题目
【单选题】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A. 2 倍B. 1/2 倍C. 4 倍D. 1/4 倍
【单选题】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
A. 2 倍
B. 1/2 倍
C. 4 倍
D. 1/4 倍
题目解答
答案
C. 4 倍
解析
考查要点:本题主要考查电场能量与电荷密度的关系,需要理解电场能量的计算公式及其与电荷分布的依赖性。
解题核心思路:
电场能量公式为 $U = \frac{1}{2\epsilon_0} \int E^2 \, dV$,其中电场强度 $E$ 由电荷密度 $\rho$ 决定。当 $\rho$ 增大为原来的2倍时,需分析 $E$ 的变化,进而确定 $E^2$ 的变化倍数,最终结合积分体积计算总能量的变化。
破题关键点:
- 电场强度与电荷密度的关系:在均匀带电体中,电场强度 $E$ 与 $\rho$ 成正比。
- 能量与场强的平方关系:电场能量与 $E^2$ 成正比,因此 $\rho$ 增大为2倍时,$E^2$ 增大为4倍。
- 积分体积的假设:题目默认体积 $V$ 不变,因此总能量变为原来的4倍。
步骤1:确定电场强度的变化
假设带电体形状不变,当电荷密度 $\rho$ 增大为原来的2倍时,总电荷 $Q = \rho V$ 也增大为原来的2倍。根据高斯定理,场强 $E$ 的分布与 $Q$ 成正比,因此场强 $E$ 增大为原来的2倍。
步骤2:分析电场能量公式
电场能量公式为:
$U = \frac{1}{2\epsilon_0} \int E^2 \, dV$
若 $E$ 增大为原来的2倍,则 $E^2$ 增大为原来的4倍。由于体积 $V$ 不变,积分结果 $\int E^2 \, dV$ 也增大为原来的4倍,因此总能量 $U$ 增大为原来的4倍。
结论:电场能量变为原来的4倍,对应选项 C。