题目内容
【题目】假设电磁作用理论在所有惯性系都成立,惯性系
、
间的相对运动关系如图1所示
![]()
开始时
系测得全空间有不随时间变化的电磁作用场为
,
,
为
轴方向上的单位矢量.在
系中放一块原不带电的长方导体平板,与
轴、
轴平行的两条直边足够长(分别可模型化为无限长),与
轴平行的直边较短.今如图2所示,令导体板以匀速度
相对
系沿
轴方向运动,在其上、下表面上分别累积正、负电荷,稳定时电荷面密度分别记为常量
和
.将空间分为导体板上方区域、导体板内区域和导体板下方区域
![]()
(1)在
系中求解
以及上述三区域内的电磁作用场强度量
、
、
和
、
、![]()
(2)此导体板相对
系静止,如果已经认知:
(i)
系测得的导体板沿
轴方向的线度是
系测得的沿
轴方向线度的
倍,导体板在
系沿
轴、
轴方向的线度与在
系沿
轴、
轴方向的线度相同
(ii)
系测得导体板上、下表面电荷均匀分布,电荷总量为
,则
系测得导体板上、下表面电荷也是均匀分布,电荷总量也为![]()
(iii)
系中一个静止质点,在
系中必沿
轴反方向以速率
运动;
系中一个运动质点若沿
轴(或
轴)方向分速度为零,则在
系中沿
轴(或
轴)方向分速度也为零
①试求
系三区域内的电场强度
、
、
(答案中不可包含
)
②再求
系三区域内的磁感应强度
、
、
(答案中不可包含
)
③用所得结果纠正下述手抄相对论电磁场变换公式时出现的错误.
,
,
,
,
,![]()
【答案】(1) 进而可得
,
;电场分布则为
,
(2) 见解析
【解析】
(1)稳定时,
系中导体板上表面电荷运动形成沿
轴方向的面电流,电流线密度大小为
.
下表面电荷运动形成沿
轴负方向的面电流,电流线密度大小为
.
据磁场安培环路定理,这两个反向面电流在导体板上、下方区域和板内区域形成的附加磁场分别为
,
.
全空间磁场分布便为
,
.
导体板上、下表面电荷在空间形成的附加电场为
,
,
为
轴方向上的单位矢量.
全空间电场分布为
,
.
导体板内微观带点粒子受力平衡,有
,
.
又
,所以,
.
进而可得
,
.
电场分布则为
,
.
(2)
系中导体板上表面面积和总电荷量记为
和
,
系中对应量分别记为
和
,则有
,
.
系中电荷面密度便为
,
所以,
.
此电荷在
系全空间形成附加电场为
,
.
①
电荷只能来源于原静电场产生的静电感应,又因导体板无论开始时放在
系中沿
轴上、下方何处均有
电荷积累,故
系中必有分布于全空间的原匀强电场
,即有
,
便得
,
.
(在
系中,导体板垂直于
、
轴方向的侧面上无面电荷分布,也可用来说明
必沿
轴方向)
②
、
求解
考虑
系中导体板上方(或下方)初始沿
轴方向运动的带电质点,因受洛仑兹力,将做
平面上的匀速圆周运动(此处及如下讨论中均不考虑重力场的存在).按照题文中的说明,该带电质点在
系中不会出现沿
轴方向的分运动及运动趋势.又因为
系中该带电质点所受电场力沿
轴方向,故磁场力不会出现
轴方向分量,即
不存在
分量.
考虑
系中导体板上方(或下方)带电为
的初始静止质点,因受力为零,故将保持静止状态.该质点在
系中必沿
轴负方向匀速运动,不存在沿
轴方向的分运动及运动趋势,故磁场力不会出现
轴方向分量,即
不存在
分量.
如上结论可判断:
沿
轴方向.
此外,该质点在
系中受力平衡,即向下的磁场力与向上的电场力之和必定为零,应有
(或
)
(或
),
得
.
的求解.
系中导体板上、下表面电荷静止,没有相对
系的面电流.据磁场安培环路定理,得
.
③下面验证相对论电作用场变化公式的“手抄版”.
可由
系:
,
,
,
,
,![]()
得到
:
,
,
.
比较可知
与前面所得的
不符.
,
(+、-号之误未影响此结果),
.
,与前面所得的
一致.
因此,“手抄版”中
表达式有误,应纠正为
.
由
系:
,
,
,
,
,![]()
得到
系:
,
,
(
表达式已被纠正).
与前面所得结论一致.
,
,
.
则
与前面所得
不符,因此,“手抄版”中
表达式有误,应纠正为
.
附注:
系中若在导体板内区域放一个相对
系静止的带电量为
的粒子,它不受磁场力,仅受电场力为
.
在
系该质点沿
轴反方向匀速运动,受力
,
.
与相对论力变换公式
一致
【题目】一位同学做“探究弹力大小与弹簧伸长量之间的关系”所测的几组数据如表,请你根据表中数据作出分析。
弹力F/N | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 |
弹簧原来长度L0/cm | 15.0 | 15.0 | 15.0 | 15.0 |
弹簧后来长度L/cm | 16.0 | 17.1 | 17.9 | 19.0 |
弹簧伸长量x/cm | 1.0 | 2.1 | 2.9 | 4.0 |
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(1)在坐标图上作出F-x图线_______。
(2)写出图线的函数表达式(x用cm作单位):_____________。
(3)函数表达式中常数的物理意义:_________________。