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文檔簡介
1、會(huì)計(jì)學(xué)1 求均勻帶電圓盤的中心軸線上的場強(qiáng)求均勻帶電圓盤的中心軸線上的場強(qiáng) 本世紀(jì)初本世紀(jì)初,一系列作為狹義相對(duì)論基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)一系列作為狹義相對(duì)論基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)事實(shí),否定了否定了“以太以太”存在存在,提出了場的概念提出了場的概念,認(rèn)為帶電體周圍存在電場認(rèn)為帶電體周圍存在電場,其他帶電體所受電力是電場給予的其他帶電體所受電力是電場給予的. 電荷電荷電荷電荷場場 場是一種客觀存在場是一種客觀存在, 是物質(zhì)的一種形態(tài)是物質(zhì)的一種形態(tài) 靜電場對(duì)外表現(xiàn)有靜電場對(duì)外表現(xiàn)有: (1) 引入電場中的任何帶電體都將受到電場所作用的力引入電場中的任何帶電體都將受到電場所作用的力 (2) 電場使引入電場中的導(dǎo)體或電介
2、質(zhì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)或極化現(xiàn)象電場使引入電場中的導(dǎo)體或電介質(zhì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)或極化現(xiàn)象 (3) 帶電體在電場中移動(dòng)時(shí)帶電體在電場中移動(dòng)時(shí),電場對(duì)帶電體作功電場對(duì)帶電體作功,表示電場有能量表示電場有能量 第1頁/共42頁 電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度 電場中任一處電場的性質(zhì)電場中任一處電場的性質(zhì),可引入試驗(yàn)正電可引入試驗(yàn)正電 荷荷 0 q 來進(jìn)行研究來進(jìn)行研究 試驗(yàn)電荷應(yīng)滿足試驗(yàn)電荷應(yīng)滿足:(1) 電荷量足夠小電荷量足夠小,不影響原電不影響原電 場場 (2) 幾何線度充分小幾何線度充分小,可祝為點(diǎn)電荷可祝為點(diǎn)電荷 將將0 q 放入場中不同點(diǎn)放入場中不同點(diǎn) , 0 q 所受力的大小和方向一般不同所受力的大小和方向一般不
3、同,說明場是空間分布說明場是空間分布 若放置在同一點(diǎn)若放置在同一點(diǎn), 0 q 增加一倍增加一倍,電場力電場力F也增加一倍也增加一倍 , 即即: 0 qF 0 qF常矢量常矢量 說明這個(gè)常矢量只與電場中處位置有關(guān)說明這個(gè)常矢量只與電場中處位置有關(guān),而與而與0 q 的大小的大小.正負(fù)無關(guān)正負(fù)無關(guān),它反它反 映映 了各確定點(diǎn)電場本身的性質(zhì)了各確定點(diǎn)電場本身的性質(zhì) 定義定義: 電場強(qiáng)電場強(qiáng) 度度 0 q F E 若若 1 0 q FE 即即E的大小與方向等于單位正電荷的大小與方向等于單位正電荷 在該點(diǎn)所受的力的大小與方向在該點(diǎn)所受的力的大小與方向 E的單位是的單位是 1 . CN 或或 1 . mV
4、第2頁/共42頁 場強(qiáng)疊加原理場強(qiáng)疊加原理 若電場是由點(diǎn)電荷若電場是由點(diǎn)電荷 系系 n qqq 21,產(chǎn)生產(chǎn)生, 0 q 所受力分別所受力分別 為為 n fff1, 2 0 q 受合受合 力力 n fffF 21 兩邊同除兩邊同除 0 q 000 1 0 qqqq n fffF 2 n EEEE 21 場強(qiáng)疊加原理場強(qiáng)疊加原理 表述表述: 電場中任一點(diǎn)處的總場強(qiáng)等于各個(gè)點(diǎn)電荷單獨(dú)存在時(shí)在該點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)的矢量和電場中任一點(diǎn)處的總場強(qiáng)等于各個(gè)點(diǎn)電荷單獨(dú)存在時(shí)在該點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)的矢量和 第3頁/共42頁 五五. 場強(qiáng)的計(jì)箅場強(qiáng)的計(jì)箅 (1) 點(diǎn)電荷的場強(qiáng)點(diǎn)電荷的場強(qiáng) q0 q P 點(diǎn)點(diǎn) 若電場由若電場
5、由q產(chǎn)生產(chǎn)生,把一電把一電 荷荷 0 q 放在距放在距q為為r處的處的p點(diǎn)點(diǎn) 0 q 受力受力 : 0 r 1 F 2 0 0 4r qq 0 r 0 r 0q P點(diǎn)場點(diǎn)場 強(qiáng)強(qiáng) 0 2 00 4 1 r F E r q q 點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場分布具有球?qū)ΨQ點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場分布具有球?qū)ΨQ 性性 (2) 點(diǎn)電荷系的場強(qiáng)點(diǎn)電荷系的場強(qiáng) 電場由電場由 n qqq, 21 產(chǎn)生產(chǎn)生,P點(diǎn)相對(duì)于各點(diǎn)電荷矢徑為點(diǎn)相對(duì)于各點(diǎn)電荷矢徑為 n rrr, 21 各點(diǎn)電荷在各點(diǎn)電荷在P點(diǎn)單獨(dú)產(chǎn)生的場強(qiáng)為點(diǎn)單獨(dú)產(chǎn)生的場強(qiáng)為 : 1 1 2 0 4 q r 0 1 Er 1 22 2 0 4 q r 0 Er 1 2 0
6、 4 nn q r 0 Er 矢量迭加矢量迭加 P點(diǎn)的總場強(qiáng)點(diǎn)的總場強(qiáng) 為為 0 2 0 4 1 i rEE i i ii i r q 第4頁/共42頁 (4) 電荷連續(xù)分布的帶電體產(chǎn)生的場強(qiáng)電荷連續(xù)分布的帶電體產(chǎn)生的場強(qiáng) 任意帶電體上的電荷分布任意帶電體上的電荷分布,可看作由許多極小的電荷可看作由許多極小的電荷元元dq的集的集 合合 dq在在P點(diǎn)產(chǎn)生的場點(diǎn)產(chǎn)生的場 強(qiáng)強(qiáng) 0 rE 2 0 4 1 r dq d 整個(gè)帶電體在整個(gè)帶電體在P點(diǎn)產(chǎn)生的場點(diǎn)產(chǎn)生的場 強(qiáng)強(qiáng) 0 rEE 2 0 4 1 r dq d 電荷分布的三種形式電荷分布的三種形式: 體分體分 布布 體密度體密度 為為 dvdq 0
7、 rE 2 0 4 1 r dv 面分布面分布 面密度為面密度為 dsdq 0 rE 2 0 4 1 r ds 線分線分 布布 線密度為線密度為 dldq 0 rE 2 0 4 1 r dl 第5頁/共42頁 例例1.電偶極子電偶極子 (electric dipole)的場的場 強(qiáng)強(qiáng) 電偶極子:電偶極子: P r l -q l +q 點(diǎn)電荷所組成的電荷系點(diǎn)電荷所組成的電荷系 一對(duì)靠得很近的等量異號(hào)的一對(duì)靠得很近的等量異號(hào)的 電偶極子是個(gè)電偶極子是個(gè)相對(duì)的概念,相對(duì)的概念, 它也是一種實(shí)際的物理它也是一種實(shí)際的物理模型模型 (如有極分子)(如有極分子) 。 第6頁/共42頁 求電偶極子中垂線和延
8、長線上點(diǎn)的場強(qiáng)。求電偶極子中垂線和延長線上點(diǎn)的場強(qiáng)。 p E E r qq x y E E E p o 解:(解:(1)求延長線上點(diǎn)的場強(qiáng))求延長線上點(diǎn)的場強(qiáng) EEEp iE 2 0 ) 2 (4 r q iE 2 0 ) 2 (4 r q i iEEEp 2 2 2 0 22 0 ) 4 ( 2 4 ) 2 ( 1 ) 2 ( 1 4 r rq rr q 討討 論論 r3 0 3 0 4 2 4 2 rr q p P iE qP 電偶極矩電偶極矩 r r 電偶極矩的方向?yàn)樨?fù)電偶極矩的方向?yàn)樨?fù) 電荷指向正電荷電荷指向正電荷 第7頁/共42頁 (2)解:中垂線上點(diǎn)的場強(qiáng))解:中垂線上點(diǎn)的場強(qiáng) E
9、EEp 根據(jù)對(duì)稱性有:根據(jù)對(duì)稱性有: ) 4 (4 cos2 2 2 2 0 r q EEEE xxxx 0 yyy EEE 23 2 2 0 21 2 2 2 2 0 ) 4 (4) 4 ( 2 ) 4 (4 2 r q rr q p i i(i)EE x 2 1 2 2 ) 4 ( 2 cos r 討討 論論 r 3 0 4r p P E 3 1 r E p 說明:(說明:(1)電偶極子的電場)電偶極子的電場 (2)電偶極子應(yīng)用廣泛,如原子分子物理,無線電物理中應(yīng)用極大)電偶極子應(yīng)用廣泛,如原子分子物理,無線電物理中應(yīng)用極大 第8頁/共42頁 例例2、求均勻帶電細(xì)棒中垂面上電強(qiáng)的分布、求均
10、勻帶電細(xì)棒中垂面上電強(qiáng)的分布 x y o dxx d p r x x+dx 解:設(shè)棒長解:設(shè)棒長 2 帶電量為帶電量為q 如圖建立坐標(biāo),考察中垂面上任一點(diǎn)如圖建立坐標(biāo),考察中垂面上任一點(diǎn)p,根根 據(jù)對(duì)稱性,帶電棒電荷在據(jù)對(duì)稱性,帶電棒電荷在p點(diǎn)的場強(qiáng)在點(diǎn)的場強(qiáng)在x方方 向?yàn)榱悖铣傻膱鰪?qiáng)只有在向?yàn)榱?,合成的場?qiáng)只有在y方向的分布。方向的分布。 則電荷密度為則電荷密度為 2 q 棒上棒上dx電荷元所產(chǎn)生的場強(qiáng)為電荷元所產(chǎn)生的場強(qiáng)為 dE rx dx rx dq dE )(4)(4 22 0 22 0 dE dE 22 0 022 22 02 )(4 2cos2 rrrx r rx dx dEE
11、L 22 cos rx r 討論討論 r E 1 r E 0 2 第9頁/共42頁 例例3、求均勻帶電圓環(huán)中心軸上任意點(diǎn)的場強(qiáng)、求均勻帶電圓環(huán)中心軸上任意點(diǎn)的場強(qiáng) x y z o R x dE Ed yz dE dq 解:已知圓環(huán)半徑解:已知圓環(huán)半徑R,帶電量,帶電量q 如圖建立坐標(biāo)系,取電荷元如圖建立坐標(biāo)系,取電荷元 R qd dq 2 P 電荷元在電荷元在P點(diǎn)場強(qiáng)點(diǎn)場強(qiáng) rE 3 0 4r dq d cos 4 2 0r dq dEx sin 4 2 0r dq dEyz 整個(gè)帶電圓環(huán)在整個(gè)帶電圓環(huán)在P的場強(qiáng)的場強(qiáng) 0 yz dE 電荷分布關(guān)于電荷分布關(guān)于x軸對(duì)稱軸對(duì)稱 222 3/2 0
12、0 cos 44() x qx EdEdq rxR 22 cos Rx x 方向?yàn)榉较驗(yàn)閤軸軸 討論討論 0 x 0E Rx 2 0 4x q E 相當(dāng)于點(diǎn)電荷電場相當(dāng)于點(diǎn)電荷電場 第10頁/共42頁 例例4、求均勻帶電圓盤的中心軸線上的場強(qiáng)、求均勻帶電圓盤的中心軸線上的場強(qiáng) x y z x 解:設(shè)圓盤的半徑為解:設(shè)圓盤的半徑為R,帶電量為,帶電量為q 把圓盤分成若干細(xì)圓環(huán):把圓盤分成若干細(xì)圓環(huán): 利用上例結(jié)果可得利用上例結(jié)果可得 drrr 電荷元電荷元 rdrdq2 2 R q 2322 0 2322 0 )(2)(4xr xrdr xr xdq dE 整個(gè)圓盤在中心軸線上的場強(qiáng)為:整個(gè)圓盤
13、在中心軸線上的場強(qiáng)為: 22 3 222 1 2 0 00 222 1 2 0 1 2()2() 1 2() R xrdrx EdE xrxR qx RxR dE 方向?yàn)榉较驗(yàn)閤軸軸 第11頁/共42頁 討論:上述結(jié)論可推廣討論:上述結(jié)論可推廣 (1)均勻帶電環(huán)形板中心軸線上的場強(qiáng))均勻帶電環(huán)形板中心軸線上的場強(qiáng) 21 2 2 221 2 1 2 0 )( 1 )( 1 2RxRx x E R1 R2 (2)帶圓孔的均勻帶電無限大平板中心軸線上的場強(qiáng))帶圓孔的均勻帶電無限大平板中心軸線上的場強(qiáng) 2 R 2122 0 )( 1 2Rx x E (3)無限大帶電平板外任一點(diǎn)的場強(qiáng))無限大帶電平板外
14、任一點(diǎn)的場強(qiáng) 0 1 R 2 R 0 2 E 第12頁/共42頁 例例5、計(jì)算電偶極子在均勻電場中所受的力矩、計(jì)算電偶極子在均勻電場中所受的力矩 解:電荷產(chǎn)生電場,電場對(duì)電荷施加電場力解:電荷產(chǎn)生電場,電場對(duì)電荷施加電場力 Efq o E f f Efq Efq 正電荷受力正電荷受力 負(fù)電荷受力負(fù)電荷受力 正負(fù)電荷受力作用線不同,因而形成一力偶矩正負(fù)電荷受力作用線不同,因而形成一力偶矩 對(duì)于偶極子中點(diǎn)對(duì)于偶極子中點(diǎn)o frM MMM sinsin 2 2EqqEMMM EM q qP EPM 第13頁/共42頁 1.5 電場線電場線 1.5.1.電場線(電場線( 線)線)E 1. 線上某點(diǎn)的切
15、向線上某點(diǎn)的切向E E E 線線 切線切線 2. 線的密度給出線的密度給出 的大小的大小 。 E E N S S N S N E Sd d lim 0 即為該點(diǎn)即為該點(diǎn) 的方向的方向;E 為形象地描寫場強(qiáng)的分布,引入為形象地描寫場強(qiáng)的分布,引入 線。線。E 第14頁/共42頁 帶正電的點(diǎn)電荷帶正電的點(diǎn)電荷 電偶極子電偶極子均勻帶電的直線段均勻帶電的直線段 幾種電荷的幾種電荷的 線分布:線分布:E 1.5.2 靜電場中的電力線性質(zhì)靜電場中的電力線性質(zhì): 不形成閉合曲線不形成閉合曲線,不中斷不中斷,起自正電荷起自正電荷,止于負(fù)電荷止于負(fù)電荷 任何兩條電力線不會(huì)相交任何兩條電力線不會(huì)相交 電力線疏密
16、表示場強(qiáng)的大小電力線疏密表示場強(qiáng)的大小 第15頁/共42頁 幾種電荷的幾種電荷的 線分布的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:線分布的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:E 單個(gè)點(diǎn)單個(gè)點(diǎn) 電電 極極第16頁/共42頁 正正 負(fù)負(fù) 點(diǎn)點(diǎn) 電電 極極 第17頁/共42頁 兩兩 個(gè)個(gè) 同同 號(hào)號(hào) 的的 點(diǎn)點(diǎn) 電電 極極 第18頁/共42頁 單單 個(gè)個(gè) 帶帶 電電 平平 板板 電電 極極 第19頁/共42頁 分分 別別 帶帶 正正 負(fù)負(fù) 電電 的的 平平 行行 平平 板板 電電 極極 第20頁/共42頁 帶帶 異異 號(hào)號(hào) 電電 荷荷 的的 點(diǎn)點(diǎn) 電電 極極 和和 平平 板板 電電 極極 第21頁/共42頁 “ 怒怒 發(fā)發(fā) 沖沖 冠冠 ” 第22頁/共4
17、2頁 1.4.11.4.1電通量電通量 定義定義: 通過任一給定面積的電力線條數(shù)稱通過任一給定面積的電力線條數(shù)稱 為通過該面積的電通量為通過該面積的電通量,用用 e 表示。表示。 在均勻電場中在均勻電場中,通過面積通過面積S 的 的 電通量為電通量為 e = ES 通過任一平面通過任一平面S 的電通量為的電通量為 e = E Scos 注意:注意:1.e是對(duì)面而言,不是點(diǎn)函數(shù)。是對(duì)面而言,不是點(diǎn)函數(shù)。 2.e 是代數(shù)量,有正、負(fù)(見后)。是代數(shù)量,有正、負(fù)(見后)。 E S S n 1.4 高斯定理高斯定理 第23頁/共42頁 在非均勻電場中在非均勻電場中,通過通過 任一面積任一面積S的電通量
18、為的電通量為 SEdcosd ee 通過任一封閉面通過任一封閉面S的電通量為的電通量為 SE SE d dcos e 對(duì)閉合曲面,約定以對(duì)閉合曲面,約定以 向外為正方向。向外為正方向。 在電力線穿出處在電力線穿出處, 900 電通量為負(fù)。電通量為負(fù)。 S d注意:注意: 的大小和方向的大小和方向 , n E S Sd 第24頁/共42頁 1 900, 電通量為負(fù)電通量為負(fù) 1 2 1 n 2 n 1 E 2 E 第25頁/共42頁 1.4.2 高斯定律高斯定律(Gausss Law) 高斯定律是反映靜電場性質(zhì)的一個(gè)基本定律。高斯定律是反映靜電場性質(zhì)的一個(gè)基本定律。 它是關(guān)于靜電場中閉合曲面的電
19、通量的定律。它是關(guān)于靜電場中閉合曲面的電通量的定律。 高斯定律的表述高斯定律的表述: : 在真空中的靜電場內(nèi)在真空中的靜電場內(nèi),通過任意閉合曲面通過任意閉合曲面 (稱為高斯面)的電通量,等于該曲面所(稱為高斯面)的電通量,等于該曲面所 包圍電量的代數(shù)和除以包圍電量的代數(shù)和除以 0,即即 S q內(nèi) 內(nèi) E s d 0 內(nèi)內(nèi) q SE d e (S) E 為為 處的處的 s dE 注意:高斯面上各點(diǎn)都有自己注意:高斯面上各點(diǎn)都有自己 的的 ;公式中;公式中E 第26頁/共42頁 高斯定理的證明高斯定理的證明 證明可按以下四步進(jìn)行:證明可按以下四步進(jìn)行: 1. 求以點(diǎn)電荷為球心的球面的求以點(diǎn)電荷為球
20、心的球面的e 00 2 0 0 0 4 d d S r S e r seq sE 0 2 0 0 4 d Sr sq 2 0 2 4 4 r rq 0 q 由此可知由此可知 : 點(diǎn)電荷電場對(duì)球面的點(diǎn)電荷電場對(duì)球面的 e 與與 r 無關(guān)無關(guān) , 即各球面的即各球面的 e 連續(xù)連續(xù) 點(diǎn)電荷點(diǎn)電荷的的 線連續(xù)。線連續(xù)。E E 0 ds r S0 q 第27頁/共42頁 S0 q S S q 2. 求點(diǎn)電荷場中任意曲面的電通量求點(diǎn)電荷場中任意曲面的電通量 e = , 0 q q 在在 S 內(nèi);內(nèi); 0 , q 在在 S 外。外。 第28頁/共42頁 3.求點(diǎn)電荷系電場中任意閉合曲面的電通量求點(diǎn)電荷系電
21、場中任意閉合曲面的電通量 j j i i EEE (S外)外) sE S e d SS j j i i sEsE)d(d)( i S j S ji sEsE dd 0 0 i i q 0 內(nèi)內(nèi) q S s d i E E j E q i qj (S內(nèi)內(nèi) ) 第29頁/共42頁 SV e sEvd. 1 d 0 4. 將上結(jié)果推廣至任意連續(xù)電荷分布將上結(jié)果推廣至任意連續(xù)電荷分布 四四.幾點(diǎn)說明幾點(diǎn)說明 1. 高斯定理是平方反比定律的必然結(jié)果;高斯定理是平方反比定律的必然結(jié)果; 2. 由由 的值決定,與的值決定,與 分布無關(guān)分布無關(guān) ; e 內(nèi)內(nèi) q 內(nèi)內(nèi) q 3. 是總場強(qiáng),它由是總場強(qiáng),它由q
22、內(nèi) 內(nèi) 和 和 q外 外共同決定 共同決定 ; E 4. 高斯面為幾何面,高斯面為幾何面, q內(nèi) 內(nèi)和 和q外 外總能分清; 總能分清; 5. 高斯定理也適用于變化電場;高斯定理也適用于變化電場; V dv S 第30頁/共42頁 高斯定理給出電場線有如下性質(zhì):高斯定理給出電場線有如下性質(zhì): 電場線發(fā)自于正電荷,電場線發(fā)自于正電荷, 證:證: S sE0d 則:則: ,令令0S 若若P點(diǎn)有電場線終止,點(diǎn)有電場線終止, 終止于負(fù)電荷,終止于負(fù)電荷, 在無電荷處不間斷。在無電荷處不間斷。 S P S P 有有 qp 0 第34頁/共42頁 例例2、一、一 均勻帶電球面的電場均勻帶電球面的電場 A
23、B r E 設(shè)球半徑為設(shè)球半徑為R, 表面帶電量表面帶電量q (1)球內(nèi)任一點(diǎn)球內(nèi)任一點(diǎn)A的場強(qiáng)的場強(qiáng) 1 E 作一過作一過A點(diǎn)的高斯球面點(diǎn)的高斯球面 1 s)(Rr 1 s 2 s 因高斯面內(nèi)無凈電荷因高斯面內(nèi)無凈電荷 0 1 s e1 EsdsE0E 均勻帶電球面內(nèi)的場強(qiáng)處處為零均勻帶電球面內(nèi)的場強(qiáng)處處為零 結(jié)論結(jié)論 (2) 球處任一點(diǎn)球處任一點(diǎn)B的場強(qiáng)的場強(qiáng) 過過B點(diǎn)作一高斯球面點(diǎn)作一高斯球面 2 s)(Rr 0 2 2 4 2 q rEES s e dsE 2 0 4r q E Ro E 第35頁/共42頁 例例3、均勻帶電球體的電場、均勻帶電球體的電場 A B r E R o (1)
24、球外任一點(diǎn)球外任一點(diǎn)A的場強(qiáng)由上例可得的場強(qiáng)由上例可得: E 2 0 4r q E )(Rr (2)球內(nèi)部任一點(diǎn)球內(nèi)部任一點(diǎn)B的場強(qiáng)的場強(qiáng) 過過B點(diǎn)作一高斯球面點(diǎn)作一高斯球面 0 2 4 q rEEs s e dsE 3 3 R qr v v q vdvq 3 0 2 0 44R qr r q E 第36頁/共42頁 例例4、無限大均勻帶電平面的電場、無限大均勻帶電平面的電場 S EE n n 在帶電平面上取一小面積在帶電平面上取一小面積 S 作一過此面積的高斯封閉柱面作一過此面積的高斯封閉柱面S 此高斯面的電通量為此高斯面的電通量為: dsEdsEdsE e 0sEsE 上底上底下底下底 側(cè)面?zhèn)让?電荷面密度為電荷面密度為 SE 2 00 Sq e 0 2 E 在無限大均勻帶電平面產(chǎn)生的電場中在無限大均勻帶電平面產(chǎn)生的電場中,各點(diǎn)場強(qiáng)與離各點(diǎn)場強(qiáng)與離 開平面的距離無關(guān)開平面的距離無關(guān) 第37頁/共42頁 例例5、兩個(gè)互相平行的無限大均勻帶電平面的電場分布、兩個(gè)互相平行的無限大均勻帶電平面的電場分布 設(shè)兩平面電荷面密度分別為設(shè)兩平面電荷面密度分別為 和和 兩平面外側(cè)的場強(qiáng)大小為兩平面外側(cè)的場強(qiáng)大小為: 0 22 00 E 兩平面之間的場強(qiáng)大小為兩平面之間的場強(qiáng)大小為 : 000 22 E 第38頁/共42頁 例例6、無限長均勻帶電圓柱面的電場、無限
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