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$\开始组$

我在读格里菲斯的《电动力学导论》,有两个问题,在我看来,处理积分中单位向量的方法不一致。

当我们试图找到电场时$\mathbf{E}$在某个时刻P美元$在每单位长度具有均匀电荷的静态线电荷周围$\λ$,我们需要使用库仑定律,在这种情况下$\mathbf{E}(\mathbf{r})=\frac{1}{4\epsilon_0\pi}\int\frac{\lambda}{r^2}\mathbf1{\hat{r}}-dl$,其中$\mathbf{\hat{r}}$是从线电荷上的一点到分离矢量方向上的单位矢量$P.(美元)$正是这个单位向量给了我麻烦。因为在一种情况下P美元$位于线电荷中点上方,我们将单位向量包含在被积函数中:

在此处输入图像描述

但在另一种情况下P美元$位于线电荷端点上方,我们不在被积函数中包括单位向量:

在此处输入图像描述

这是为什么?似乎这可能与我们只需要使用$\mathbf{E}$在第一种情况下可以找到它,但当我们有两个分量时,情况就不同了,我们可以稍后添加单位向量。但我不明白为什么会这样。

$\端组$

2个答案2

重置为默认值
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$\开始组$

在问题2.3中,您正在评估$z(美元)$x美元$-电场的分量是独立的,而在例子2.2中,你是在计算整个电场。

因此,在问题2.3中,你没有包括整个单位向量$\mathbf{\hat{n}}=\cos\theta\mathbf{\hat{z}}-\sin\theta\mathbf{\ha{x}}$但是它$z(美元)$x美元$-组件,即$\cos\θ$$-\sin\theta$.

$\端组$
2
$\开始组$

这是为什么?

这里没有什么深刻的理由要求以这种或那种方式去做。选择权在你,是出于方便还是偏好。


我想你会从向量复习中受益匪浅。任何向量都可以写成

$$\mathbf{v}=v_x\mathbf1{\hat{x}}+v_y\mathbf2{\hat{y}}+v _z\mathbf{\hat1{z}}$$

哪里$v_x$,$v_y$$v_z$(标量分量)只是实数;$\mathbf{\hat{x}}$,$\mathbf{\hat y}$$\mathbf{\hat{z}}$是相应的吗基向量-这些长度为1,轴对齐,表示方式多种多样$\{\mathbf{\hat{x}},\mathbf{\hat{y}}$,$\{\mathbf{\hat{I}},\mathbf{\hat{J}}$,$\{\mathbf{\hat{i}}、\mathbf{\hat{j}}和\mathbf-{\hat-{k}}$,$\{\mathbf{e_1}、\mathbf{e_2}、\ mathbf}e_3}$等。你可以想想$v_x\mathbf{\hat{x}}$,$v_y\mathbf{\hat y}$$v_z\mathbf{\hat{z}}$截至(轴对齐)矢量分量$\mathbf v美元$,它们只是基向量的单独缩放版本(每个都由对应的标量分量$\mathbf v美元$).

在此处输入图像描述(图像源)

这只是矢量加法。

表示的长度$\mathbf{v}$通过$v=\sqrt{v_x^2+v_y^2+v_z^2}$,也可以将该向量写为

$$\mathbf{v}=v\mathbf{\hat{v}}$$

哪里$\mathbf{\hat{v}}$是同一方向上的单位向量。右侧是单位长度向量的长度调整$v(美元)$.
这个单位向量$\mathbf{\hat{v}}$将具有与原始组件成比例的组件;也就是说,它是向量:

$$\mathbf{\hat{v}}=\frac{v_x}{v}\mathbf{\hat{x}}+\frac{v_y}{v{\mathbf2{hat{y}}+\frac}v_z}{v}\mathbf{\hart{z}}$$

(x分量:$v_x/v,\$y分量:$v_y/v,\$z分量:$v_z/v$; 这些平方的总和为1)。

对于位于x-z平面内的向量,它们将是

$$\mathbf{v}=v_x\mathbf{\hat{x}}+v_z\mathbf{\hat{z}$$

$$\mathbf{\hat{v}}=\frac{v_x}{v}\mathbf{\hat{x}}+\frac{v_z}{v{mathbf}$$


“似乎这可能与我们只需要使用E的一个组件在第一种情况下找到它”

您没有在那里使用单个组件。这本书使用了一个卷曲的r,我无法在这里重现,所以我将使用$\mathbf{\rho}$而不是。这个$\mathbf{\hat\rho}$向量有两个分量

$$\mathbf{\hat\rho}=\frac{\rho_x}{\rho}\mathbf{\hat{x}}+\frac}\rhoz}{\rro}\mat血红蛋白{\hat{z}}$$

哪里$\rho_x=-x$,以及$\rho_z=z\$(根据图表中的标签)。

所以你真的把他们都考虑进去了同时. The$\mathbf{\hat{\rho}}$当你沿着x轴移动时,单位向量实际上是改变方向的,从-L到L(因为它一直指向P美元$)-每个部件都是位置的函数x美元$,和都在变化。但由于线性,你可以单独积分矢量分量(分割积分),也就是说,因为它只是加法。作为基本向量$\mathbf{\hat{x}}$$\mathbf{\hat{z}}$是常数,你可以把它们从积分中拉出来。

但这也意味着您可以单独处理标量分量,并在完成后添加适当的基向量(只要您跟踪哪个分量是哪个分量)。这里,由于示例2.2中设置的对称性,结果是$\mathbf{E}$为零。

您可以选择使用向量本身,也可以暂时忽略被积函数的向量性质,然后分别使用单个标量分量,在末尾添加基向量以重建向量量。

换句话说,您可以对这两个问题使用这两种方法。

$\端组$

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