磁场的磁感应强度为vec(B) = avec(i) + bvec(j) + cvec(k),则通过一半径为R,开口为z轴正方向的半球壳表面的磁通量的大小为A. 0B. pi R^2 aC. pi R^2 cD. pi R^2 b
A. 0
B. $\pi R^2 a$
C. $\pi R^2 c$
D. $\pi R^2 b$
题目解答
答案
解析
本题考查知识点为磁通量的计算以及磁场的高斯定理。解题思路是利用磁场的高斯定理,通过计算闭合曲面的磁通量为零,进而求出半球壳表面的磁通量。
-
首先明确磁通量的计算公式:
磁通量$\varPhi=\vec{B}\cdot\vec{S}=BS\cos\theta$,其中$\vec{B}$是磁感应强度,$\vec{S}$是面积矢量,$\theta$是$\vec{B}$与$\vec{S}$的夹角。 -
考虑一个由半球壳表面$S_1$和其底面圆$S_2$组成的闭合曲面$S = S_1+S_2$。
根据磁场的高斯定理,通过任意闭合曲面的磁通量$\varPhi_{total}=\oint_{S}\vec{B}\cdot d\vec{S}=0$,即$\varPhi_{total}=\varPhi_1+\varPhi_2 = 0$,其中$\varPhi_1$是通过半球壳表面的磁通量,$\varPhi_2$是通过底面圆的磁通量。 -
计算通过底面圆的磁通量$\varPhi_2$:
底面圆的面积$S_2=\pi R^2$,面积矢量$\vec{S}_2$方向沿$z$轴负方向(因为闭合曲面的面积矢量方向是向外的),已知$\vec{B} = a\vec{i} + b\vec{j} + c\vec{k}$。
根据磁通量公式$\varPhi_2=\vec{B}\cdot\vec{S}_2=(a\vec{i} + b\vec{j} + c\vec{k})\cdot(-\pi R^2\vec{k})$。
根据矢量点乘的运算规则$\vec{i}\cdot\vec{k}=0$,$\vec{j}\cdot\vec{k}=0$,$\vec{k}\cdot\vec{k}=1$,可得$\varPhi_2=- \pi R^2 c$。 -
计算通过半球壳表面的磁通量$\varPhi_1$:
由$\varPhi_1+\varPhi_2 = 0$,将$\varPhi_2=- \pi R^2 c$代入可得$\varPhi_1=-\varPhi_2=\pi R^2 c$。
磁通量的大小为$\vert\varPhi_1\vert=\pi R^2 c$。