物理中存在“通量”這個物理量,“通量”的定義要用到高等數學知識.在高中階段,對“通量”的定義采用的是簡單化處理方法并輔以形象化物理模型進行理解.
(1)“磁通量”就是一種常見的“通量”.在高中階段我們是這樣來定義“磁通量”的:設在磁感應強度為B的勻強磁場中,有一個與磁場方向垂直的平面,面積為S,我們把B與S的乘積叫做穿過這個面積的磁通量(圖1),簡稱磁通.用字母?表示,則?=BS.磁通量可以形象地理解為穿過某一面積的磁感線條數的多少.如圖2所示,空間存在水平向右的勻強磁場,磁感應強度大小為B.一個面積為S的矩形線圈與豎直面間的夾角為θ,試求穿過該矩形線圈的磁通量?.
(2)“電通量”也是一種常見的“通量”.在定義“電通量”時只需要把“磁通量”中的磁感應強度B替換為電場強度E即可.請同學們充分運用類比的方法解決以下問題.已知靜電力常量為k.
a.如圖3所示,空間存在正點電荷Q,以點電荷為球心作半徑為R的球面,試求通過該球面的電通量?E1.
b.上述情況映射的是靜電場中“高斯定理”,“高斯定理”可以從庫侖定律出發(fā)得到嚴格證明.“高斯定理”可表述為:通過靜電場中任一閉合曲面的電通量等于閉合曲面內所含電荷量Q與4πk的乘積,即?E=4πkQ,其中k為靜電力常量.試根據“高斯定理”證明:一個半徑為R的均勻帶電球體(或球殼)在外部產生的電場,與一個位于球心的、電荷量相等的點電荷產生的電場相同,球外各點的電場強度也是E=kQr2(r>R),式中r是球心到該點的距離,Q為整個球體所帶的電荷量.
Q
r
2
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