电动力学 第0章 绪论及数学预备知识zjz

电动力学Electrodynamics大连民族学院理学院郑建洲应用物理系光电子专业自我介绍：郑建洲，副教授、博士。现任大连民族学院任理学院副院长。所教课程：大学物理、大学物理实验、量子力学、激光原理、Frontpage2000等。科研工作：参加国家高技术863-416-2.1.科研工作─高功率激光点聚焦靶面均匀辐照技术研究。办公室：1教316；Tel:[phone]E-Mail:[e-mail]第0章绪论及数学准备PreliminaryKnowledge—ReviseintheVectorFieldTheory第2章静电场Electrostaticfield第3章静磁场Magetostaticfield第4章电磁波的传播ElectromagneticWavepropagation第5章电磁波的辐射ElectromagneticWaveRadiation电动力学第1章电磁现象的普遍规律UniversalLawofElectromagneticPhenomenon第6章狭义相对论SpecialtheoryofrelativityElectrodynamics课程简介成绩评定：考试（70%），作业（15%）,研究性内容（15%）。学时学分：56学时，3.5学分先修要求：电磁学，高等数学，数学物理方程内容提要：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、基本情况及要求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。§1绪论introduction普通物理学数学电动力学统计力学量子力学理论物理学固体物理学激光物理学量子电动力学量子场论电子通信类课程电磁相关的技术学习目的与要求（1）通过学习电磁运动的基本规律，加深对电磁场基本性质的理解；（2）通过学习狭义相对论理论了解相对论的时空观及有关的基本理论；（3）获得在本门课程领域内分析和处理一些基本问题的初步能力；（4）为学习后续课程和独力解决实际问题打下必要的基础。主要考核目标（包括重点及难点）（1）掌握矢量场论的简单运算；（2）掌握电磁场基本理论、重要实验定律；（3）掌握静电场和静磁场的基本理论和解题方法；（4）掌握电磁波传播和辐射的基本概念和简单应用；（5）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。二、电动力学与电磁学的联系与区别范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、测井技术、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……。五、如何学好电动力学及要求•必须树立严谨的学习态度和刻苦的学习作风。•电动力学比电磁学难学，主要体现在思维抽象、习题难解上。•掌握好概念、原理、结构和方法，在预习、听课、复习、小结和总复习时都要注意做到，既见树木，更见森林。•要在数学与物理结合上下硬功夫，培养物理与数学间相互“翻译”的能力，能熟练地运用数学独立地对教材内容进行推导，并明确它们的物理意义和图象。课程要求：听课记笔记教材及辅助教材复习、利用BB平台。记公式数学物理作业成绩：平时：出勤、作业回答问题＋研究内容＋考试成绩。考试：大纲的基本要求，考验的内容讲到，不考少考。总成绩=平时成绩15%（作业+出勤＋回答问题）+研究内容（论文）15％+期终考试成绩70%六、主要参考书[1]《电动力学》郭硕鸿高教出版社第二版1997[2]《电动力学》蔡圣善等高教出版社第二版2002[3]《电动力学》虞福春北京大学出版社1992[4]《电动力学题解》林璇英、张之翔科学出版社1999；[5]《电动力学解题指导》王雪君北京师范大学出版社1998[6]经典电动力学(影印版)(第3版)JohnDavidJackson高等教育出版社2004.⑴1675库仑定律⑵1820电流磁效应（毕－萨定律）⑶1822安培作用力定律（电动力学一词开始使用）⑷1831电磁感应（Faraday），场的思想⑸1856-1873Maxwell，预言了电磁波的存在⑹1881-1887Michelson实验（1881）,迈－莫雷实验（1887）⑺1888Hertz证实电磁波存在⑻1905狭义相对论（Einstein“论运动物体的电动力学”）。七、发展简史51234绪论结束谢谢合作！Faraday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。（1791～1867）他制造了世界上第一台发电机。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(JamesClerkMaxwel1831～1879)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孙迈克耳孙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。迈克耳孙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299910±5千米／秒；1882年，他得到的光速为299853±6千米／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299798±4千米／秒。他就在这次测量过程中中风，于1931年去世。迈克耳孙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）。Michelson赫兹Hertz1887-1975,德国物理学家,曾获1925年诺贝尔物理学奖Hertz返回Einstein20世纪最杰出的科学家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投掷原子弹，爱因斯坦对此强烈不满。战后，为开展反对核战争的和平运动和反对美国国内法西斯危险，进行不懈的斗争。1955年4月18日爱因斯坦因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不举行任何丧礼，不筑坟墓，不立纪念碑，骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。爱因斯坦的后半生一直从事寻找大统一理论的工作，不过这项工作没有获得成功，现在大统一理论是理论物理学研究的中心问题。爱因斯坦是耶路撒冷希伯来大学的注册商标返回第零章第一节矢量代数与张量初步PreliminaryKnowledge—ReviewintheVectorAlgebraandTensorIntroduction预备知识—学习与思考我的物理学家第一定律：“如果没有实验学家的话，理论学家就倾向于漂浮。”我的物理学家第二定律：“没有理论学家，实验学家倾向于摇摆不定。”---李政道李政道§1矢量代数与张量初步AAAAAAAAˆ,,ˆ直角坐标系中zyzAAiAjAk31iiiAAe31222221231()iiAAAAAA矢量定义矢量的基本运算ABBA()()ABCABC加法：交换律结合律31cosiiiABABAB123123123sinneeeABABeAAABBB31()iiiiABABe满足平行四边形法则标量积：ABBA()ABCABAC交换律分配律矢量积：()ABCABACABBA分配律不满足交换律矢量代数中的两个重要公式)()()(bacacbcba混合积轮换不变矢量微分ˆˆdAdAAAdtdt()dABdBdAABdtdtdt()dABdBdAABdtdtdt双重矢量积()()()abcacbabc注意顺