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用绝缘细线弯成的半圆环,半径为R,其上均匀的带有正电荷Q,求圆心处的电场强度。 请问积分的上下限

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解决时间 2021-02-05 09:18
用绝缘细线弯成的半圆环,半径为R,其上均匀的带有正电荷Q,求圆心处的电场强度。 请问积分的上下限
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先画个半圆环,均匀带电,所以显然,圆心处最后总的场强方向是黑色箭头所示。
之后,考虑环上任意一个点A,其产生的场强方向就是红色箭头的方向,计算其对最终总场强的贡献,就是将其向黑色箭头方向投影,需要乘以cosθ。到这应该你都知道,最后我们来考虑积分的上下限。
可以看到,当我们考虑的点在图中的一个端点,比如B时,显然此时的θ为π/2,然后考虑的点慢慢向C端点移动时,θ在渐渐减小,在最高点处为0,跨过之后θ又变为负值,直至移动到C点时θ达到另一个极值,就是-π/2。所以,最终对θ的积分区间就是从-π/2到π/2(或者π/2到-π/2),最终结果应该是一样的。
全部回答
如果按照一周的角度来积分的话,上下限应该是0到2π
以半圆弧的中心与圆心的连线作为x 轴参考,则角度从 -π/2 到 π/2。则电场力在 x 轴垂直方向的分力上、下抵消,最后只剩下沿着 x 轴方向的分力得到的结果才是我们要的。
所以在 x 轴方向上的分力:
dF = -k * dQ/R² * cosθ
= -k * ρ*dl/R² * cosθ
= -k * Q/(πR) * R*dθ/R² * cosθ
= -kQ/(πR²) * cosθ*dθ
所以,
F = -kQ/(πR²) *∫cosθ*dθ
= -kQ/(πR²) * sinθ|θ=-π/2 →π/2
= -kQ/(πR²) * [sin(π/2) - sin(-π/2)]
= -2kQ/(πR²)
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