用Python写出点电荷的电场分布示意图

在Python中，我们可以使用matplotlib库来绘制点电荷的电场分布示意图。这个示例将展示如何创建一个简单的二维空间中单个点电荷的电场强度分布。由于这是一个静态的图像，我们无法直接显示实时的动态效果，但你可以根据这个基本框架扩展到三维或者添加动画效果。

首先，你需要安装matplotlib库，如果还没安装，可以使用pip进行安装：

pip install matplotlib numpy

然后，以下是一个简单的例子，假设我们要计算一个位于(0,0)的单位正点电荷在平面上各点的电场强度：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import colors

# 点电荷的位置和电荷量
q = 1  # 单位电荷
r = [0, 0]  # (x, y)

# 定义电场常数
k = 9e9  # Coulomb's constant in N·m^2/C^2
epsilon_0 = 8.854e-12  # Vacuum permittivity in F/m

# 创建一个网格来计算电场
x, y = np.meshgrid(np.linspace(-5, 5, 100), np.linspace(-5, 5, 100))

# 计算距离
r_mag = np.sqrt((x - r)**2 + (y - r)**2)

# 避免除以零（当距离为零时）
r_mag[r_mag == 0] = 1e-10

# 计算电场强度
E = q * k / (4 * np.pi * epsilon_0) * r_mag**-2

# 归一化电场强度以便可视化
max_E = np.max(np.abs(E))
norm = colors.Normalize(vmin=-max_E, vmax=max_E)
cmap = 'RdBu_r'

# 绘制电场分布
plt.figure(figsize=(6, 6))
plt.pcolormesh(x, y, E, cmap=cmap, norm=norm)
plt.colorbar(label='Electric Field Strength (N/C)')
plt.title('Electric Field Distribution for a Point Charge')
plt.scatter(r, r, color='red', marker='*', s=100, label='Charge Location')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()