_r。张三于球心处放置自由电荷q,则下列叙述何者正确?()A. 绝缘球壳外距离球心为r的电位移矢量vec(D)的大小为(q)/(4pivarepsilon_0varepsilon_r r^2);B. 绝缘球壳外做一封闭面将绝缘球壳完全包住,则电位移矢量vec(D)对该封闭面的积分oint vec(D) cdot dvec(S)大小为q;C. 无穷远处的电势为0时,绝缘球壳内距离球心为r的电势值为0;D. 绝缘球壳内距离球心为r的电场值为(q)/(4pivarepsilon_0varepsilon_r r^2)。
A. 绝缘球壳外距离球心为r的电位移矢量$\vec{D}$的大小为$\frac{q}{4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r r^2}$;
B. 绝缘球壳外做一封闭面将绝缘球壳完全包住,则电位移矢量$\vec{D}$对该封闭面的积分$\oint \vec{D} \cdot d\vec{S}$大小为q;
C. 无穷远处的电势为0时,绝缘球壳内距离球心为r的电势值为0;
D. 绝缘球壳内距离球心为r的电场值为$\frac{q}{4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r r^2}$。
题目解答
答案
解析
本题考查高斯定理以及电场、电势的相关知识。解题思路是是根据高斯定理来分析电位移矢量对封闭面的积分,再根据电场和电势的性质来判断其他选项。
1. 分析选项A:
根据高斯定理,在绝缘球壳外距离球心为$r$处,电位移矢量$\vec{D}$对以球心为球心,半径为$r$的封闭面的积分$\oint \vec{D} \cdot d\vec{S}$等于该封闭面所包围的自由电荷$q$。
由$\oint \vec{D} \cdot d\vec{S}=q$,且$\oint \vec{D} \cdot d\vec{S}=\vec{D}\cdot 4\pi r^2$($4\pi r^2$为封闭面的面积),可得$\vec{D}=\frac{q}\over{4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r r^2}$,这里$\varepsilon_0$为真空介电常量,$\varepsilon_r$为电介质相对介电常量。所以选项A错误。
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分析选项B:
根据高斯定理,在绝缘球壳外做一封闭面将绝缘球壳完全包住,电位移矢量$\vec{D}$对该封闭面的积分$\oint \vec{D} \cdot d\vec{S}$等于该封闭面所包围的自由电荷$q$。所以选项B正确。 -
分析选项C:
由于球壳是绝缘的,球壳内的电场不受球壳外的电场相互独立。球壳内距离球心为$r$处的电势与球壳外的电势分布有关。当无穷远处的电势为$0$时,球壳内距离球心为$r$处的电势并不一定为\(因为球壳内的电场分布与球壳外的电场分布不同)。所以选项C错误。 4. **分析选项D**: 因为球壳是绝缘的,球壳内的电场与球壳外的电场相互独立。球壳内距离球心为$的电场由球壳内的电荷分布决定,而球壳内的电荷分布与球壳外的电荷分布无关)。所以球壳内距离球心为\(r$处的电场并不一定为$\frac{q}{4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r r^2}$。所以选项D错误。