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等势线可以看成等高线吗?(01)

已有 8106 次阅读 2014-10-26 18:52 |个人分类:其他|系统分类:教学心得| 电力线, 等势线

本文有重大错误!E是矢量,大小不能直接相加!


电场线和等势线是电学的一个基础内容。要画出等势线相对比较简单,虽然是个不一定能求解的隐函数,但好歹有个方程。要画出电力线就比较麻烦,目前我只会用迭代的方法画,电力线就算能够用方程来描述,应该也会相当复杂。

下图是一个正电荷q在(-20),负电荷-q在(+20)的电偶极子的电场线和等势线,结合在一起可以发现电场线和等势线是互相垂直的,这时很多人应该会联想到山坡的等高线,在脑海里面出现与第4个图相类似的三维图,认为等势线就是那橘黄色的等高线,而电力线就是沿着斜坡下来的线。正电荷位于平台中心的上方,负电荷位于天坑中心的下方,没有出现点电荷原因在于点电荷附近的电场强度太大了,所以只能截取中间一部分。我以前仗着自己会画几个图然后就是这么教学生的,现在才发现这种观点是错的,唉!已经误了不少子弟了。




虽然看上去很怪异,但下面的图应该更正确。下左图中那些橘黄色的曲线是等V线,V为电势。z坐标相同但电势不一定相同,因为数据来自x-y平面所以大小由xy共同决定。而且由于负电荷处于(+2,0),所以x>0的电势大小应该是负的,该图没表现出来。

下右图中绿色的线为等E线,E为电场强度,z坐标相同则E相同。

两个图其实是同一个立体图,只不过表面镶嵌了不同的曲线。


由于V与E的表达式不一样,所以等E线和等V线存在差别,下图左图为俯视图,蓝线为正电荷附近的等V线,红线为负电荷附近的等V线。绿色为等E线,可以看成地形的等高线。E是矢量,他的大小或者说模一定是不小于0的。

右图为x-z截面。蓝线描述了正电荷附近的V的大小,红线描述了负电荷附近V的大小,绿线描述了E的大小,在正负电荷之间存在一个极值。


下面的左图是等E线,从内到外的E满足16:4:2:1:1/2:1/3:1/4。在某些地方电线似乎能将等E线均匀的分段,这一点似乎反映了电场线的密度能用来描述E的大小。只要电场线足够多,或许任意一条等E线都能被均匀分割。




考虑到负电荷在(+2,0)处,电势存在正负,我们也可以画成这种形式。强行把x>0的E掰成负的。这样子电势线的正负似乎反应出来了。

x=0处,E不再连续,等E线当然也不再连续。感觉有点像厕所里的东西。



当然其实没必要向上图那样画,太别扭了。等势面本身就可以构成一个3维图,只是我现在不知道该怎么在这个三维图里画电场线而已,虽然等E线还是可以画上去的。下图左图中橘黄色的线为等V线,右图中绿的线为等E线。








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1 尤明庆

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