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

练习册系列答案
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