大學(xué)物理課件：9-7 電磁場(chǎng)的統(tǒng)一性 電磁場(chǎng)量的相對(duì)性

1、三、電磁場(chǎng)的物質(zhì)性 在靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)中，電磁場(chǎng)總是和場(chǎng)源聯(lián)系在一起，沒有場(chǎng)源，電磁場(chǎng)也就不存在。 現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了電磁場(chǎng)具有一切物質(zhì)所具有的基本特性，如能量、質(zhì)量和動(dòng)量等。 在變化的電磁場(chǎng)中，電磁場(chǎng)一經(jīng)產(chǎn)生，即使場(chǎng)源消失，它也可以繼續(xù)存在。變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互轉(zhuǎn)化，并以一定速度在空間傳播，說明電磁場(chǎng)可以獨(dú)立存在，反映它具有物質(zhì)存在的形態(tài)。 要求了解電磁場(chǎng)具有能量質(zhì)量和動(dòng)量，并了解電磁場(chǎng)與實(shí)物粒子的區(qū)別。一般情況下，電磁場(chǎng)既有電場(chǎng)能量又有磁場(chǎng)能量。電磁場(chǎng)的能量密度：根據(jù)相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系式，在電磁場(chǎng)不為零的空間，單位體積電磁場(chǎng)的質(zhì)量為：對(duì)變化的電磁場(chǎng)，即電磁波，除了具有能量，還具有動(dòng)量，單位

2、體積電磁場(chǎng)的動(dòng)量（動(dòng)量密度）為：1920年，列別捷夫用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波對(duì)實(shí)物有壓力，并且電磁場(chǎng)和實(shí)物之間的動(dòng)量傳遞滿足動(dòng)量守恒定律，用事實(shí)證明了其物質(zhì)性。陽光的輻射壓將塵埃推離太陽彗尾被認(rèn)為是由氣體和塵埃組成毀滅中的昴宿五反射星云在過去的10萬年里，部份云氣恰好以只有3500倍地球-太陽的距離通過昴宿五附近，以至于星光對(duì)云氣造成了非常特殊的效應(yīng)。星光的光壓吹走了這個(gè)反射星云大部份的塵埃，顆粒愈小的塵埃被吹走的比例也愈高。因此，部份塵埃云形成指向昴宿五的層狀結(jié)構(gòu)，最靠近昴宿五的塵埃粒質(zhì)量也最大。更長期的效應(yīng)是塵埃微粒會(huì)被強(qiáng)烈的星光全部破壞。(哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝)電磁場(chǎng)具有能量、質(zhì)量和動(dòng)量，雖然電

3、磁場(chǎng)和實(shí)物粒子（如電子、質(zhì)子、 中子）都是物質(zhì)存在的形式，但它不同于實(shí)物物質(zhì)(粒子)，是另一種形式的物質(zhì)。電磁場(chǎng)以波的形式在空間傳播，以粒子的形式(光子)和實(shí)物相互作用，和實(shí)物粒子一樣都具有“波粒二象性”。光子沒有靜止質(zhì)量，而實(shí)物粒子卻具有靜止質(zhì)量。電磁場(chǎng)在真空中的運(yùn)動(dòng)速度恒是3108 m/s, 并且在任何參照系中都相同；而實(shí)物粒子卻可以以任意速度(不大于光速)在空間運(yùn)動(dòng)，并且對(duì)不同參照系速度也不同。幾個(gè)電磁場(chǎng)可以相互疊加，占據(jù)同一空間；而實(shí)物粒子具有“排他性”, 一個(gè)實(shí)物粒子所占據(jù)的空間不能同時(shí)被另一個(gè)實(shí)物粒子所占據(jù)。實(shí)物與場(chǎng)雖有以上區(qū)別，場(chǎng)與實(shí)物在某些情況下可以相互轉(zhuǎn)化，例如：正負(fù)電子對(duì)撞

4、光子（電磁場(chǎng)）光子也可以轉(zhuǎn)化為一對(duì)電子和正電子.1、運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性和電磁場(chǎng)的統(tǒng)一性 運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，一個(gè)電荷在一個(gè)參考系下觀察靜止，只有電場(chǎng)，而在另一個(gè)參考系下觀察運(yùn)動(dòng)，可能同時(shí)具有電場(chǎng)和磁場(chǎng)，所以電荷周圍存在的是電磁場(chǎng)，體現(xiàn)了電磁場(chǎng)的統(tǒng)一性；不同參考系下觀察電荷周圍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)場(chǎng)量是不同的,又說明電磁場(chǎng)量具有相對(duì)性，描述電磁運(yùn)動(dòng)須選定參考系.正是由于電荷運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，反映出電磁場(chǎng)的統(tǒng)一性和相對(duì)性。9-7 電磁場(chǎng)的統(tǒng)一性 電磁場(chǎng)量的相對(duì)性 電場(chǎng)和磁場(chǎng)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)是統(tǒng)一的電磁場(chǎng)的兩個(gè)特例。根據(jù)相對(duì)性原理，在任何慣性系內(nèi), 一切物理規(guī)律是等同的, 說明描述電磁場(chǎng)的基本理論-麥克斯韋

5、方程組在不同慣性系內(nèi)均成立。電磁規(guī)律是絕對(duì)的，但描述電磁現(xiàn)象的場(chǎng)量是相對(duì)的，在不同慣性系內(nèi)可以有不同的場(chǎng)量值，描述電磁運(yùn)動(dòng)須選定參考系。2、電磁場(chǎng)量的相對(duì)性*麥克斯韋方程組在不同慣性系內(nèi)變換時(shí)，必須在洛侖茲變換下保持不變（只作一般的定性了解） 兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的慣性系中，在確定的時(shí)空點(diǎn)P，電磁場(chǎng)量的關(guān)系S 系系場(chǎng)量場(chǎng)量研究的問題已知已知推導(dǎo)的基本路線分別寫出兩個(gè)慣性系中的微分方程組 對(duì)應(yīng)每個(gè)方程，可寫出各分量表達(dá)式。設(shè)S相對(duì)S沿x方向運(yùn)動(dòng)，利用洛侖茲坐標(biāo)變換關(guān)系式，將S系中的各分量方程用S系的時(shí)間和空間坐標(biāo)來表示。的條件下在自由空間其中，=(1-v2/c2)-1/2. 由復(fù)合函數(shù)的鏈?zhǔn)椒▌t洛侖茲變換式同樣有將洛侖茲變換式代入得以麥克斯韋方程組的一個(gè)分量形式為例, 代入上述關(guān)系進(jìn)行變換:在S系中, 該方程的形式必須是:兩式比較得正變換下各場(chǎng)量的變換關(guān)系式：各分量形式進(jìn)行變換, 比較分析可得逆變換下：上面的關(guān)系式雖由自由空間電磁場(chǎng)推得, 卻具有普遍性.舉例:設(shè)一點(diǎn)電荷q靜止于慣性系K中, t時(shí)刻在P(x, y, z)處的電磁場(chǎng)為在以速度沿軸運(yùn)動(dòng)的慣性系中，利用逆變換下各場(chǎng)量的變換關(guān)系式, 可得t 時(shí)刻在P(x , y , z )處的電磁場(chǎng)為：OqxyzxyzOKKv再利用洛侖茲變換式其中，=(1-v2/c2)-1/