高斯定理
高数高斯定理
高数高斯定理高数高斯定理，也称为高斯积分定理，是数学中的一个重要定理，它建立了曲线、曲面和体积之间的联系。
该定理是由德国数学家高斯在19世纪中期提出的，被广泛应用于物理学、工程学等领域。
高斯定理的基本思想是将空间中的曲面和曲线与曲面内部的体积联系起来。
它将曲面的积分与曲面内部的体积积分相联系，从而实现了将高维空间中的问题转化为低维空间中的问题求解。
这一思想在数学和物理学中具有重要的意义。
根据高斯定理，对于一个封闭的曲面S，通过该曲面内部的任何一点P引出的曲线都是闭合的。
曲面S将空间分为两个部分，内部和外部。
高斯定理指出，通过曲面S内部的体积的通量等于通过曲面S上的边界的曲面积分。
这一定理可以表示为以下公式：∮S F·dS = ∭V (∇·F) dV其中，F是一个矢量场，S是曲面的边界，V是曲面S所包围的体积，∮S表示曲面上的积分，∭V表示体积上的积分，∇·F表示矢量场F 的散度。
高斯定理在物理学中有广泛的应用。
例如，它可以用于计算电场的通量、电荷分布和电势的关系。
根据高斯定理，通过一个闭合曲面的电场通量等于该曲面内部的电荷分布除以介电常数。
这个公式不仅可以用于计算电场，还可以用于计算其他物理量，如磁场、流体力学中的流量等。
在工程学中，高斯定理也被广泛应用。
例如，在流体力学中，可以使用高斯定理来计算液体或气体通过封闭曲面的流量。
在传热学中，高斯定理可以用来计算热通量。
在结构力学中，高斯定理可以用来计算力的分布和应力的大小。
高数高斯定理是数学中的一个重要定理，它建立了曲线、曲面和体积之间的联系。
该定理广泛应用于物理学、工程学等领域，可以用于计算电场、磁场、流体力学中的流量和传热学中的热通量等物理量。
高斯定理的应用使得问题的求解变得更加简洁和高效，对于理解和解决实际问题具有重要的意义。
高斯定理
电场强度E 在任意面积上的面积分
高斯定理
称为电场强度对该面积的通量。根据库仑定律可以证明电场强度对任意封闭曲面的通量正比于该封闭曲面内电荷的代数和，即
高斯定理
, (1)
这就是高斯定理。它表示，电场强度对任意封闭曲面的通量只取决于该封闭曲面内电荷的代数和，与曲面内电荷的分布情况无关，与封闭曲面外的电荷亦无关。在真空的情况下,Σq是包围在封闭曲面内的自由电荷的代数和。当存在介质时,Σq应理解为包围在封闭曲面内的自由电荷和极化电荷的总和。
高斯定理
பைடு நூலகம்， (3)
在研究电介质中的静电场时，这两种形式的高斯定理特别重要。
高斯定理的微分形式为
高斯定理
。
即电位移的散度等于该点自由电荷的体密度。在均匀线性介质区内，则为
高斯定理
。
静电场的高斯定理可以推广到非静态场中去，不论对于随时间变化的电场还是静态电场，高斯定理都是成立的，它是麦克斯韦方程组的组成部分。
高斯定理反映了静电场是有源场这一特性。凡是有正电荷的地方，必有电力线发出；凡是有负电荷的地方，必有电力线会聚。正电荷是电力线的源头，负电荷是电力线的尾闾。
高斯定理是从库仑定律直接导出的，它完全依赖于电荷间作用力的二次方反比律。把高斯定理应用于处在静电平衡条件下的金属导体，就得到导体内部无净电荷的结论，因而测定导体内部是否有净电荷是检验库仑定律的重要方法。
矢量分析的重要定理之一。穿过一封闭曲面的电通量与封闭曲面所包围的电荷量成正比。换一种说法：电场强度在一封闭曲面上的面积分与封闭曲面所包围的电荷量成正比由于磁力线总是闭合曲线，因此任何一条进入一个闭合曲面的磁力线必定会从曲面内部出来，否则这条磁力线就不会闭合起来了。如果对于一个闭合曲面，定义向外为正法线的指向，则进入曲面的磁通量为负，出来的磁通量为正，那么就可以得到通过一个闭合曲面的总磁通量为0。这个规律类似于电场中的高斯定理，因此也称为高斯定理
高斯定理公式
高斯定理公式
高斯定理数学公式是：∮F·dS=∫(▽·F)dV。
高斯定律表明在闭合曲面内的电荷分布与产生的电场之间的关系。
高斯定理（Gauss' law）也称为高斯通量理论（Gauss' flux theorem），或称作散度定理、高斯散度定理、高斯－奥斯特罗格拉德斯基公式、奥氏定理或高－奥公式（通常情况的高斯定理都是指该定理，也有其它同名定理）。
高斯定律在静电场情况下类比于应用在磁场学的安培定律，而二者都被集中在麦克斯韦方程组中。
因为数学上的相似性，高斯定律也可以应用于其它由平方反比律决定的物理量，例如引力或者辐照度。
扩展资料：
高斯定理指出：穿过一封闭曲面的电通量与封闭曲面所包围的电荷量成正比。
换一种说法：电场强度在一封闭曲面上的面积分与封闭曲面所包围的电荷量成正比。
它表示，电场强度对任意封闭曲面的通量只取决于该封闭曲面内电荷的代数和，与曲面内电荷的位置分布情况无关，与封闭曲面外的电荷亦无关。
在真空的情况下，Σq是包围在封闭曲面内的自由电荷的代数和。
当存在介质时，Σq应理解为包围在封闭曲面内的自由电荷和极化电荷的总和。
大学物理 高斯定理
引言概述：在大学物理中，高斯定理是一项重要的物理原理，它描述了电场和磁场的性质。
高斯定理由德国物理学家卡尔·弗里德里希·高斯于18世纪中叶提出，是电磁学的基础之一。
本文将介绍高斯定理的概念、原理及其在电场和磁场中的应用。
正文内容：1. 高斯定理的概念1.1 定义高斯定理是描述电场和磁场分布的一种数学工具，它通过计算电场或磁场通过一个闭合曲面（高斯面）的总通量来研究场的分布。
1.2 数学表达高斯定理可以用数学表达式表示为：∮E·dA = q/ε0，其中∮E·dA表示场在闭合曲面上的总通量，q表示闭合曲面内的电荷量，ε0为真空介电常数。
2. 高斯定理的原理2.1 高斯面的选择高斯定理中的高斯面是根据具体问题选择的，一般情况下我们选择对称性较高的闭合曲面，以简化计算。
2.2 电场线的特性高斯定理的基础是电场线的性质，电场线从正电荷流向负电荷，且与介质边界垂直，通过一个封闭曲面的电场线数目与该封闭曲面内的电荷量有关。
2.3 通量与电场强度高斯定理中的总通量与电场强度呈正相关关系，通过计算总通量可以得到闭合曲面内的电场强度大小。
3. 高斯定理在电场中的应用3.1 点电荷的场分布高斯定理可以用来研究点电荷周围的电场分布，通过选择以点电荷为中心的球面作为高斯面，可以计算出球面内外的电场强度大小。
3.2 均匀带电球壳的场分布对于均匀带电球壳，可以通过选择以球壳为中心的闭合曲面来计算球壳内外的电场分布，根据高斯定理可以得到球壳内外的电场强度大小。
4. 高斯定理在磁场中的应用4.1 磁场的总通量类似于电场，磁场也可以使用高斯定理来描述，通过计算磁场通过闭合曲面的总通量可以了解磁场的分布情况。
4.2 磁场的磁感应强度高斯定理在磁场中的应用可以得到磁场的磁感应强度大小，通过选择合适的闭合曲面，可以计算出曲面内外的磁感应强度。
5. 高斯定理的实际应用5.1 高斯定理在电容器中的应用电容器是电子器件中常见的元件，根据高斯定理，可以计算电容器两极板之间的电场强度，进而了解电容器的性能。
高斯定理(电磁学)
证明方法
高斯定理的证明通常基于库仑定律、电场线性质和微积分等 基本原理。通过选择适当的闭合曲面和运用微积分中的高斯 公式，可以推导出高斯定理。
推导过程
首先，根据库仑定律，电场线从正电荷发出，终止于负电荷 或无穷远处。然后，通过选取适当的闭合曲面，将电荷包围 在其中，运用高斯公式和高斯定理的推导过程，最终得到高 斯定理的数学表述。
要点一
总结词
高斯定理在其他领域也有广泛的应用，如电场、量子力学 、光学等。
要点二
详细描述
高斯定理在电场中可以用来计算电场的分布和强度，以及 电通量的计算等问题。在量子力学中，高斯定理可以用来 研究波函数的性质和演化。在光学中，高斯定理可以用来 研究光场的分布和强度，以及光通量的计算等问题。
05
高斯定理的扩展和深化
磁场中的应用
总结词
高斯定理在磁场中也有广泛的应用，它可以 帮助我们理解和计算磁场的分布和强度。
详细描述
在磁场中，高斯定理可以用来计算球形区域 内磁场的分布和强度，通过球面上的磁场强 度的积分可以得到球内的磁场。此外，高斯 定理还可以用来研究磁场线的闭合性质，以 及磁通量的计算等问题。
其他领域的应用
引力场中的应用
总结词
高斯定理在引力场中也有重要的应用，它可以帮助我们理解和计算引力场的分布和强度。
详细描述
在引力场中，高斯定理可以用来计算球形区域内物质的质量分布，通过球面上的引力场强度的积分可以得到球内 的质量。此外，高斯定理还可以用来研究引力场的空间分布，通过球面上的引力场强度的分布，可以推导出球内 引力场的分布情况。
高斯定理的应用条件
适用范围
高斯定理适用于任何线性、非自相互作用、电荷连续分布的电场。对于非线性、 自相互作用或离散分布的电荷，高斯定理可能不适用。
物理高斯定理
物理高斯定理
物理高斯定理，也称为高斯通量定理，是一种描述电场，磁场和重力场行为的定理。
在电场中，高斯定理描述电通量穿过一个闭合曲面的总量，与该曲面包围的电荷量成正比。
这个定理是电场理论的基础之一，它可以帮助我们计算电荷分布和电势等量。
在磁场中，高斯定理告诉我们，磁通量穿过一个闭合曲面的总量为零。
这个定理被称为“安培环路定理”，因为这是基本的电路理论之一。
在重力场中，高斯定理可以用来计算曲面内部的万有引力势能。
当一个重力场的质量密度在一个闭合曲面内处处均匀时，曲面内的总重力无穷小。
高斯定理是现代物理学的重要概念，它帮助我们理解各种场的行为，并解决复杂的物理问题。
高斯定理
λ
∑q
r
∑ q = λh
φ = ∫∫S EdS cosθ =
φ左底 = φ右底 = 0
φ = φ左底 + φ侧 + φ右底
ε0
h
Q E⊥dS , cosθ = 0
§4.高斯定理 / 五、解题方法及应用举例 高斯定理
φ = φ侧 = ∫∫侧 EdS cosθ
侧面上各点的场强 E 大小相等，方向 大小相等， 与法线相同。 与法线相同。
E = E+ − E− = 0
+σ
−σ
E+ E− E+
极板右侧
E = E+ − E− = 0
E+
E−
E−
两极板间
σ σ σ + = E = E+ + E− = 2ε 0 2ε 0 ε 0
§4.高斯定理 / 五、解题方法及应用举例 高斯定理
E
n
r
λ
φ = E ∫∫侧 dS
= E 2πrh =
∑q
ε0
λh = ε0
λ E= 2πε 0r
h
§4.高斯定理 / 五、解题方法及应用举例 高斯定理
例3：无限大带电平面，面电荷密度为 σ， ：无限大带电平面， 求平面附近某点的电场强度。 求平面附近某点的电场强度。 解：作底面积为 S ， 高为 h 的闭合圆柱面， 的闭合圆柱面， σ
S
r
ε0 σS 2ES = ε0 σ E= 2ε 0
§4.高斯定理 / 五、解题方法及应用举例 高斯定理
φ=
∑q
例4：两无限大带电平面（平行板电容 ：两无限大带电平面（ 器），面电荷密度分别为 +σ 和 −σ ， ），面电荷密度分别为 电容器内、外的电场强度。 求：电容器内、外的电场强度。 解：极板左侧
高斯定理的内容
高斯定理，也称为高斯通量理论或散度定理，是矢量分析中的重要恒等式，也是研究场的重要公式之一。
它表明穿过一封闭曲面的电通量与封闭曲面所包围的电荷量成正比。
具体来说，高斯定理指出电场强度在一封闭曲面上的面积分与封闭曲面所包围的电荷量成正比。
当所涉体积内电荷连续分布时，上式右端的求和应变为积分。
高斯定理在静电学中表明在闭合曲面内的电荷之和与产生的电场在该闭合曲面上的电通量积分之间的关系。
高斯定律在静电场情况下类比于应用在磁场学的安培定律，而二者都被集中在麦克斯韦方程组中。
因为数学上的相似性，高斯定律也可以应用于其它由平方反比律决定的物理量，例如引力或者辐照度。
高斯定理是电磁学中一个非常基础且重要的定理，对于理解电荷分布和电场之间的关系以及电磁场的性质有着重要的意义。
高斯定理
1
4π0
q r3
rdS
e
S de
q
q
dS
S 4π0r 2
4π0r 2
dS q
S
0
Φe 与r 无关q ，也就是说，无论高斯面多大，总 电通量都为 0 ，即通过各球面的电力线总条数相 等。 说明点电荷的电力线可以延伸到无限远处。 9
2. 点电荷在任意封闭曲面内
穿过球面S1和S2的电场线，必定也穿 过闭合曲面S。所以穿过任意闭合曲
e ES cos 或 e E S
S cos
(3) 非均匀电场强度电通量
de E dS
通过任一曲面S 的电通量：
e de EdS
S
S
5
思考题：电场线与电通量的区别
(4) 任意闭合曲面的电通量：
e d e E dS
S
S
一个闭合曲面把整个空间分割成两部分： 内部空间和外部空间
外法线矢量：指向曲面外部空间的法线矢量 内法线矢量：指向曲面内部空间的法线矢量
S2
S
E
面 S的电通量必然为q/ 0 ，即
q S1
Φe
s
Ev dSv
q
0
• 点电荷为-q时，通过任意闭合曲面的电通量
Φe
S
Ev
dSv
q
0
电场线是穿入闭合曲面的。
10
3. 任意闭合曲面S包围多个点电荷q1、q2、…、qn 根据电通量的定义和电场强度的叠加原理，其电通
量可以表示为
Φe
E
S
dS
(E1
其实高斯定理不仅适用于静电场，还可用于变化的电 场，比库仑定律更广泛，是Maxwell方程组之一
16
简述高斯定理
简述高斯定理
高斯定理，亦称高斯散度定理或高斯-奥斯特罗格拉斯定理，是关于矢量场的一个重要定理，描述了矢量场的流量与场源之间的关系。
1805年德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯首次发现并证明了这一定理，因此得名。
高斯定理主要描述了一个任意形状的封闭曲面所包围的矢量场的总量，即该曲面内部的流量。
具体而言，它表达了矢量场经过曲面的流量与场源的强度之间的关系，其中场源指的是矢量场的发源点或密度。
在物理学和工程学等领域，高斯定理可用于求解过程中涉及到的矢量场参数，如电场、磁场、流体动力学等。
例如，在电场计算中，可以通过高斯定理求出导体表面的电场强度分布情况，从而判断导体是否会带电或产生电荷等现象。
高斯定理的简单形式是：曲面的通量等于场源的流量，即
∮S F·dS = ∫∫∫V div(F) dV
其中，S为任意形状的封闭曲面，F为矢量场，V为曲面所包围的空间，div(F)为矢量场的散度。
该式左侧表示曲面S对矢量场F的流量，右侧表示场源强度即矢量场F的散度，二者相等。
需要注意的是，由于高斯定理的适用范围限制在封闭曲面内部，因此如果存在曲面S内部的场源，则其贡献需要另行考虑。
总之，高斯定理为描述矢量场的变化、流量和散度等方面提供了重要的理论基础，对物理学、工程学及其他相关领域的研究和应用具有重要的指导作用。
电磁学高斯定理
电磁学高斯定理
高斯定理（也称高斯定律）是电磁学中的一个重要定理，它描述了电场和电荷密度之间的关系。
高斯定理可以表示为：
\oint \vec{E} \cdot d\vec{S} = \frac{Q}{\epsilon_0}
其中，\vec{E} 是电场强度，d\vec{S} 是闭合曲面S 上的微小面积元素，Q 是在闭合曲面S 内任意一点的总电荷量，\epsilon_0 是真空中的电常数。
式子的意义是：在闭合曲面S 上对电场进行积分，得到的结果等于该曲面内的总电荷量除以\epsilon_0。
高斯定理的图解意义是：假设球形曲面S 包围着一些电荷，电场线在球面上的密度与电荷的大小成正比。
将球面分为无数小面元，每个面元上的电场线密度相同，电场线穿过球面的一小段面元可以看作是平行放置的棒状体。
这些面元的单位面积处的电场强度是相同的，因此此处电场线条数与电荷量成正比。
当电荷密度不均匀时，可以将球面分为更小的部分，每个小部分使用相同的方法即可，最终可以通过积分得到整个曲面内的电场强度。
高斯定理在电场分析中非常有用，常用于计算具有对称性的电荷分布所产生的电场，如点电荷、电偶极子等。
高斯定理
e E dS (E1 E2 E3 ) dS
S
S
S E1 dS S E2 dS S En dS 2 q2 qqi 1
e
E
S
dS
e1
e2
en
1
0
qi
inside ,i
• 注意！
• 电场强度Ｅ是所有电荷产生的，无论是闭曲面内 还是外，公式中Ｅ取曲面上的值；
dS
S
0
２．包围一个点电荷的任意曲面
de E dS '
q
4 0r2
rˆ
dS'
nˆ
d dS r2
q d
4 0
q
d 4
S
e
S
d e
q
0
３．一个点电荷在任意闭曲面外，电通量 为零
de E dS '
q
4 0r2
rˆ
dS'
nˆ
E
dS ''
dS '
q
４．由叠加原理，任意电荷系高斯定理成立
E S
dS
1
0
qi
inside ,i
立体角
d
dS r2
d
dS ' r2
rˆ
dS '
cos
r2
nˆ
E
dS '
闭曲面对内任一点
d 4
S
dS
d rˆ
证明高斯定理
１．一个点电荷，闭曲面为以点电荷为心的球面
d e
E dS
EdS
1
4 0
q r2
dS
r
q
E
q
q
q
5-3 高斯定理
q
高斯面
r
4 3 pR 3
可见，球体内场强随 线性增加 线性增加。 可见，球体内场强随r线性增加。 均匀带电球体电场强度曲线如 上图。 上图。
+ q + + + + + + + + + + + + + + + + + +
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例2
均匀带电无限大平面的电场. 均匀带电无限大平面的电场. 高斯面:作轴线与平面垂直的圆柱形高斯面， 高斯面:作轴线与平面垂直的圆柱形高斯面， 底面积为S，两底面到带电平面距离相同。 底面积为 ，两底面到带电平面距离相同。
r E=
lr v e 2 r 2pe0R
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（2）当r>R 时，
λ E= 2 0r πε
r E=
E λ 2πε0R
∑q = λl
矢量式为： 矢量式为：
r l er 2pe0r
Er 关系曲线
r
均匀带电圆柱面的电场分布
l
−1
∝r
R
0
r
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均匀带电球体空腔部分的电场， 例4 均匀带电球体空腔部分的电场，球半径为R， 在球内挖去一个半径为r（ 在球内挖去一个半径为 （r<R）的球体。 ）的球体。 试证：空腔部分的电场为匀强电场，并求出该电场。 试证：空腔部分的电场为匀强电场，并求出该电场。 证明： 用补缺法证明。 证明： 用补缺法证明。 在空腔内任取一点p, 在空腔内任取一点 , 设该点场强为 E E r1 设想用一个半径为r且体电荷密度与大球相 设想用一个半径为 且体电荷密度与大球相 c 同的小球将空腔补上后， 同的小球将空腔补上后，p点场强变为 E 1 u r v o pE r uu
高斯定理
同 学 们 好§8-3 高斯定理德国数学家和物理学家。
长期从事于数学并将数学应用 于物理学、天文学和大地测量 学等领域的研究.著述丰富，成 就甚多。
他一生中共发表323篇 （种）著作，提出404项科学创 见。
在CGS电磁系单位制中磁感应强 高斯（德 ） 度的单位定为高斯，便是为了 （ 1777-1855） 纪念高斯在电磁学上的卓越贡 献。
一.电场强度通量 通过电场中某一给定面的电场线的总条数叫做通 过该面的电通量。
1.匀强电场，规则面积下的电通量Sθ ESΨe = ES⊥SSΨe = ES⊥ = ES cosθ2.非匀强电场或不规则面积下的通量 r v 面积元矢量： dS = dS e n r 面积元范围内 E 视为均匀 微元分析法：以平代曲； 以不变代变。
dSr dSθr ES（1）通过面元的电通量：r r dΨe = EdS⊥ = E (dS cosθ ) = E ⋅ dS（1） 通过面元的电通量：πr r dΨe = EdS⊥ = E(dS cosθ ) = E ⋅ dSθ < θ > θ = π π2 2 2 dΨe > 0 dΨe < 0 dΨe = 0r dSθdSr ESr r （2）通过曲面 S 的电通量 Ψe = ∫s d Ψe = ∫s E ⋅ d S(3) 通过封闭曲面的电通 量r r Ψe = ∫ E ⋅ dSs通过封闭曲面的电通量r r Ψe = ∫ E ⋅ dSsr n规定：封闭曲面外法向为正 穿入的电场线 穿出的电场线r n rEΨe < 0 Ψe > 0r nS二、 高斯定理 高斯定理的导出 库仑定律 高斯 定理电场强度叠加原理 1.点电荷电场中电通量与电荷的关系 （1）曲面为以电荷为中心的球面E=Sq 4 π ε 0rS2r2v dSv v Ψe = ∫ E ⋅ dS = ∫qΨe =q4 πε 0 rdS+ε0(2)曲面为包围电荷的任意封闭曲面dΨe =q 4 πε 0 r2dS cos θq dS＇ = 2 4π ε0 r其中立体角dS＇ = dΩ 2 r q q Ψe = ∫ dΨ = ε 0 4 πε 0v v dS＇ dS+rθv dS＇v dS（3）曲面为不包围电荷的任意封闭曲面r v d Ψ1 = E 1 ⋅ d S 1 > 0v v dΨ2 = E 2 ⋅ dS 2 < 0v E2qv dS 2v dS 1 vE1d Ψ1 + d Ψ 2 = 0 v v ∫ E ⋅ dS = 0S2.点电荷系电场中通量 与电荷的关系v v Ψe = ∫ E ⋅ dS = ∫Sv v v E = E1 + E2 + LS iq1q2v EvdSv v ∑ Ei ⋅ dSsSqi=i (内）∑∫eSv v Ei ⋅ dS +i （外）∑ ∫v Eiv v Ei ⋅ dSQ∴ Ψ =i （外）∑∫Sv ⋅ d S = 01i （内）∑ ∫Sv v E i ⋅dS =ε0i ( 内）∑qi曲面上各点处电场强度：nE E E E r L r r r +++=21(包括S 内、S 外，所有电荷的贡献)只有S 内的电荷对穿过S 的电通量有贡献。
[数学]高斯定理
![[数学]高斯定理](https://img.taocdn.com/s3/m/5574c5f584254b35eefd349b.png)
r
R
1 2 r
o
r
21
讨论： 1. 求均匀带电球面（ R , q）的电场分布，并画出
E ~ r 曲线.
高斯面：半径 r 的同心球面
E
qr 40 r 3
0
(r R) (r R )
E
1 r2
o R r
22
2. 如何理解带电球面 r R 处 E 值突变？ 计算带电球层（ R1 , R2 , ）
s
（球对称、轴对称、面对称三种类型，后两种情 况通常具有无限长，无限大的特征）
1 3.由高斯定理 E dS
s
0
q
内
求出电场的大小，
34
并说明其方向.
•典型带电体 E 分布：
点电荷电场
E
qr 4 0 r 3
E 2 0 r 垂直于带电直线 qxi E 40 ( x 2 R 2 )3 2
1
0
q
内
只有 S 内的电荷对穿过 S 的电场强度通量有贡献13
三 .高斯定理 静电场中，通过任意封闭曲面（高斯面）的电电场 强度通量等于该封闭曲面所包围的电量代数和的1 0 倍：
1 E d S q 内
s
0
14
关于高斯定理的讨论：
1 E dS q内
dS
1）通过面元的电通量
E
de EdS E( dScos ) E dS
2
dS
S
2
2
2）通过曲面 S 的电通量 e sd e s E dS 3）通过封闭曲面的电通量 e E dS 8
高斯定理 面积分 体积分
高斯定理面积分体积分高斯定理面积分体积分高斯定理是向量分析中的一个重要定理，它描述了一个向量场穿过一个封闭曲面的总流量，并将这个流量与场在这个曲面内的发散度联系起来。
高斯定理有助于我们理解各种物理现象和工程应用，它是电磁学、流体力学等领域中的基础概念之一。
本文将从简单到复杂，由浅入深地介绍高斯定理、面积分和体积分，并探讨它们的应用。
一、高斯定理的基本概念1. 高斯定理的表述高斯定理，也称为高斯散度定理，是基于矢量算子散度（divergence）的概念而得出的。
它表述如下：“对于一个封闭曲面S，如果向量场F 在曲面S上是连续可微的，那么通过曲面S流入的场的总流量等于曲面内部的场的发散度积分。
”2. 什么是场的流量和发散度在物理学中，流量是描述通过某个表面的物质或能量的量。
对于一个向量场F，其流量可以表示为该向量场在单位面积上的法向分量乘以面积元素的矢量积分。
而场的发散度描述了场在某一点上的流出或流入程度，即场在该点上的散度。
3. 高斯定理的物理解释高斯定理可以用来描述电场、磁场、流体力学等领域中的物理现象。
对于电场而言，高斯定理告诉我们，电场通过一个封闭曲面的总电通量等于该曲面内部电荷的代数和。
对于磁场而言，高斯定理则告诉我们，磁场通过一个封闭曲面的总磁通等于零。
这些实际应用中的例子有助于我们理解高斯定理的重要性和应用价值。
二、面积分的概念与计算方法1. 面积分的定义面积分是一种用来计算向量场或标量场通过给定曲面的总流量的方法。
对于向量场F而言，其面积分可以表示为该向量场在单位面积上的法向分量与面积元素的矢量积分。
而对于标量场f而言，其面积分则仅计算标量场在单位面积上的大小。
2. 面积分的计算方法面积分的计算方法有多种，可以根据具体情况选择合适的方法。
常见的方法包括直接计算、参数化曲面和高斯定理。
其中，高斯定理是一种非常有用的计算方法，当向量场在考虑的曲面上发散度恒为零时，利用高斯定理可以简化计算过程。
高斯定理的解释和公式
高斯定理的解释和公式
高斯定理，也称为散度定理，是数学中的一个重要定理。
它描述了一个向量场通过一个封闭曲面的总量。
高斯定理在物理学和工程学的许多领域中都有广泛的应用，如电磁学、流体力学和热传导等。
高斯定理的数学表达形式如下：
对于一个平滑的三维矢量场F=(Fx,Fy,Fz)，定义一个封闭曲面S来围绕一个具有体积V的区域D。
那么，高斯定理可以写作：
∬S F·dS = ∭D ∇·F dV
其中，F·dS表示向量场F在曲面元dS上的点积积分，∇·F表示向量场F的散度，dV表示体积元。
这个定理的物理解释是，对于一个流经封闭曲面的流体量，其发散性（流出和流入区域的总和）等于其在包围该区域的体积中的源和汇的总量。
高斯定理的应用非常广泛。
在电磁学中，它可以用来计算通过一个闭合曲面的电场强度和磁场强度的总量。
在流体力学中，它可以用来计算液体或气体通过一个封闭曲面的流量。
在热传导中，它可以用来计算热量通过一个封闭曲面的扩散量。
总之，高斯定理提供了一个非常强大的工具，用于计算向量场通过封闭曲面的总量。
它在物理和工程学中的应用使得我们能够更好地理解和分析各种自然现象和工程问题。
高 斯 定 理
1.3 高斯定理
静电场是由电荷所激发的，通过电场空间某一给定闭合 曲面的电通量与激发电场的场源电荷必定有确定的关系。德 国科学家高斯通过缜密运算论证了这个关系，并提出了著名 的高斯定理。该定理给出了通过任何曲面S的电通量φe与闭 合曲面内部所包围的电荷之间的关系。下面就以点电荷为例 来讨论。
（3）利用高斯定理解出场强E。
【例7-4】求点电荷Q的电场强度的分布情况。
S
0
由此可见，通过此球面的电通量等于球面内的电荷量q除以 真空电容率ε0 ，与球面半径无关。
（2）一个正点电荷q，被任意闭合曲 面S′和球面S同时包围，如下图所示。根 据电力线的连续性可知，凡是通过球面S 的电力线都一定通过曲面S′。所以通过闭 合曲面S′的电通量等于通过球面S的电通 量，均为 q/ε0 。
物理学
高斯定理
1.1 电场线
电场线是空间中一系列假想的曲线，主要反映电场的特
征，描述电场中各点场强E的大小和方向。为此，对电场线作
如下规定：
（1）电场线上每一点的切线方向与该点场强E的方向一
致。这样，电场线的方向就反映了场强方向的分布情况。
（2）在任一场点，使通过垂直于场强E的单位面积的电
场线数目（称为电场线密度），正比于该点处场强E的大小。
2．非均匀电场的电通量
在非均匀电场中，为了求出通过任意曲面S的电通量φe， 可以把曲面S分成无限多个面元dS，如下图所示。此时，面元 dS可以近似看成一个平面，并且在面元的范围内电场强度可 以近似看成大小相等、方向相同的匀强电场。
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简析高斯定理在电场中的应用高斯定理是静电学中的一个重要定理, 它反映了静电场的一个基本性质, 即静电场是有源场, 其源即是电荷。
可表述为: 在静电场中, 通过任意闭合曲面的电通量, 等于该闭合曲面所包围的电荷的代数和的1/ε倍, 与闭合曲面外的电荷无关。
表达式为01()1/ni i S E ds q φε==•=∑⎰⎰ （1）高斯定理是用来求场强 E 分布, 定理中, S 是任意曲面, 由于数学水平的限制, 要由高斯定理计算出E,则对由场的分布有一定的要求, 即电荷分布具有严格的对称性( 若电荷分布不对称性即不是均匀的, 引起电场分布不对称, 不能从高斯定理求空间场强分布,高斯定理当然仍是成立的) , 由于电荷分布的对称性导致场强分布的对称性, 场强分布的对称性应包括大小和方向两个方面。
典型情况有三种:1) 球对称性, 如点电荷, 均匀带电球面或球体等;2) 轴对称性, 如无限长均匀带电直线, 无限长均匀带电圆柱或圆柱面, 无限长均匀带电同轴圆柱面3) 面对称性, 如均匀带电无限大平面或平板,或者若干均匀带电无限大平行平面。
根据高斯定理计算场强时, 必须先根据电荷分布的对称性, 分析场强分布的对称性; 再适当选取无厚度的几何面作为高斯面。
选取的原则是:○1 待求场强的场点必须在高斯面上;○2 使高斯面的各个部分或者与E 垂直, 或者E 平行;○3 与E 垂直的那部分高斯面上各点的场强应相等;○4 高斯面的形状应是最简单的几何面。
最后由高斯定理求出场强。
高斯定理说明的是通过闭合曲面的电通量与闭合 曲面所包围的所有电荷的代数和之间的关系, 即闭合曲面的总场强E 的电通量只与曲面所包围的电荷有关, 但与曲面内电荷的分布无关。
但闭合曲面上的电场强度却是与曲面内外所有电荷相联系的,是共同激发的结果。
步骤：1．进行对称性分析，即由电荷分布的对称性，分析场强分布的对称性，判断能否用高斯定理来求电场强度的分布（常见的对称性有球对称性、轴对称性、面对称性等）；2．根据场强分布的特点，作适当的高斯面，要求：①待求场强的场点应在此高斯面上，②穿过该高斯面的电通量容易计算。
一般地，高斯面各面元的法线矢量n 与E 平行或垂直，n与E 平行时，E 的大小要求处处相等，使得E能提到积分号外面；3．计算电通量⎰⎰⋅S d E和高斯面内所包围的电荷的代数和，最后由高斯定理求出场强。
应该指出，在某些情况下（对称），应用高斯定理是比较简单的，但一般情况下，以点电荷场强公式和叠加原理以相互补充，还有其它的方法，应根据具体情况选用。
利用高斯定理，可简洁地求得具有对称性的带电体场源（如球型、圆柱形、无限长和无限大平板型等）的空间场强分布。
计算的关键在于选取合适的闭合曲面——高斯面。
典型例题：例题1、设一块均匀带正电无限大平面，电荷密度为σ=9.3×10-8C/m 2，放置在真空中，求空间任一点的场强.解：根据电荷的分布情况，可作如下判断：(1)电荷均匀分布在均匀带电无限大平面上，我们知道孤立正的点电荷的电场是以电荷为中心，沿各个方向在空间向外的直线，因此空间任一点的场强只在与平面垂直向外的方向上(如果带负电荷，电场方向相反)，其他方向上的电场相互抵消；(2)在平行于带电平面的某一平面上各点的场强相等；(3)带电面右半空间的场强与左半空间的场强，对带电平面是对称的.为了计算右方一点A 的场强，在左取它的对称点B ，以AB 为轴线作一圆柱，如图所示. 对圆柱表面用高斯定理，⎰∑=+=⋅=se e e q ds E 0εφφφ两个底面侧面 (1) 0=侧e φ (2) ES e 2=两个底面φ (3)圆柱内的电荷量为∑=S q σ (4)把(2)、(3)、(4)代入(1)得02εσ=E =1281085.82103.9--⨯⨯⨯V/m=5.25×103 V/m 例题2、设有一根无限长块均匀带正电直线，电荷线密度为λ=5.0×10-9C/m ，放置在真空中，求空间距直线1m 处任一点的场强.解：根据电荷的分布情况，可作如下判断：(1)电荷均匀分布在无限长块均匀直线上，我们知道孤立正的点电荷的电场是以电荷为中心，沿各个方向在空间向外的直线，因此空间任一点的场强只在与直线垂直向外的方向上存在(如果带负电荷，电场方向相反)，其他方向上的电场相互抵消；(2)以直线为轴线的圆柱面上各点的场强数值相等，方向垂直于柱面(如图).根据场强的分布，我们以直线为轴作长为l ，半径为r 的圆柱体.把圆柱体的表面作为高斯面，对圆柱表面用高斯定理：⎰∑=+=⋅=se e e q ds E 0εφφφ两个底面侧面 (1)rlE E S e πφ2==侧侧 (2)0=两个底面e φ (3)圆柱内的电荷量为∑=l q λ (4)把(2)、(3)、(4)代入(1)得r E 02πελ==11085.814.32100.5129⨯⨯⨯⨯⨯--V/m=89.96 V/m 例题3、设有一半径为R 的均匀带正电球面，电荷为q ，放置在真空中，求空间任一点的场强.解：由于电荷均匀分布在球面上,因此,空间任一点P 的的场强具有对称性,方向由球心O 到P 的径矢方向(如果带负电荷，电场方向相反)，在与带电球面同心的球面上各点E 的大小相等.根据场强的分布，我们取一半径为r 且与带电球面同系同心的球面为为高斯面，如图所示.若R r <，高斯面2S 在球壳内，对球面2S 用高斯定理得 ⎰∑=⋅=⋅=se q rEds E 024επφ球内因为球壳内无电荷，∑=0q ，所以0=球内E若R r >，高斯面1S 在球壳外，对球面1S 用高斯定理得∑=q q ，故有24επqE R =204rq E πε=由此可知，均匀带电球面内的场强为零，球面外的场强与电荷集中在球心的点电荷所产生的场强相同.例题4、均匀带电球壳的场强。
设有一半径为R 、均匀带电为Q 的薄球壳。
求球壳内部和外部任意点的电场强度。
解：因为球壳很薄，其厚度可忽略不计，电荷Q 近似认为均匀分布在球面上。
由于电荷分布是球对称的，所以电场强度的分布也是球对称的。
因此在电场强度的空间中任意点的电场强度的方向沿径矢，大小则依赖于从球心到场点的距离。
即在同一球面上的各点的电场强度的大小是相等的。
以球心到场点的距离为半径作一球面，则通过此球面的电通量为E r dS E S d E SSe 2 4π=⋅=⋅=Φ⎰⎰⎰⎰根据高斯定理，通过球面的电通量为球面内包围的电荷εqe =Φ当场点在球壳外时 Q q = 电场强度为 204r Q E πε＝当场点在球壳内时 0=q电场强度为 0＝E例题5、均匀带电球体的场强。
设有一半径为R 、均匀带电为Q 的球体。
求球体内部和外部任意点的电场强度。
解：由于电荷分布是球对称的，所以电场强度的分布也是球对称的。
因此在电场强度的空间中任意点的电场强度的方向沿径矢，大小则依赖于从球心到场点的距离。
即在同一球面上的各点的电场强度的大小是相等的。
以球心到场点的距离为半径作一球面，则通过此球面的电通量为E r dS E S d E SSe 2 4π=⋅=⋅=Φ⎰⎰⎰⎰根据高斯定理，通过球面的电通量为球面内包围的电荷εqe =Φ当场点在球体外时 Q q = 电场强度为 204r Q E πε＝当场点在球体内时 33333434RQr r R Q q ==ππ 电场强度为 304R QrE πε＝例题6、无限长均匀带电直线的场强。
设有一无限长均匀带电直线，单位长度上的电荷，即电荷线密度为λ，求距离直线为r 处的电场强度。
解：由于带电直线无限长，且电荷均匀分布，所以电场的场强沿垂直于该直线的径矢方向，而且在距直线等距离的各点的场强的大小相等，即电场分布是柱对称的。
以该直线为轴线作一圆柱面为高斯面，长为h ，半径为r 。
由于场强与上下底面的法线垂直，所以通过圆柱的上下两个底面的电通量为零，而通过圆柱侧面的电场强度的通量为rh E π2。
又此高斯面所包围的电量为h λ，所以根据高斯定理有 0/2ελπh rh E = 由此可知，电场强度为 rE 02πελ=例题7、无限长均匀带电平面的场强。
设有一无限长均匀带电平板，单位面积上的电荷，即电荷面密度为σ，求距离平板为r 处的电场强度。
解：由于带电平板无限长，且电荷均匀分布，所以带电平板两侧电场的分布具有对称性，所以场强沿垂直于该平面，而且在距平面等距离的各点的场强的大小相等。
作圆柱面为高斯面，此圆柱面穿过带电平面，且对带电平面是对称的。
其侧面的法线方向与场强垂直，而通过圆柱侧面的电场强度的通量为零；由于场强与两个底面垂直，所以通过圆柱的两个底面的电通量为ES 。
又此高斯面所包围的电量为σS ，所以根据高斯定理有 0/2εσS ES = 由此可知，电场强度为 02εσ=E 即无限大均匀带电平面的场强与场点到平面的距离无关，而且场强的方向与带电平面垂直。
无限大带电平面的电场是匀强电场。
小结：高斯定理在电场中的一般应用步骤:（1）根据电荷分布的对称性分析电场分布的对称性。
（2）在待求区域选取合适的封闭积分曲面（称为高斯面）。
要求：曲面必须通过待求场强的点，曲面要简单易计算面积； 面上或某部分曲面上各点的场强大小相等；且面上或某部分曲面上各点的法线与该处的E方向一致或垂直或是成恒定角度，以便于计算。
（3）应用高斯定理求解出E 的大小。
(⎰∑=⋅=ss e q ds E 0)(εφ内).（4）说明E的方向。