电动力学第零章.ppt

1、电动力学,Electromagnetic Mechanics Classical Electrodynamics,主讲: 骆 斌,使用教材：郭硕鸿电动力学(第三版),年级：物信系物理学本科2007级,电话邮箱：,2005世界物理年,数学预备知识,第二章 静电场,第三章 静磁场,第四章 电磁波的传播,第五章 电磁波的辐射,电 动 力 学,第一章 电磁现象的普遍规律,第六章 狭义相对论,第零章 引言,第七章 带电粒子和电磁场的相互作用,课程简介,课程类型：物理学 限定选修课,成绩评定： 期末成绩：平时成绩（含段考、作业等）占20%+期考成绩占80%。,学时学分：68学时，

2、4学分,先修要求：普通物理电磁学，数学物理方程,基本目的： 1. 学习处理电磁问题的一般理论和方法 2. 学习狭义相对论的理论和方法,内容提要： 1电磁场的基本规律 2静电问题和静磁问题 3电磁波的辐射和传播 4狭义相对论的概念和理论的数学形式,一、电动力学的研究对象、方法,研究对象 电动力学主要研究电磁场的基本性质，运动规律以及与带电物质之间的相互作用。,课程性质 电动力学是物理学科的一门重要基础理论课，是物理学的“四大力学”之一。,第零章 引 言,学习目的与要求 掌握电磁运动的基本规律及处理方法，加 深对电磁场物质性的认识，了解狭义相对 论的时空观及有关的基本理论。 获得在本课程领域内分析

3、和处理一些基本 问题的初步能力。 通过教学，培养学生具备一定的科学研究 素质，为进一步学习与钻研打下必要的基 础。,主要考核目标（包括重点及难点） （1）掌握电磁场基本理论、重要实验定律； （2）掌握静电场和静磁场的基本理论和解题方法； （3）掌握电磁波传播和辐射的基本概念和简单应用； （4）掌握狭义相对论的基本理论和简单应用。,重点：第一、二、四、六章 难点：公式多、需要记得多、数学推导较繁杂；解题 难度大、相对论概念不易理解。,研究方法：归纳法, 演绎法，科学假设。 电动力学：经典电动力学 电磁场理论 量子电动力学,具体按教学大纲、考试大纲与教学日历。,二、电动力学与电磁学的联系与区别,范

4、围 既讨论静场又讨论变化场，外加相对论。 深度 从矢量场论出发，总结电磁现象普遍规律，解题更具一般性。 方法 建立模型、求解方程、注重理论。 数学 矢量场论、张量分析初步、线性代数、数理方程、特殊函数 ,三、理论物理的特点,模型建立在一些实验与一系列假设基础之上 模型一般为偏微分方程 求解方程需要特殊的数学方法 理论的正确由求解结果与实验是否相符合来验证 一些基本思想在争论中不断发展,四、适用范围及主要应用,适用于宏观电磁现象，对于微观粒子不考虑波动性 同时也不考虑电磁场的量子性。 主要应用：电力工业技术、 广播、通讯、雷达、 加速器、光电子技术、激光理论、非线性光学、等 离子体、天体物理 。

5、,五、主要参考书,(1) 俞允强，电动力学简明教程，北京大学出版社，1999 (2) J.D. Jackson, Classical Electrodynamics, John Wiley & Sons. (3) A. Einstein, On the Electrodynamics of Moving bodies,在十九世纪上半世纪之前,从实验结果总结出三个关于电和磁的基本定律:库仑定律、毕奥-萨伐尔定律和法拉第电磁感应定律。麦克斯韦在上述三个实验定律的基础上,提出“位移电流”的假设,与已有的电荷守恒定律相一致,总结出麦克斯韦方程组。麦氏方程组反映了电荷激发场以及电磁场内部运动的规律,电磁

6、场反过来对电荷体系的作用力则由洛伦兹力公式表示。,六、发展简史,经过以后实验检验的麦氏方程组和洛伦兹力公式,正确地反映了电磁场的运动规律以及它和带电物质的相互作用规律,成为真空中的电动力学的理论基础。介质中的电动力学与真空中的电动力学没有原则上的不同,不过在介质中需要计及介质被电磁场极化、磁化和外场的合效果。在没有自由电荷和传导电流的真空中,电场和磁场相互激发,由麦氏方程组可得到电磁波方程。,随后,赫芝做成了证明电磁波存在的实验。电磁波不但可在实际介质中传播也可在真空中传播。人们认识到,电磁场自身有其运动变化及相互作用的规律,并具有能量、动量以及其他物质特性。这就构成电动力学的基本内容。 电动

7、力学是爱因斯坦的狭义相对论赖以建立的基础之一。,电动力学本质上是狭义相对论性的。狭义相对论电动力学是将电动力学的基本定律用狭义相对论加以表述。本世纪以来,狭义相对论电动力学不论在理论方面还是应用方面都得到重要的发展。 光波就是电磁波。光的量子理论与量子电动力学紧密联系。近来,光量子计算、光量子通信和光量子加密在理论和实验方面都得到很快的发展,有重要的应用。, 1675 库仑定律 1820 电流磁效应（毕萨定律） 1822 安培作用力定律（电动力学一词开始使用） 1831 电磁感应（法拉第），场的思想 1856-1873 麦克斯韦方程，预言了电磁波的存在 1881-1887 迈克尔逊实验（188

8、1）,迈莫雷实验（1887） 1888 赫兹证实电磁波存在 1905 狭义相对论（爱因斯坦“论运动物体的电动力学”）。,4,1,2,3,时间顺序:,法拉第,英国物理学家和化学家。 最主要贡献：1831年发现了电磁感应现象。 1834年他研究电流通过溶液时产生的化学变化，提出了法拉第电解定律。这一定律为发展电结构理论开辟了道路。 1845年9月13日法拉第发现，一束平面偏振光通过磁场时发生旋转，这种现象被称为“法拉第效应”。法拉第认为光具有电磁性质，是光的电磁波理论的先驱 1852年他引进磁力线概念。 他的很多成就不仅非常重要、且是带根本性的理论。,（17911867）,他制造了世界上第一台发电

9、机。法拉第发现电介质的作用，创立了介电常数的概念。后来电容的单位“法拉”就是用他的名字命名的。,返回,麦克斯韦(James Clerk Maxwel 18311879),生平简介：英国物理学家，1831年6月13日生于英国爱丁堡的一个地主家庭，8岁时，母亲去世，在父亲的诱导下学习科学，16岁时进入爱丁堡大学，1850年转入剑桥大学研习数学，1854年以优异成绩毕业于该校三一学院数学系，并留校任职。1856年到阿伯丁的马里沙耳学院任自然哲学教授。1860年到伦敦任皇家学院自然哲学及天文学教授。1865年辞去教职还乡，专心治学和著述。1871年受聘为剑桥大学的实验物理学教授，负责筹建该校的第一所物

10、理学实验室卡文迪许实验室，1874年建成后担任主任。1879年11月5日在剑桥逝世，终年只有49岁。,科学成就：电磁场理论和光的电磁理论，预言了电磁波的存在 ，1873电磁学通论。他建立了实验验证的严格理论，并重复卡文迪许的实验，他还发明了麦克斯韦电桥。运用数学统计的方法导出了分子运动的麦克斯韦速度分布律，创立了定量色度学，负责建立起来的卡文迪许实验室 。,法拉第专于实验探索，麦克斯韦擅长理论概括,返回,返回,实验物理学家迈克尔逊,迈克耳逊1873年毕业于美国海军学院，并留校教物理和化学。大约在5年后，开始进行光速的测量工作，随后游学欧洲，在德国和法国学习光学。回国后离开海军成为凯斯学院物理学

11、教授。迈克耳孙因为精密光学仪器和借助这些仪器进行的光谱学和度量学的研究工作做出的贡献获得1907年的诺贝尔物理学奖。 迈克耳逊自己设计了旋转镜和干涉仪，用以测定微小的长度、折射率和光波波长。1879年，他得到的光速为2999105千米秒；1882年，他得到的光速为2998536千米秒。这个结果被公认为国际标准，沿用了40年。迈克耳孙最后一次测量光速是在加利福尼亚两座相差35千米的山上进行的，光速测量精确度最后达到了2997984千米秒。他就在这次测量过程中中风，于1931年去世。 迈克耳逊最著名的实验是被称为迈克耳孙莫雷的测定以太是否存在的实验（1887）。,爱因斯坦,20世纪最杰 出的科学家

12、,爱因斯坦生于德国乌尔姆一个经营电器作坊的小业主家庭。一年后，随全家迁居慕尼黑。1894年，他的家迁到意大利米兰。1895年他转学到瑞士阿劳市的州立中学。1896年进苏黎世工业大学师范系学习物理学，1900年毕业。1901年取得瑞士国籍。1902年被伯尔尼瑞士专利局录用为技术员，从事发明专利申请的技术鉴定工作。他利用业余时间开展科学研究，于1905年在物理学三个不同领域中取得了历史性成就，特别是狭义相对论的建立和光量子论的提出，推动了物理学理论的革命。同年，以论文分子大小的新测定法，取得苏黎世大学的博士学位。,1879-1955,爱因斯坦1908年兼任伯尔尼大学编外讲师。1909年离开专利局任

13、苏黎世大学理论物理学副教授。1911年任布拉格德语大学理论物理学教授，1912年任母校苏黎世联邦工业大学教授。1914年，应马克斯普朗克和瓦尔特能斯脱的邀请，回德国任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授，直到1933年。1920年应亨德里克安东洛伦兹和保耳埃伦菲斯特的邀请，兼任荷兰莱顿大学特邀教授。第一次世界大战爆发后，他投入公开和地下的反战活动。,1915年爱因斯坦发表了广义相对论。他所作的光线经过太阳引力场要弯曲的预言于1919年由英国天文学家亚瑟斯坦利爱丁顿的日全食观测结果所证实。1916年他预言的引力波在1978年也得到了证实。爱因斯坦和相对论在西方成了家喻户晓的名词，同时也招来了德国和其他国家的沙文主义者、军国主义者和排犹主义者的恶毒攻击。 爱因斯坦因在光电效应方面的研究，而被授予1921年诺贝尔物理学奖。 1933年1月纳粹党攫取德国政权后，爱因斯坦是科学界首要的迫害对象，幸而当时他在美国讲学，未遭毒手。3月他回欧洲后避居比利时，9月9日发现有准备行刺他的盖世太保跟踪，星夜渡海到英国，10月转到美国普林斯顿大学，任新建的高级研究院教授，直至1945年退休。1940年他取得美国国籍。,1939年他获悉铀核裂变及其链式反应的发现，在匈牙利物理学家利奥西拉德推动下，上书罗斯福总统，建议研制原子弹，以防德国占先。第二次世界大战结束前夕，美国在日本广岛和长崎两个城市上空