ガウスの定理(積分形)の証明について教えて頂けないでしょうか。 教科書は朝倉物理学講座5巻 電磁気学 です。 添付資料14頁図11ご参照願います。
ガウスの定理(積分形)の証明について教えて頂けないでしょうか。 教科書は朝倉物理学講座5巻 電磁気学 です。 添付資料14頁図11ご参照願います。 前の頁(13頁)に証明の前半部分が記述してあります。 ***** 【証明】まず、点電荷qが作る球対称の電場について考えよう。qをつつむ任意のガウス面Sをえがく。その上の1点Pにおける電場はE=q/(4πε0r^2)(rはqからの距離) であり、Eν=q/(4πε0 r^2)・cosθ(θはνと↑Eのなす角)であたえられる。ゆえに、 EνdS=q/(4πε0)・dS/r^2・cosθ つぎに、dSの周辺の各点とqをむすぶ直線のつくる水面を、qを中心としてrおよび単位長さを半径とする2つの球面で切った場合、それらの断面積をdS0およびdωとする。dωを面dSがqに対して張る立体角(solid angle)とよぶ。 dSとdS0はそれぞれの法線のなす角がθであることからdS0=dS・cosθまた dS0とdωは相似であるから、dω/dS0=1^2/r^2である。したがって EνdS=q/(4πε0)・dω **** 『dSとdS0はそれぞれの法線のなす角がθであることからdS0=dS・cosθ』 と記述してありますが、dS0=dS・(cosθ)^2の誤りではないでしょうか。 dS0、dSが円だとします。相似の図形です。その半径の比がcosθなら 面積比は(cosθ)^2になりませんか。ここが違うと以降の証明が変わります。 ○∫EνdS=q/ε0 が出て来ません。 図11は小さく書いてあって見づらいです。私の勘違いかも知れません。 どうでしょうか。
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ベストアンサー
ν方向に垂直な微小面dSを、 ν方向からθだけ傾いたr方向に垂直な面に射影してできる影dS₀の大きさは、 θの回転軸に垂直な方向の長さがcosθ倍になりますが、 θの回転軸方向の長さは変わりません。 なので、 dS₀=dS・cosθ です。 半径がcosθ倍になるのは、1方向のみです。 2方向の半径が共にcosθ倍にならない限り、面積がcos²θ倍になることはありません。
私にはdSとdS0の関係は分かりにくいです。図もルーペで拡大してみても見づらいです。 教科書の記述から読み取ると 1.dSは水平面である 2.dSは所与の閉曲面上の1点Pにおいてユニークに定まる接面である 3.dS0は球面であり、水平面ではない 4.dSとdS0は、純粋な数学的な写像関係ではない 5.ガウスの閉曲面はすべての点で微分可能であり、接面がユニークに定まる必要がある。 と思うのですが、どうでしょうか。
質問者からのお礼コメント
お手数かけしました。丁寧なご回答ありがとうございます。 任意の形状の閉曲面についてガウスの定理が成立することが、 理解できました。
お礼日時:1/23 22:33