電動力學(xué)緒論.

1、現(xiàn)代物理導(dǎo)論I陳尚達(dá)材料與光電物理學(xué)院現(xiàn)代物理導(dǎo)論I緒論緒論一、基本情況及要求研究對象研究對象電動力學(xué)主要研究電磁場電動力學(xué)主要研究電磁場的基本性質(zhì)，運動規(guī)律以的基本性質(zhì)，運動規(guī)律以及與帶電物質(zhì)之間的相互及與帶電物質(zhì)之間的相互作用。作用。課程性質(zhì)課程性質(zhì)電動力學(xué)是物理學(xué)科的一電動力學(xué)是物理學(xué)科的一門重要基礎(chǔ)理論課，是物門重要基礎(chǔ)理論課，是物理學(xué)的理學(xué)的“四大力學(xué)四大力學(xué)”之一。之一。普通物理學(xué)數(shù)學(xué)電電動動力力學(xué)學(xué)統(tǒng)統(tǒng)計計力力學(xué)學(xué)量量子子力力學(xué)學(xué)理論物理學(xué)固體物理學(xué)激光物理學(xué)量子電動力學(xué)量子場論電子通信類課程電磁相關(guān)的技術(shù)現(xiàn)代物理導(dǎo)論I學(xué)習(xí)目的與要求學(xué)習(xí)目的與要求 （1 1）通過學(xué)習(xí)電磁運動的基

2、本規(guī)律，加深對電磁）通過學(xué)習(xí)電磁運動的基本規(guī)律，加深對電磁場基本性質(zhì)的理解；場基本性質(zhì)的理解； （2 2）通過學(xué)習(xí)狹義相對論理論了解相對論的時空）通過學(xué)習(xí)狹義相對論理論了解相對論的時空觀及有關(guān)的基本理論；觀及有關(guān)的基本理論； （3 3）獲得在本門課程領(lǐng)域內(nèi)分析和處理一些基本）獲得在本門課程領(lǐng)域內(nèi)分析和處理一些基本問題的初步能力；問題的初步能力； （4 4）為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和獨力解決實際問題打下必）為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和獨力解決實際問題打下必要的基礎(chǔ)。要的基礎(chǔ)。 現(xiàn)代物理導(dǎo)論I二、二、電動力學(xué)與電磁學(xué)的聯(lián)系與區(qū)別電動力學(xué)與電磁學(xué)的聯(lián)系與區(qū)別1 1、范圍、范圍 既討論靜場又討論變化場，外加相對論。既討論靜

3、場又討論變化場，外加相對論。2 2、深度、深度 從矢量場論出發(fā)，總結(jié)電磁現(xiàn)象普遍規(guī)律，解題更從矢量場論出發(fā)，總結(jié)電磁現(xiàn)象普遍規(guī)律，解題更具一般性。具一般性。3 3、方法、方法 建立模型、求解方程、注重理論。建立模型、求解方程、注重理論。 4 4、數(shù)學(xué)、數(shù)學(xué) 矢量場論、張量分析初步、線性代數(shù)、數(shù)理方程、矢量場論、張量分析初步、線性代數(shù)、數(shù)理方程、特殊函數(shù)特殊函數(shù) 現(xiàn)代物理導(dǎo)論I三、適用范圍及主要應(yīng)用1 1、適用于宏觀電磁現(xiàn)象，對于微觀粒子不考慮波動、適用于宏觀電磁現(xiàn)象，對于微觀粒子不考慮波動性同時也不考慮電磁場的量子性。性同時也不考慮電磁場的量子性。2 2、主要應(yīng)用：電力工業(yè)技術(shù)、主要應(yīng)用：電力

4、工業(yè)技術(shù)、 廣播、通訊、雷達(dá)、廣播、通訊、雷達(dá)、 測井技術(shù)、加速器、光電子技術(shù)、激光理論、非線測井技術(shù)、加速器、光電子技術(shù)、激光理論、非線性光學(xué)、等離子體、天體物理性光學(xué)、等離子體、天體物理 ?，F(xiàn)代物理導(dǎo)論I四、發(fā)展簡史 19 19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個獨立的物理世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個獨立的物理現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但這些研究（特現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但這些研究（特別是伏打別是伏打17991799年發(fā)明了電池），為電磁學(xué)理論的年發(fā)明了電池），為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。建立奠定了基礎(chǔ)。 庫侖于庫侖于17791779年通過實驗和年通過實驗和采用類比方法歸納、導(dǎo)出了兩采用

5、類比方法歸納、導(dǎo)出了兩個靜止點電荷間的相互作用規(guī)個靜止點電荷間的相互作用規(guī)律，即庫侖定律，是靜電學(xué)理律，即庫侖定律，是靜電學(xué)理論建立的實驗基礎(chǔ)。論建立的實驗基礎(chǔ)。現(xiàn)代物理導(dǎo)論I 奧斯特從奧斯特從18071807年開始研究電磁之間的關(guān)年開始研究電磁之間的關(guān)系。系。18201820年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。針。近于同時，安培發(fā)現(xiàn)磁力作用的規(guī)律近于同時，安培發(fā)現(xiàn)磁力作用的規(guī)律安培力公式。安培力公式。 法拉第敏銳地意識到，電可以法拉第敏銳地意識到，電可以對磁產(chǎn)生作用，磁也一定能夠?qū)Υ女a(chǎn)生作用，磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。電產(chǎn)生影響。18311831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)

6、磁捧插入導(dǎo)體線圈時，導(dǎo)線圈中磁捧插入導(dǎo)體線圈時，導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流，這表明：電與磁之就產(chǎn)生電流，這表明：電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。法拉第發(fā)間存在著密切的聯(lián)系。法拉第發(fā)現(xiàn)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律。電磁感應(yīng)定律?，F(xiàn)代物理導(dǎo)論I 麥克斯韋麥克斯韋在法拉第實驗的基在法拉第實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引入了規(guī)律，引入了“感生電場感生電場”、“位移電流位移電流”兩個概念，其核兩個概念，其核心思想是：變化的磁場要產(chǎn)生心思想是：變化的磁場要產(chǎn)生感生電場，變化的電場也要產(chǎn)感生電場，變化的電場也要產(chǎn)生磁場。在此基礎(chǔ)上，生磁場。在此基礎(chǔ)上，18641864年年提出了一套偏微分方程來表達(dá)

7、提出了一套偏微分方程來表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，稱為電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，稱為麥麥克斯韋方程組克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁場，是經(jīng)典電磁場理論的基本方程。理論的基本方程?，F(xiàn)代物理導(dǎo)論I 18871887年，德國科學(xué)家赫茲用年，德國科學(xué)家赫茲用火花隙激勵一個環(huán)狀天線，用火花隙激勵一個環(huán)狀天線，用另一個帶隙的環(huán)狀天線接收，另一個帶隙的環(huán)狀天線接收，證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實驗導(dǎo)在的預(yù)言，這一重要的實驗導(dǎo)致了后來無線電報的發(fā)明。從致了后來無線電報的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)展時代，并且發(fā)展成為當(dāng)代最展時代，并且發(fā)展成為當(dāng)代最引

8、人注目的學(xué)科之一。引人注目的學(xué)科之一?，F(xiàn)代物理導(dǎo)論I赫茲設(shè)計的電磁波發(fā)生和接收裝置赫茲設(shè)計的電磁波發(fā)生和接收裝置 （a a）是振蕩電路，含有兩個金屬放電桿，每根桿的一）是振蕩電路，含有兩個金屬放電桿，每根桿的一端有一金屬球，兩球間有一個敞開的空氣隙。端有一金屬球，兩球間有一個敞開的空氣隙。 （b b）是一個檢測電磁波的裝置）是一個檢測電磁波的裝置 ，不帶電池或其它內(nèi)部不帶電池或其它內(nèi)部電源，是將一條導(dǎo)線彎成圓形，在導(dǎo)線的兩端焊上兩個電源，是將一條導(dǎo)線彎成圓形，在導(dǎo)線的兩端焊上兩個金屬小球，小球間留有小的間隙金屬小球，小球間留有小的間隙 ?，F(xiàn)代物理導(dǎo)論I現(xiàn)代物理導(dǎo)論I無線電報無線電報 18951

9、895年，（意）馬可尼成功地進(jìn)行了年，（意）馬可尼成功地進(jìn)行了2.52.5公里距離的無線電公里距離的無線電報傳送實驗。報傳送實驗。18961896年，波波夫進(jìn)行了約年，波波夫進(jìn)行了約250250米距離的類似試驗米距離的類似試驗, , 18991899年年, , 無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；19011901年，跨越大年，跨越大西洋的西洋的32003200公里距離的試驗成功。公里距離的試驗成功。 馬可尼以其在無線電報等領(lǐng)域的成就，獲得了馬可尼以其在無線電報等領(lǐng)域的成就，獲得了19091909年的諾貝年的諾貝爾獎金物理學(xué)獎。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期

10、。爾獎金物理學(xué)獎。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期。電磁場理論的應(yīng)用電磁場理論的應(yīng)用 廣播廣播 19061906年，（美）費森登用年，（美）費森登用5050千赫頻率發(fā)電機作發(fā)千赫頻率發(fā)電機作發(fā) 射機，用微音器接入天線實現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上射機，用微音器接入天線實現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上 的報務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂。的報務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂。19191919年，第年，第一個定時播發(fā)語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建一個定時播發(fā)語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建 成。次年，在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播成。次年，在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺。電臺?，F(xiàn)代物理導(dǎo)

11、論I電視電視 18841884年，（德）尼普科夫提出機械掃描電視的設(shè)想，年，（德）尼普科夫提出機械掃描電視的設(shè)想，19271927年，（英）貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫年，（英）貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西敦傳至大西 洋中的船上。茲沃霄金在洋中的船上。茲沃霄金在19231923和和19241924年相年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。繼發(fā)明了攝像管和顯像管。19311931年，他組裝成世界上年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統(tǒng)。第一個全電子電視系統(tǒng)。雷達(dá)雷達(dá) 二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機成為主要進(jìn)攻武器。英、二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機成為主要進(jìn)攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期

12、警戒飛機的美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置。裝置。19361936年，（英）瓦特設(shè)計的警戒雷達(dá)最先投年，（英）瓦特設(shè)計的警戒雷達(dá)最先投入了運行。有效地警戒了來自德國的轟炸機。入了運行。有效地警戒了來自德國的轟炸機。19381938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達(dá)。在整個第二次世界大戰(zhàn)期間雷達(dá)。在整個第二次世界大戰(zhàn)期間, ,雷達(dá)成了電磁雷達(dá)成了電磁場理論最活躍的部分。場理論最活躍的部分。現(xiàn)代物理導(dǎo)論I 衛(wèi)星通信技術(shù)衛(wèi)星通信技術(shù) 19581958年年, , 美國發(fā)射低軌的美國發(fā)射低軌的“斯科爾斯科爾”衛(wèi)星成功衛(wèi)星成功, ,

13、這這是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)星。是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)星。19641964年年, ,借助定點借助定點同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、 歐、非三大洲的通歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。信和電視轉(zhuǎn)播。 衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù)（ GPSGPS） 美國于美國于19641964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。19731973年美國提出了由年美國提出了由2424顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)新顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)新方案，即方案，即GPSGPS計劃，其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行計劃，其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距。測時和測距。19901990年最終的年最終的GPSGP

14、S方案是由方案是由2121顆工顆工作衛(wèi)星和作衛(wèi)星和3 3顆在軌備用衛(wèi)星組成。顆在軌備用衛(wèi)星組成?，F(xiàn)代物理導(dǎo)論I矢量分析矢量分析31cosiiiA BABAB 123123123sinneeeA BABeAAABBB)()()(bacacbcbaabcab現(xiàn)代物理導(dǎo)論I()()()abca c ba b c abcab現(xiàn)代物理導(dǎo)論I ABAB2 BA計算計算2 BA()aab()aba()jik()kij計算下列各式計算下列各式()()()0abcbcacab證明：證明：現(xiàn)代物理導(dǎo)論I一、場的概念：一、場的概念：描述一定空間中連續(xù)分布的物質(zhì)對象描述一定空間中連續(xù)分布的物質(zhì)對象的物理量?；蛘f：若在

15、一定空間中的每一點，都對應(yīng)的物理量?；蛘f：若在一定空間中的每一點，都對應(yīng)著某個物理量的確定值，就說在這空間中確定了該物著某個物理量的確定值，就說在這空間中確定了該物理的場。理的場。 如：強度場、速度場、引力場、電磁場。如：強度場、速度場、引力場、電磁場。( , , , )( , )( , , , )( , )x y z tr tA x y z tA r t標(biāo)量場矢量場場用一個空間和時間場用一個空間和時間 坐標(biāo)的函數(shù)來描述坐標(biāo)的函數(shù)來描述：穩(wěn)穩(wěn)恒場（穩(wěn)定場、靜場）：場與時間無關(guān)恒場（穩(wěn)定場、靜場）：場與時間無關(guān)變變化場（時變場）：場函數(shù)與時間有關(guān)化場（時變場）：場函數(shù)與時間有關(guān)現(xiàn)代物理導(dǎo)論Idd

16、xdydzxyzxyzddxedyedzexyzdeeeddxyz 在空間任意靠近兩點函數(shù)在空間任意靠近兩點函數(shù) 的全微分的全微分lded cos 在空間某點的任意在空間某點的任意方向上，導(dǎo)數(shù)有無方向上，導(dǎo)數(shù)有無窮多個，其中有一窮多個，其中有一個值最大，這個方個值最大，這個方向?qū)?shù)的最大值定向?qū)?shù)的最大值定義為梯度：義為梯度： grad xyzeeexyz xyzeeexyz現(xiàn)代物理導(dǎo)論I 梯度的意義梯度的意義：空間某點標(biāo)量場函數(shù)的最大變化率：空間某點標(biāo)量場函數(shù)的最大變化率，刻畫了標(biāo)量場的空間分布特征刻畫了標(biāo)量場的空間分布特征。等值面等值面： 常數(shù)的曲面稱為等值面。常數(shù)的曲面稱為等值面。 (

17、)x梯度與等值面的關(guān)系：梯度與等值面的關(guān)系：梯度與梯度與等值面垂直。等值面垂直。 已知梯度即可求出沿任一方向的方向?qū)?shù)。已知梯度即可求出沿任一方向的方向?qū)?shù)?，F(xiàn)代物理導(dǎo)論IxyzxxyyzzAeeeeAe AeAxyz xyzxyzeeeAxyzAAA yyxxzzxyzAAAAAAeeeyzzxxy1 12()2rxxxxxrr,ryyrzzyrzrxyzxxyyzzrreeerrrr 12222rrxxyyzzr=？rrr yxzAAAxyz現(xiàn)代物理導(dǎo)論I()xxx()yyy()zzz()xyzxyzeeeeeexyzxyz ()=？() 現(xiàn)代物理導(dǎo)論I矢量場的通量 面元 的通量： dsd

18、A ds 有限面積 的通量 SSA ds 000有源 無源 負(fù)源 閉合曲面的通量 sSdA0divlimSVA dSAV 現(xiàn)代物理導(dǎo)論I 四、矢量場的旋度 表明在區(qū)域內(nèi)無渦旋狀態(tài)，場線不閉合表明在區(qū)域內(nèi)無渦旋狀態(tài)，場線不閉合 0 0 表明在區(qū)域內(nèi)存在渦旋狀態(tài)，場線閉合表明在區(qū)域內(nèi)存在渦旋狀態(tài)，場線閉合 L矢量矢量 沿任一閉合曲線沿任一閉合曲線 的積分稱為的積分稱為環(huán)量環(huán)量 ALldA0(rot )limLnSdl AAS 現(xiàn)代物理導(dǎo)論I高高斯公式 yxzSVVAAAA dsAdVdxdydzxyz斯斯托克斯公式（定理） SdAldASL)(現(xiàn)代物理導(dǎo)論I 五、有關(guān)場的四個定理 現(xiàn)代物理導(dǎo)論I矢量微分算符常用公式AAA xyzAAAAxyzyxzxyzAAAAAAxyzxyzAA 現(xiàn)代物理導(dǎo)論I AAA zyxAAAyzyzzyAAAAyyzzzyxAAAyzxxAA xyzxxAA eA eA eA e AA 現(xiàn)代物理導(dǎo)論I()() ()()()AAAAAA AAA AAA AAAAA ()()()()()AAAAAA AAAAA 現(xiàn)代物理導(dǎo)論I ABABBA ()AAA AAA ABB A