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【给初学者】证明库仑定律中的k值

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一分钟讲座!有点微积分基础的人一分钟就懂了。
可能对竞赛没什么帮助,但是这里我用高斯定理给各位推导一下库仑定律中的k值。我们知道,k是常数,约等于9*10^9。那么,这个值是如何得到的呢?
因为高斯曲面中的电通量与曲面的形状无关,至于电场线的数量成正比,我们不妨假设高斯面的形状为半径等于R的球体面,其面积 A = 4πR^2。
根据高斯定理,电通量 flux =∫En dA = Q/ϵ,而 En 的值在球体表明处处相等,沿着半径的方向与球面的切线垂直。因此我们不妨先假设En是一个已知的常数。则:
∫En dA = En∫dA = En*A = En*4πR^2 = Q/ϵ。此时重点出来了——En(4πR^2) = Q/ϵ。整理得 E = (1/4πϵ)(Q/R^2)。
我们知道,E = k(Q/R^2)......而根据我们最后导出的式子可知,k =(1/4πϵ)其中ϵ约等于8.85*10^(-12)......经过验证,结论得证——k = 9*10^9。


IP属地:云南1楼2011-02-17 11:04回复
    楼主貌似在循环论证……那么ϵ是怎么得到的呢?
    虽然我没学过电动力学(水),但库仑定律好像和高斯定理等价……


    2楼2011-02-17 21:50
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      回复:2楼
      这里我们非常蛋疼的假设——我们知道库仑定律的内容,也知道k是个常数,但就是不知道k等于多少。我们还非常蛋疼地假设我们只知道ϵ的值而想知道为什么ϵ与K的关系是那样的。
      显然库仑定律不等价于高斯吧……高斯定理是用来求通量的,而库仑定律是用来求电场和电场力作用的。他们之间有很大联系,但绝对不等价。


      IP属地:云南3楼2011-02-17 21:53
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        回复:2楼
        我们是利用高斯定理与库仑定律之间的关系来理论上说明ϵ与k的关系是k=1/(4πϵ)。他们完全不等价,只是高斯定理的推导是电场与面积积分的结果。而这个紧密的联系可以让我们证明k与ϵ的关系。


        IP属地:云南4楼2011-02-17 21:56
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          是不等价,貌似库仑定律是高斯定理的充分不必要
          其实高斯定理说明了用电场线表示电场的合理性。此外,它包含了涡旋电场(???)


          5楼2011-02-18 17:12
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            回复:5楼
            高斯定理主要是说,通量与电场线穿过“曲面内”的个数有关(成正比),也就是与“曲面内”的电荷总量有关,而与曲面的形状无关。但库仑定律是完全不涉及到通量的,它是讲电场与电荷以及电荷到某点的距离相关,而电荷是电场的来源。
            虽然内容不同,但这2个定理的确密切相关。


            IP属地:云南6楼2011-02-18 21:02
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              回复:5楼
              我明白你为什么说他们等价了······
              你是高中生?如果是的话,你这么想可以,因为你们主要研究静电学。
              在静电学中,库仑定律可以通过高斯定理推导出来,所以高斯定理可以代替库仑定律——也就是你所说的充分不必要关系。也有人认为是等价关系,但我认为你的说法更准确。


              IP属地:云南7楼2011-02-19 06:45
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                不懂啊。。。。。。


                8楼2011-09-15 12:12
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