Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634699)
Контекстум
.

Лекции по электродинамике. Часть 2. Специальная теория относительности и электромагнитные явления (110,00 руб.)

0   0
Первый авторМармо Сергей Иванович
АвторыФролов Михаил Владимирович
ИздательствоИздательский дом ВГУ
Страниц59
ID323725
АннотацияНастоящее пособие содержит лекционный материал курса "Электродинамика", читаемый студентам физического факультета по специальности "Физика".
Кому рекомендованоРекомендуется для студентов 3-го курса дневного отделения физического факультета
Мармо, С.И. Лекции по электродинамике. Часть 2. Специальная теория относительности и электромагнитные явления / М.В. Фролов; С.И. Мармо .— Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2014 .— 59 с. — 59 с. — URL: https://rucont.ru/efd/323725 (дата обращения: 24.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Релятивистская кинематика и механика свободной частицы 4 1.1. <...> Функции Лагранжа и Гамильтона заряда в электромагнитном поле . <...> Уравнение движения заряда в ковариантной форме . <...> Релятивистская кинематика и механика свободной частицы 1.1. <...> Максвелловская электродинамика и принцип относительности полном равноправии всех инерциальных систем отсчета 1 (ИСО), что нашло выражение в принципе относительности Галилея. <...> Математически принцип относительно сти классической механики может быть сформулирован как сохранение вида уравнений движения при преобразованиях Галилея. <...> Разрешение этого противоречия привело к коренному пересмотру имевшихся в физике пред ставлений о пространстве и времени и созданию специальной теории относи тельности (СТО). <...> Очевидно, что преобразования (1.1) приводят к классическому закону сложения скоростей v′ = v −V, (1.2) где v = dr/dt и v′ = dr′/dt′ скорости точки в системах K и K′ соответ ственно. <...> 1 Напомним, что системой отсчета (не обязательно инерциальной) называют совокупность системы координат и часов (в классической механике достаточно одних часов), жестко скрепленных с телом отсчета. <...> Если обозначить радиус-вектор последней через ˜ через ˜ v, то сила будет зависеть от разностей r−˜ F = F(r−˜ r, v − ˜ r−˜ r = r′ −˜ r′, v − ˜ v). r, v − ˜ v : (1.4) Но при переходе в другую инерциальную систему согласно преобразованиям Галилея (1.1) и закону сложения скоростей (1.2) v = v′ − ˜ v′, т.е. расстояния между частицами и их относительные скорости не изменя ются. <...> 5 r, а скорость (1.3) тогда и решения уравнений (1.3) и (1.6) при одинаковых начальных условиях будут тождественны в соответствии с принципом относительности. <...> С возникновением электродинамики было естественным предположить, что принцип относительности справедлив и для электромагнитных явлений. <...> Однако оказалось, что уравнения Максвелла не сохраняют своей формы при преобразованиях Галилея ( 1.1). <...> Отсюда логически следует при допущении полного равноправия всех инерциальных <...>
Лекции_по_электродинамике._Часть_2._Специальная_теория_относительности_и_электромагнитные_явления.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ¾ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ¿ Ñ. È. Ìàðìî, Ì. Â. Фролов ЛЕКЦИИ ПО ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ Часть II Специальная теория относительности и электромагнитные явления Учебное пособие для вузов Воронеж Издательский дом ВГУ 2014
Стр.1
Содержание 1. Релятивистская кинематика и механика свободной частицы 4 1.1. Максвелловская электродинамика и принцип относительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Принципы специальной теории относительности . . . . . . . . 7 1.3. Преобразования Лоренца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4. Некоторые следствия из преобразований Лоренца . . . . . . . 12 1.5. Геометрический смысл преобразований Лоренца . . . . . . . . 15 1.6. Релятивистская механика. Функция Лагранжа свободной ча стицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.7. Импульс и энергия свободной частицы. Формула Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.8. Четырехмерные векторы и тензоры . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.9. Тензорные свойства дифференциальных операций . . . . . . . 28 1.10. Примеры четырехмерных векторов . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.11. Релятивистская природа силы Лоренца . . . . . . . . . . . . . 33 2. Электродинамика в релятивистских обозначениях 35 2.1. Четырехмерный вектор тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2. Четырехмерный потенциал электромагнитного поля . . . . . . 36 2.3. Тензор электромагнитного поля. Преобразования Лоренца для ïîëÿ. Инварианты поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4. Эффект Доплера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.5. Уравнения Максвелла в ковариантной форме . . . . . . . . . . 43 2.6. Тензор энергии-импульса электромагнитного поля . . . . . . . 45 2.7. Функции Лагранжа и Гамильтона заряда в электромагнитном поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.8. Уравнение движения заряда в ковариантной форме . . . . . . 52 2.9. Вывод уравнений Максвелла из принципа наименьшего действия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Литература 58 3
Стр.3
тогда и решения уравнений (1.3) и (1.6) при одинаковых начальных условиях будут тождественны в соответствии с принципом относительности. В формулах (1.4), (1.5) отражено представление о взаимодействии тел, которое предполагается справедливым в классической механике. Сила зави сит от координат (и, возможно, скоростей) взаимодействующих тел, причем координаты и скорости берутся в один и тот же момент времени. Это означа ет, что, если положение одного из тел изменилось, второе тело почувствует это изменение немедленно. Взаимодействие передается мгновенно, т.е. с бес конечно большой скоростью. Представление о бесконечной скорости распространения взаимодействий (иногда говорят о распространении ¾сигналов¿) тесно связано с абсолютным характером времени: сигнал, распространяющийся с бесконечной скоростью из точки, где произошло событие, в тот же момент приходит во все точки пространства, в том числе к часам каждой из ИСО, которые зарегистрируют одинаковое время наступления события t′ = t′′ = · · · = t. С возникновением электродинамики было естественным предположить, что принцип относительности справедлив и для электромагнитных явлений. Однако оказалось, что уравнения Максвелла не сохраняют своей формы при преобразованиях Галилея ( 1.1). Несовместимость уравнений Максвел ла и принципа относительности классической механики следует уже из того, что теория Максвелла дает конечную величину c для скорости распростране ния электромагнитных волн в вакууме. Но все ИСО, очевидно, равноправны по отношению к вакууму (в частности, вследствие отсутствия материальной среды в вакууме с ним нельзя связать систему отсчета, в которой бы он по коился). Отсюда логически следует при допущении полного равноправия всех инерциальных наблюдателей, что скорость света в вакууме должна равняться одной и той же величине c во всех ИСО. Но, согласно классиче ской механике, при переходе от одной ИСО к другой скорости преобразуются по формуле (1.2). Возникшее противоречие требовало сделать выбор между тремя возмож ностями: 1) принцип относительности применим в механике и не применим в элек тродинамике; 2) принцип относительности применим и в механике, и в электродинами ке; при этом электродинамика в форме уравнений Максвелла неверна; 3) принцип относительности применим и в механике, и в электродинами ке; законы механики в ньютоновской форме (а также преобразования коор динат и времени при переходе в другую ИСО) требуют изменения. Нековариантность уравнений электродинамики по отношению к преоб разованиям Галилея выглядела естественной с позиций ¾эфирных¿ теорий, вводивших представление об электромагнитном эфире и рассматривавших 6
Стр.6
электромагнитное поле как особого рода натяжения в нем (по аналогии с на тяжениями в упругой среде). В этом случае уравнения Максвелла должны быть справедливыми в единственной системе отсчета, связанной с эфиром. Во всякой другой системе отсчета эфир будет двигаться, поэтому уравнения электромагнитного поля должны содержать в качестве параметра скорость движения системы отсчета относительно эфира. Таким образом, представле ние об эфире оказывается несовместимым с принципом относительности Га лилея. Однако многочисленные экспериментальные попытки обнаружения эфира (среди которых наиболее известны опыт Майкельсона по обнаруже нию ¾эфирного ветра¿ и опыт Физо по обнаружению увлечения эфира дви жущимися телами) показали неустранимые противоречия в гипотезе эфира и привели к отказу от нее. По современным представлениям электромагнитное поле есть самостоятельный физический объект, не нуждающийся в специаль ном носителе. Попытки изменить уравнения Максвелла, чтобы сделать их ковариантны ми относительно преобразования Галилея, привели к тому, что новые урав нения противоречили опыту. Таким образом, правильным оказался третий путь: для согласования прин ципа относительности и электродинамики потребовалось пересмотреть имев шиеся в физике представления о пространстве и времени и заменить преоб разования Галилея на преобразования Лоренца. Рекомендуемая литература: [1, ÷. I, Ÿ 1], [2, ãë. 11, Ÿ 1], [5, Ÿ 1.1 1.4, 1.7 1.9]. 1.2. Принципы специальной теории относительности В основу новой теории были положены два постулата, которые могут быть сформулированы следующим образом: 1. Все законы природы одинаковы во всех ИСО (а не только законы ме ханики, как утверждал принцип относительности Галилея). 2. Скорость распространения любых взаимодействий конечна (напомним, что в ньютоновской механике скорость распространения взаимодействий счи талась бесконечной); максимальная (предельная) скорость передачи взаимо действий (сигналов) совпадает со скоростью света в вакууме. Совокупность этих двух постулатов называется принципом относитель ности Эйнштейна. Из принципа относительности следует, очевидно, что скорость распространения взаимодействий одинакова во всех ИСО. Это зна чит, что в природе существует скорость, которая не изменяется при переходе от одной ИСО к другой. Отсюда можно заключить, что преобразования Га лилея, которые приводят к классическому закону сложения скоростей (1.2), ошибочны. 7
Стр.7
Наряду с постулатами СТО принципиально важным для ее построения является введение релятивистской системы отсчета. В ньютоновской меха нике скорость распространения сигналов полагалась бесконечной, поэтому для построения системы отсчета было достаточно одних часов. В СТО учи тывается конечность скорости распространения сигналов, поэтому одними часами в системе отсчета ограничиться нельзя. В СТО предполагают, что в любой точке, где определяется время наступления события, в принципе должны быть часы. В пределах одной ИСО устанавливается единое время с помощью синхронизации часов. Эйнштейном было предложено проводить синхронизацию часов с помощью световых сигналов. Из точки A в момент времени t1 испускается короткий световой сигнал. Установив на часах в точке B в момент прихода светового сигнала время t = t1+rAB/c (rAB известное расстояние между A и B), синхронизируем часы в B с опорными часами в A. Эйнштейновская процедура синхронизации такова, что может быть проведе на в любой ИСО. Итак, в релятивистскую систему отсчета входят система координат и набор закрепленных в этой системе синхронизированных часов. Принципы СТО требуют отказа от классических представлений об аб солютном характере времени. Их прямым следствием является относитель ность промежутков времени между событиями: утверждение, что между дву мя данными событиями прошел определенный промежуток времени, приоб ретает смысл только тогда, когда указано, к какой системе отсчета это утвер ждение относится. В частности, события, одновременные в одной ИСО, будут не одновременными в другой системе. Для уяснения этого рассмотрим простой пример. Пусть поезд (система K′) движется равномерно и прямолинейно вдоль платформы (система K). В некоторый момент времени из середины поезда (точка A) в его начало (точка C) и конец (точка B) отправляются световые сигналы. Поскольку скорость распространения сигнала в системе K′, как и во всякой инерциальной систе ме, равна c (в обоих направлениях), то сигналы достигнут равноудаленных от A точек B и C в один и тот же момент времени (â системе K′). Однако те же самые два события (приход сигнала в B и C) будут не одновременными для наблюдателя в системе K. Действительно, скорость сигналов относительно K согласно принципу относительности равна тому же c, и поскольку точка B движется (относительно системы K) навстречу посланному в нее сигналу, а точка C по направлению от сигнала (посланного из A в C), то в системе K сигнал придет в точку B ðàíüøå, чем в точку C. Рекомендуемая литература: [1, ÷. I, Ÿ 1], [2, ãë. 11, Ÿ 1], [3, Ÿ 1], [4, Ÿ 65,66], [5, ãë. 2, Ÿ 2.1 2.3]. 8
Стр.8