大学物理课件：9-7 电磁场的统一性 电磁场量的相对性

1、三、电磁场的物质性 在静电场和静磁场中，电磁场总是和场源联系在一起，没有场源，电磁场也就不存在。 现代实验也证实了电磁场具有一切物质所具有的基本特性，如能量、质量和动量等。 在变化的电磁场中，电磁场一经产生，即使场源消失，它也可以继续存在。变化的电场和变化的磁场相互转化，并以一定速度在空间传播，说明电磁场可以独立存在，反映它具有物质存在的形态。 要求了解电磁场具有能量质量和动量，并了解电磁场与实物粒子的区别。一般情况下，电磁场既有电场能量又有磁场能量。电磁场的能量密度：根据相对论的质能关系式，在电磁场不为零的空间，单位体积电磁场的质量为：对变化的电磁场，即电磁波，除了具有能量，还具有动量，单位

2、体积电磁场的动量（动量密度）为：1920年，列别捷夫用实验证实了电磁波对实物有压力，并且电磁场和实物之间的动量传递满足动量守恒定律，用事实证明了其物质性。阳光的辐射压将尘埃推离太阳彗尾被认为是由气体和尘埃组成毁灭中的昴宿五反射星云在过去的10万年里，部份云气恰好以只有3500倍地球-太阳的距离通过昴宿五附近，以至于星光对云气造成了非常特殊的效应。星光的光压吹走了这个反射星云大部份的尘埃，颗粒愈小的尘埃被吹走的比例也愈高。因此，部份尘埃云形成指向昴宿五的层状结构，最靠近昴宿五的尘埃粒质量也最大。更长期的效应是尘埃微粒会被强烈的星光全部破坏。(哈勃太空望远镜拍摄)电磁场具有能量、质量和动量，虽然电

3、磁场和实物粒子（如电子、质子、 中子）都是物质存在的形式，但它不同于实物物质(粒子)，是另一种形式的物质。电磁场以波的形式在空间传播，以粒子的形式(光子)和实物相互作用，和实物粒子一样都具有“波粒二象性”。光子没有静止质量，而实物粒子却具有静止质量。电磁场在真空中的运动速度恒是3108 m/s, 并且在任何参照系中都相同；而实物粒子却可以以任意速度(不大于光速)在空间运动，并且对不同参照系速度也不同。几个电磁场可以相互叠加，占据同一空间；而实物粒子具有“排他性”, 一个实物粒子所占据的空间不能同时被另一个实物粒子所占据。实物与场虽有以上区别，场与实物在某些情况下可以相互转化，例如：正负电子对撞

4、光子（电磁场）光子也可以转化为一对电子和正电子.1、运动的相对性和电磁场的统一性 运动是相对的，一个电荷在一个参考系下观察静止，只有电场，而在另一个参考系下观察运动，可能同时具有电场和磁场，所以电荷周围存在的是电磁场，体现了电磁场的统一性；不同参考系下观察电荷周围的电场和磁场场量是不同的,又说明电磁场量具有相对性，描述电磁运动须选定参考系.正是由于电荷运动的相对性，反映出电磁场的统一性和相对性。9-7 电磁场的统一性 电磁场量的相对性 电场和磁场是一个统一的整体，静电场和静磁场是统一的电磁场的两个特例。根据相对性原理，在任何惯性系内, 一切物理规律是等同的, 说明描述电磁场的基本理论-麦克斯韦

5、方程组在不同惯性系内均成立。电磁规律是绝对的，但描述电磁现象的场量是相对的，在不同惯性系内可以有不同的场量值，描述电磁运动须选定参考系。2、电磁场量的相对性*麦克斯韦方程组在不同惯性系内变换时，必须在洛仑兹变换下保持不变（只作一般的定性了解） 两个相对运动的惯性系中，在确定的时空点P，电磁场量的关系S 系系场量场量研究的问题已知已知推导的基本路线分别写出两个惯性系中的微分方程组 对应每个方程，可写出各分量表达式。设S相对S沿x方向运动，利用洛仑兹坐标变换关系式，将S系中的各分量方程用S系的时间和空间坐标来表示。的条件下在自由空间其中，=(1-v2/c2)-1/2. 由复合函数的链式法则洛仑兹变换式同样有将洛仑兹变换式代入得以麦克斯韦方程组的一个分量形式为例, 代入上述关系进行变换:在S系中, 该方程的形式必须是:两式比较得正变换下各场量的变换关系式：各分量形式进行变换, 比较分析可得逆变换下：上面的关系式虽由自由空间电磁场推得, 却具有普遍性.举例:设一点电荷q静止于惯性系K中, t时刻在P(x, y, z)处的电磁场为在以速度沿轴运动的惯性系中，利用逆变换下各场量的变换关系式, 可得t 时刻在P(x , y , z )处的电磁场为：OqxyzxyzOKKv再利用洛仑兹变换式其中，=(1-v2/c2)-1/