寫在前面:由於非科班出身,這里的證明過程筆者結合資料,摻雜了大量想象元素,因此讀者閱讀時應該謹慎取舍。
首先在給出高斯定理證明之前,我們要提前交代幾個概念或者說理念:
微積分的思想:
其實微積分的思想真的是博大精深令人嘆服,它最初進入我們的視野是求解運動過程中的瞬時速度,我們基於x-t圖像,將區間無限分割,這導致△t趨近於0,這種極限的思想使得我們能夠完成瞬時速度的計算,這其實就是一種微分操作,為了更好表征這種做法,數學家就發明了導數這個東西,聯系導數的定義,會發現數學概念變得如此的自然可親。
自然界是對稱的,正是基於對對稱性的深信不疑使得法拉第發現了電磁感應,同樣在這里,我們有了微分這種無限分解性質的操作,對應着我們應該有一種取一個微小元然后堆積起來的操作,那么顯而易見,這就是積分了。需要進行積分的問題非常常見,例如基於v-t圖像的勻加速運動如何求解位移?基於極限這一核心思想,我們取一個微小元dt,由於其無限小的特性,這里我們可將其近似看成勻速運動,即dx=vdt,然后我們將所有的微小元積起來,就會得到整個過程的位移,這個過程也就是所謂的積分。而為了更好的表述這個過程,我們同樣需要有力的數學工具,考慮到它和微分是互逆的運算過程(這里可以聯系一下離散的關系論?),我們直接基於導數來定義積分運算即可。積分的技術在我們處理曲線曲面問題的時候會產生重要的作用。
以上是對微積分核心思想的一個簡化闡述,思想簡潔明了但是其統治性卻是非常強大的,隨着學習微積分的深入會發現這門科學是多么的強大。當然這里限於筆者水平給出的描述並不嚴謹,這里還請牛頓大哥海涵,暑假再去拜讀一下你的《自然哲學的數學原理》。
立體角:平面角我們非常熟悉,但是擴展到立體當中,我們如何度量一個角的大小呢?比如一個圓錐體的頂點和它所有母線圍成的那個角,顯然這里要給出新的定義。回憶起平面角的定義過程,在單位圓中,我們取一段弧長ds,那么其對應角的弧度就是dθ=ds/r。而在立體角當中,我們采用類似的辦法,在單位球中,去一塊面積元ds,這對應的立體角的弧度就是dΩ=ds/r^2,考慮更一般的情況,即dΩ=cosθds/r^2,有.我們將這兩個定義式進行積分運算,能夠看到,平面中周角的度數是2π,空間中的周角的度數是4π。
電通量:電通量其實和磁通量是對應的物理量,在法拉第創造場這個概念的時候,人們應該發現無論是電場還是磁場,都太過抽象,因此物理學家需要引入新的概念來描述場中某點的特征(包括E、B),由此電通量和磁通量誕生了。在這里筆者融入想象的元素,沒有任何理論資料做基礎:電場、磁場包括重力場,都是一種能量場,而能量常常被描述成流的形式(這很可能啟發自自然界中的水流),因此這里我們可以將某個截面通過的“流”的大小來描述場中能量的大小,結合場強E、B的基本概念,我們能夠很自然的給出定義式:
φ=ES(BS),微分形式:dφ=BdS(EdS).
場強E的定義式:這個東西聯想高中課本某一節的一個插畫,E = Q/4πεr^2,這是一個實驗定律。
那么基於以上的內容,我們就可以很容易的進行對高斯定理的證明:
提出問題:對於+q的點電荷,包圍它的封閉曲線上的電通量有着怎樣的分布規律呢?
先從一個簡單的例子分析起,點電荷在一個球體的中心,即求球面電通量。
根據電通量的定義和積分的技術。
先來看一個最特殊的情況:取圓面上一個面積微小元ds有dφ=Eds,等式兩邊做曲面積分並帶入E,經過整理可得:φ = q/ε.
那么來破壞一下這個完美的特殊情況,如果+q電荷不在圓心上呢?如果封閉曲面不是圓周呢?在這里的思路是將復雜情況往簡單情況上靠攏,首先我們將+q電荷放在球心上做出一個球,球面和外層的封閉曲面形成了一一映射,容易看到穿過兩個面的電通是一樣的,但是需要注意的是,對於外圍的曲面,取微小元時,應有dφ=Edscosθ,進行如上的曲面積分運算,我們會得到dφ=(qdScosθ)/(4πεr^2),結合一般情況下的立體角的定義,我們最終經過整理可得,φ = q/ε.
因此,對於一個封閉曲面內任意多個的電荷,我們都采用相同的計算方法,有φ = 1/ε∑q.