库伦定律by钱立志

作者: 七龙珠Z | 来源:发表于2019-03-30 20:09 被阅读0次

静电场库伦定律

知识点

电场和电势分别描述的什么？
答：电场是一种特殊的物质。电势表示电场的能的性质。电势是表示电场的能量性质的物理量。
电量为Q的点电荷(场源电荷)，在距离它为 $r$ 的场点产生的电场和电势分别为？
答: $\vec{E}=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q}{r^2}\vec{e}$ (方向:正电荷射出，负电荷射入）
$V=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q}{r}$
电场和电势遵守何种叠加原理？
答：电场为矢量叠加，电场为标量叠加。

表达题

电量分别为 $Q_{1}=1$ 和 $Q_{2}=2$ 的点电荷(场源电荷)，相距为 $d=2r=2$ ，则其连线中点处产生的电场和电势分别为

解答：电势为： $v=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_1}{r}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_2}{r}$
为同种电荷时：电场为 $E=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_1}{r^2}-\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_2}{r^2}=\frac{-1}{4\pi\epsilon}$
为异种电荷时 $E=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_1}{r^2}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_2}{r^2}=\frac{3}{4\pi\epsilon}$

电量分别为 $Q_{1}=Q_{2}=1$ 和 $Q_{3}=Q_{4}=-1$ 的四个点电荷，分别位于正方形(边长 $d=\sqrt{2}$ )的四个顶点上。则其中心点处产生的电场和电势分别为

解答：
库伦定律by钱立志
此时 $r=\frac{d}{\sqrt{2}}=1$ ，
电势为 $v=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_1}{r}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_2}{r}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_3}{r}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_4}{r}=0$
电场为： $\vec{E}=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{|Q_1|}{r^2}\vec{e_1}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{|Q_2|}{r^2}\vec{e_2}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{|Q_3|}{r^2}\vec{e_3}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{|Q_4|}{r^2}\vec{e_4}$
$E=0$

电量分别为 $Q_{1}=Q_{3}=1$ 和 $Q_{2}=Q_{4}=-1$ 的四个点电荷，分别位于正方形(边长 $d=\sqrt{2}$ )的四个顶点上。则其中心点处产生的电场和电势分别为
库伦定律by钱立志

解答：此时 $r=\frac{d}{\sqrt{2}}=1$ ，
电势为 $v=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_1}{r}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_2}{r}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_3}{r}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q_4}{r}=0$
电场为： $E=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{|Q_1|}{r^2}\sin{\frac{\pi}{4}}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{|Q_2|}{r^2}\sin{\frac{\pi}{4}}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{|Q_3|}{r^2}\sin{\frac{\pi}{4}}+\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{|Q_4|}{r^2}\sin{\frac{\pi}{4}}$
$E=\frac{\sqrt{2}}{2\pi\epsilon}$

一个电量为 $q$ 的点电荷，在距离它为 $r$ 的场点产生的电场和电势为

解答： $\vec{E}=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{q}{r^2}\vec{e}$ (方向:正电荷射出，负电荷射入）
$V=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{q}{r}$ (正电荷为正，负电荷加个负号）

均匀带电的圆细环( $Q,R$ )在环心O处的场强和电势分别为()

解答：圆关于圆心对称，所以在圆心场强相互对称，场强为0。
电势为： $V=\int_0^{2\pi}\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac {Qd\theta}{2\pi r}=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q}{r}$

物理强调建模。如图，求均匀带电的细棒在场点P处的电场和电势，微元取为位于 $x$ 到 $x+dx$ 的一段，则微元公式中的 $dq$ 和 $r$ 分别为
库伦定律by钱立志

解答：该棒总长为L，总电荷量为Q，
此时 $dq=\frac{Qdx}{L}$
$r=d+x$

如图，求均匀带电的半圆细环在场点O处的电场和电势，经常把微元取为位于 $\theta$ 到 $\theta+d\theta$ 的一段，则公式中的 $dq$ 为

解答：总电荷量为Q。
$dq=\frac{Qd\theta}{\pi}$

积分法求场强，经常需要定性分析合场强的方向。如图，均匀“带负电”的细棒在场点 $M$ 点和 $N$ 点的电场方向分别为

解答：库伦定律by钱立志

M点电场方向向左，N点电场方向向右。

如图，均匀带异号电的半圆细环在圆心O点的电场方向为

解答：库伦定律by钱立志

方向水平向左。

细棒或细环带电体求电场 $\vec{E}$ 的思路是：

(a)考虑带电体的对称性，分析出合场的方向，记为 $\vec{e}$ ；
(b)取合适的电荷微元 $dq$ ，找到该微元到场点的距离 $r$ ，
(c) 借助点电荷公式，写出微元在场点产生的电场大小 $dE$ ，进而写出 $dE$ 在合场方向 $\vec{e}$ 上的投影 $dE_{x}=dE\cdot\cos\theta$ 。
(d)计算定积分。
现在求均匀带电的细棒( $Q,L$ )在场点P处的电场，让我们按照以上四个步骤研究该问题。
第一步，定性分析出该场点合场强的方向，可能的结果为
(1) $\vec{e}_{x}$
(2) $\vec{e}_{y}$
第二步以中点为原点建立坐标轴。微元取为位于 $x$ 到 $x+dx$ 的一段，则公式中的 $dq$ 和 $r$ 分别为
(3) $dq=\frac{Q}{L}\cdot dx$ ， $r=\sqrt{h^{2}+x^{2}}$
(4) $dq=\frac{Q}{L}\cdot dx$ ， $r=\sqrt{h^{2}+4x^{2}}$
第三步分析该微元的场强 $dE$ ，以及 $dE$ 在合场方向 $\vec{e}$ 上的投影，可能的结果为
(5) $dE_{y}=\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot\frac{dq}{r^{2}}\cdot\frac{h}{r}$
(6) $dE_{y}=\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot\frac{dq}{r^{2}}\cdot\frac{x}{r}$
第四步，把第二步的结果代入第三步的积分表达式中，计算定积分，有如下列法
(7) $\int_{-L/2}^{L/2}\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot\frac{dq}{r^{2}}\cdot\frac{h}{r}$
(8) $\int_{0}^{L}\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot\frac{dq}{r^{2}}\cdot\frac{x}{r}$
则正确的方程组是( )

解答：库伦定律by钱立志

（2），（3），（5），（7）正确。

现在求均匀带电的半圆细环( $Q,R$ )在环心O处的电场，让我们按照以上四个步骤研究该问题。库伦定律by钱立志

第一步，定性分析出该场点合场强的方向

解答：方向沿着x负向。

第二步，微元取为位于 $\theta$ 到 $\theta+d\theta$ 的一段圆弧，则公式中的 $dq$ 和 $r$ 分别为

解答： $dq=\frac{Qd\theta}{\pi}$
$r=R$

第三步分析该微元的场强 $dE$ ，以及 $dE$ 在合场方向 $\vec{e}$ 上的投影，可能的结果为

解答： $dE=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{dq}{r^2}\cos{\theta}$

第四步，把第二步的结果代入第三步的积分表达式中，计算定积分，有如下列法

解答： $E=\int_{\frac{-\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{dq}{r^2}\cos{\theta}=\frac{1}{4\pi\epsilon}\frac{Q}{R}$

细棒或细环带电体求电势 $V$ 的思路更简单，因为电势是标量叠加原理。其基本思路是，
(a)取合适的电荷微元 $dq$ ，找到该微元到场点的距离 $r$ ，
(b)借助点电荷公式，写出微元在场点产生的电势 $dV$ ，
(c)计算定积分。
现在求均匀带电的半圆细环( $Q,R$ )在环心O处的电势
第一步，微元取为位于 $\theta$ 到 $\theta+d\theta$ 的一段圆弧。则公式中的 $dq$ 和 $r$ 分别为
(1) $dq=\frac{Q}{\pi}\cdot d\theta$ ， $r=R$
(2) $dq=\frac{Q}{R\pi}\cdot d\theta$ ， $r=R$
第二步写出该微元在该点的电势 $dV$ ，可能的结果为
(3) $dV=\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot\frac{dq}{r}$
(4) $dV=\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot\frac{dq}{r}\cdot\sin\theta$
第三步，把第二步的结果代入第三步的积分表达式中，计算定积分，有如下列法
(5) $\int_{0}^{\pi}\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot\frac{dq}{r}$
(6) $\int_{0}^{\pi R}\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}\cdot\frac{dq}{r^{2}}\cdot\sin\theta$
则正确的方程组是( )