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费曼物理学(2) 第6次作业

Chasse_neige

1 运动电荷的场 (25-5)

直接计算匀速运动电荷产生的电磁场,并将其与静止电荷电磁场洛伦兹变换后的结果做比较。

假设电荷以速度vx 轴正方向运动,假设 t=0 时电荷正好在原点,计算 t=0 时刻空间的电场分布

考虑李纳-维谢尔势(用r=r+vt 表示推迟后的相对位矢)

|r+vt|=ctt=|rr|v=rcr2+r22rr=β2r2rr|rr|r=rx^rrr2=βrrx^r2+(1β2)r22βrrx^2r2=0(1β2)r22β(rx^)rr2=0r=β(rx^)+β2(rx^)2+(1β2)r21β2rvrc=ct(1β2)rvc=r(1β2)rvc=β2(rx^)2+(1β2)r2ϕ=q4πϵ0(rvrc)A=ϕv=qv4πϵ0c2(rvrc)

所以

E=ϕtA=q4πϵ0(rvrc)tqv4πϵ0c2(rvrc)=q4πϵ0(2β2(rx^)x^+2(1β2)r2β2(rx^)2+(1β2)r23+2β2(rx^)x^+2(1β2)r2β2(rx^)2+(1β2)r23vc2v)=q4πϵ0(1β2)r(β2(rv^)2+(1β2)r2)32

对比洛伦兹变换结果

在粒子随动系中

E=q4πϵ0r3r

换系后

E=q4πϵ0((γ1)rv^r3v^+γrr3)

带入 t=0

r=(γ1)(rv^)v^+r

所以

E=q4πϵ0(γ1)γ(rv^)v^+γ(γ1)(rv^)v^+γr(β2(rv^)2+(1β2)r21β2)32=q4πϵ0γr(β2(rv^)2+(1β2)r21β2)32=q4πϵ0(1β2)r(β2(rv^)2+(1β2)r2)32

可以看出,两种计算方式的结果是相同的

2 麦克斯韦方程组的洛伦兹协变性 (26-3)

请证明麦克斯韦方程组在洛伦兹变换下保持协变,即麦克斯韦方程组形式在洛伦兹变换下保持不变。

麦克斯韦方程组在张量形式下可以表示为:

μFμν=4πcjνμFμν=0

电磁场张量 Fμν 定义为:

Fμν=(0ExEyEzEx0BzByEyBz0BxEzByBx0).

对偶电磁场张量 Fμν 定义为:

Fμν=(0BxByBzBx0EzEyByEz0ExBzEyEx0).

四维流密度 jν 定义为:

jν=(cρ,J)

洛伦兹变换可以表示为:

xμ=Λμνxν

其中 Λμν 是洛伦兹变换矩阵,满足:

ΛμαΛνβημν=ηαβ,

其中 ημν=diag(1,1,1,1)

Fμν=ΛμαΛνβFαβ,jν=Λνβjβμ=xμ=xαxμxα=ΛαμαFμν=ΛμαΛνβFαβjν=ΛνβjβμFμν=Λδμδ(ΛμαΛνβFαβ)μFμν=δδαΛνβδFαβ=ΛνβαFαβ=4πcΛνβjβ=4πcjν

同理,对于对偶电磁场张量:

μFμν=0

所以麦克斯韦方程组是洛伦兹协变的。

3 对称性与电磁动量 (27-6)

在课堂上,大家表示电磁场能量-动量张量的推导比较繁琐,并且看不出太明显的物理意义。在本题当中,我们尝试从时空平移不变性出发,利用诺特定理推导能量-动量张量的表达式。从而将能量-动量张量与对称性联系起来。

(1). 考虑一个无穷小的变换: xμxμ+ϵμ(x)。在此无穷小变换下,电磁势按照如下变换: AμAμ+ϵν(x)νAμ。对于一般的理论而言,其作用量只明显包含电磁势 Aμ 及其导数 νAμ。请证明在上述变换下,作用量的变化满足:

δS=d4x(LAμϵν(x)νAμ+L(σAμ)σ[ϵν(x)νAμ])

证明

AμAμ+ϵν(x)νAμσAμσAμ+σϵν(x)νAμ

所以

δS=SAμϵν(x)νAμ+S(σAμ)σϵν(x)νAμ=d4x(LAμϵν(x)νAμ+L(σAμ)σ[ϵν(x)νAμ])

(2). 在上述的基础上,请证明作用量的变化满足:

δS=d4xTμνμϵν(x),Tμν=L(μAσ)νAσημνL

证明

δS=d4x(LAμϵν(x)νAμ+L(σAμ)σ[ϵν(x)νAμ])=d4x(LAμϵν(x)+L(μAσ)μ[ϵν(x)νAσ])=d4x(LAμϵν(x)+L(μAσ)μ(νAσ)ϵν(x)+L(μAσ)νAσμϵν(x))=d4x(νLϵν(x)+L(μAσ)νAσμϵν(x))=d4x(L(μAσ)νAσμϵν(x)Lνϵν(x))=d4x(L(μAσ)νAσμϵν(x)Lμημνϵν(x))=d4xTμνμϵν(x),Tμν=L(μAσ)νAσημνL

(3). 对于一般的理论而言,如果其满足时空平移不变性,即 ϵν(x)=ϵν 为一个不依赖于时空坐标的函数时,体系的作用量应该在该时空平移下保持不变: δS=0。在分部积分的意义下,这意味着我们有 νTμν=0。对于电磁理论来说,其作用量可以写为:

S=d4x(14FμνFμν)

请利用第二问的结论证明电磁理论的能量-动量张量满足:

Tμν=FμσνAσημνLL=14(μAσσAμ)(μAσσAμ)=12μAσμAσ+12μAσσAμTμν=L(μAσ)νAσημνL=(μAσ+σAμ)νAσημνL=FμσνAσημνL

(4) 对于一般的电磁理论而言,我们可以采用希尔伯特的定义方式,让其能量-动量张量是对称张量。具体而言,对于电磁理论而言,其能量-动量张量对称化之后可以写为:

Tμν=ησλFμσFλνημνL

请证明能量-动量张量零分量的守恒方程即为电磁场的守恒方程:

μTμ0=0,12t(EE+BB)+(E×B)=0

证明

μTμ0=μ(ησλFμσFλ0ημ0L)=μ((Fμ1F10+Fμ2F20+Fμ3F30)+Fμ0F00)+0L=0(E2)+i(FijFj0)tL=tE2+i(ϵijkEjBk)t(12(E2B2))=12t(EE+BB)+(E×B)=0

4 菲涅尔定律及其应用 (33-1)

菲涅尔棱镜是一种将线性偏振光转换为圆偏振光的光学器件。如图所示,光线垂直线入射到棱镜的表面,然后在棱镜内部经历两次全内反射,最后再垂直射出棱镜。光线在棱镜内每次反射都会使平行于入射平面的光波分量与垂直于入射平面的光波分量之间产生 45° 的相位差。因此,经过两次内反射后,原本与入射平面成 45° 线偏振的光波会变成圆偏振光。

image-20260128015539066

(1). 对于偏振方向平行入射平面的电磁波而言,请计算单次内部反射后,反射波与入射波的相位差。

δp=2arctanncosθi(nsinθi)21

(2). 当电磁波的偏振方向垂直于入射平面时,请计算反射波相对于入射波的相位差。

δs=2arctan1ncosθi(nsinθi)21

(3). 如果菲涅尔棱镜中的两次全内反射的入射角均为 θi=53.3,请计算菲涅尔棱镜相对于周围环境的折射率。

2(arctanncosθi(nsinθi)21arctan1ncosθi(nsinθi)21)=π4

带入数据,解得

n1.5002

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