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電磁波為什么是橫波? 《張朝陽的物理課》介紹磁矢勢

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-09-04  瀏覽次數(shù):127
核心提示:電磁波為什么是橫波?怎么從麥克斯韋方程組解出畢奧薩伐爾定律?9月2日12時,《張朝陽的物理課》第八十一期開播,搜狐創(chuàng)始人、董

電磁波為什么是橫波?怎么從麥克斯韋方程組解出畢奧–薩伐爾定律?9月2日12時,《張朝陽的物理課》第八十一期開播,搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐鎮(zhèn)搜狐視頻直播間,介紹磁矢勢。

他先帶著網(wǎng)友討論了平面電磁波的電磁場分布并給出了電磁場方向與傳播方向的關(guān)系,說明了電磁波是橫波。之后回到靜態(tài)情況,根據(jù)亥姆霍茲定理引出了磁矢勢的概念,選擇庫倫規(guī)范后,用磁矢勢表示的麥克斯韋方程組是泊松方程,類比靜電場的情況可以解出磁矢勢與電流密度的關(guān)系,從而解出磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)于電流密度的表達(dá)式,該表達(dá)式正是畢奧–薩伐爾定律。

在之前課程中,張朝陽定性地講解了電磁波是如何產(chǎn)生的,同時也導(dǎo)出了波動方程,這節(jié)課定量討論波動方程的平面波解與電磁波的電磁場性質(zhì)。設(shè)平面電磁波的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向沿z方向,并且磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小只與坐標(biāo)x有關(guān),那么根據(jù)關(guān)于磁感應(yīng)強(qiáng)度旋度的麥克斯韋方程可以得出電場的x分量與z分量為靜電場,這里可以直接要求它們?yōu)榱恪?/p>

由波動方程還可以解出沿x正方向傳播的電磁波的磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)于時空的表達(dá)式,并得到電場y分量等于與磁感應(yīng)強(qiáng)度z分量乘以光速,相位差為零,所以平面電磁波的傳播方向正是E×B的方向。因為振動方向與波的傳播方向垂直,所以電磁波是橫波。

討論完變化的電磁場情況,張朝陽回到了靜態(tài)情況。由于磁感應(yīng)強(qiáng)度的散度為零,根據(jù)亥姆霍茲定理可知,磁感應(yīng)強(qiáng)度可以寫成某個場的旋度,該場稱為磁矢勢。磁矢勢的選取并不是唯一的,將一個磁矢勢加上一個標(biāo)量場的梯度得到新的磁矢勢,新的磁矢勢與原磁矢勢具有相同的旋度。

通過選取合適的標(biāo)量場,可以使得任意磁矢勢變換成滿足散度為零的磁矢勢,這樣磁矢勢與電流密度的關(guān)系滿足泊松方程,通過類比靜電場的電勢可得出磁矢勢關(guān)于電流密度的表達(dá)式,進(jìn)一步計算磁矢勢的旋度可以得到磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)于電流密度的表達(dá)式,該表達(dá)式正是畢奧–薩伐爾定律,這說明畢奧–薩伐爾定律確實是靜態(tài)麥克斯韋方程組的解。之后還會看到磁矢勢在動態(tài)電磁場求解中更多的應(yīng)用,并越加感知磁矢勢的重要性。

截至目前,《張朝陽的物理課》已直播八十余期,內(nèi)容豐富、覆蓋廣泛,理論公式由淺入深、繁簡交融。從去年11月開啟第一節(jié)物理直播課,他先是從經(jīng)典物理學(xué)開始,科普了牛頓運動定律等;而后從經(jīng)典物理的“兩朵烏云”說起,向近現(xiàn)代物理過渡,探討了黑體輻射理論中的維恩公式、普朗克公式等知識。

此后逐步進(jìn)入量子力學(xué)領(lǐng)域,從基礎(chǔ)的薛定諤方程等理論內(nèi)容,到氫原子波函數(shù),再到氣體定容比熱的溫度階梯,并順勢講解了熱力學(xué)定律。接著回到了經(jīng)典物理,推導(dǎo)出飛船運行軌跡,估算太陽的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及中子星的自轉(zhuǎn)速度,隨后講解了陀螺的進(jìn)動,還計算出月球的潮汐高度。而現(xiàn)在開始講解一些數(shù)學(xué)工具,準(zhǔn)備進(jìn)軍廣義相對論。

《張朝陽的物理課》的直播風(fēng)格獨樹一幟:注重推導(dǎo),通過一步一步詳盡的數(shù)學(xué)計算,推導(dǎo)出相關(guān)的物理公式,把每個公式從頭到尾拆解得十分清晰。

據(jù)了解,《張朝陽的物理課》于每周周五、周日中午12時在搜狐視頻直播,網(wǎng)友可以在搜狐視頻“關(guān)注流”中搜索“張朝陽”,觀看直播及往期完整視頻回放;關(guān)注“張朝陽的物理課”賬號,查看課程中的“知識點”短視頻;此外,還可以在搜狐新聞APP的“搜狐科技”賬號上,閱覽每期物理課程的詳細(xì)文章。

除了《張朝陽的物理課》外,在直播方面,搜狐視頻正持續(xù)打造知識直播平臺,邀請各個科學(xué)領(lǐng)域的頭部播主入駐,進(jìn)行科普知識直播。包括中國運載火箭技術(shù)研究院專家錢航,直播講述航空航天事業(yè)發(fā)展史;北京交通大學(xué)理學(xué)院教師陳征博士線上開課——“奇趣的科學(xué)實驗”;中國科學(xué)院基因組學(xué)博士、元碼基因創(chuàng)始人田埂講解基因組學(xué)與生活的緊密聯(lián)系;天體物理博士劉博洋科普“日全食是怎么產(chǎn)生的”等。未來還將有更多知識播主入駐搜狐視頻,一起互動玩轉(zhuǎn)科學(xué)。

 
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