大学物理复习笔记:刚体、相对论与电磁学
一、刚体转动与角动量
1. 冲量、质心与角动量
• “逆风行船”的关键不是风直接把船向前推,而是帆改变空气的动量;空气对帆的冲量具有横向和纵向分量,船体与水的相互作用抵消大部分横向运动,保留下来的纵向分量推动船沿预定方向前进。
• 对质点系,总质量为 \(m=\sum_i m_i\),质心位置为
对连续质量分布,
• 质点相对参考点 \(O\) 的角动量(动量矩)为
• 角动量定理为
当外力矩为零时角动量守恒;常见情形包括 \(\vec r=0\)、\(\vec F=0\) 或 \(\vec r\) 与 \(\vec F\) 平行。
• 力矩决定角动量变化的快慢。角冲量与角动量增量满足
• 对质点系,内力矩成对抵消,因此
在质心系中同样有 \(\vec M_{\text{外},C}=d\vec L_C/dt\)。
2. 角速度、力矩与转动定律
• 角速度矢量 \(\vec\omega\) 沿转轴,方向由右手螺旋定则确定;角加速度为
定轴转动时可写成 \(\vec\omega=\omega\vec k\)、\(\vec\beta=(d\omega/dt)\vec k\)。
• 力矩是代数量:绕选定轴使刚体逆时针加速转动时取正,反之取负。其轴向分量可写成
其中 \(h\) 是力臂。
• 刚体定轴转动的基本方程为
其中 \(M\) 是外力矩代数和,内力矩合计为零,\(J\) 是对该轴的转动惯量。
• 质点系与连续体对给定轴的转动惯量分别为
• 常用结果:细圆环或薄圆柱壳 \(J=MR^2\);圆盘或实心圆柱 \(J=\frac12MR^2\);细杆绕中心垂直于杆的轴 \(J=\frac1{12}ML^2\),绕端点垂直于杆的轴 \(J=\frac13ML^2\);薄球壳 \(J=\frac23MR^2\);实心球 \(J=\frac25MR^2\)。
• 平行轴定理:
其中 \(J_C\) 是过质心的平行轴转动惯量,\(d\) 是两轴间的垂直距离。
• 对薄板,若 \(x\)、\(y\) 轴在板内且相互垂直,\(z\) 轴垂直薄板,则垂直轴定理为
例如薄圆盘 \(J_z=\frac12mR^2\),由对称性得到 \(J_x=J_y=\frac14mR^2\)。
3. 转动动能、功与能量
• 质点系动能定理为
一对内力所做元功之和可按“其中一个内力乘两质点相对位移”计算。
• 刚体定轴转动时 \(v_i=r_i\omega\),因此
形式上,平动中的 \(m\) 与 \(v\) 分别对应转动中的 \(J\) 与 \(\omega\)。
• 刚体从 \(\theta_1\) 转到 \(\theta_2\) 时,合外力矩做功为
各外力矩元功相加得到 \(dA=M\,d\theta\)。
• 定轴转动的动能定理为
刚体内力总功为零,故刚体动能增量等于外力做功。
• 定轴转动刚体的机械能可写为
对包含刚体的完整系统,功—能原理与机械能守恒条件仍然适用。
• 平面平行运动可分解为质心平动与绕质心转动。由柯尼希定理,
• 当转动惯量 \(J_z\) 为常量时,
• 刚体绕定轴转动时
• 当外力矩 \(M_z=0\) 时,\(L_z=J\omega\) 守恒。该结论也适用于形状发生变化的系统:若 \(J\) 改变,则 \(\omega\) 相应改变以保持 \(J\omega\) 不变。
• 陀螺的重力矩使角动量矢量发生侧向变化,从而产生进动。由
并结合右手定则,可判断进动方向。
二、狭义相对论
1. 时间延缓与长度收缩
• 光钟在自身静止系中的往返时间为原时 \(\Delta t'\)。在观察到光钟以速度 \(u\) 运动的地面系中,光走斜线,由几何关系得到
原时最短。
• 长度测量要求在同一参考系中同时记录物体两端的位置。沿运动方向有
其中 \(l_0\) 是物体静止系测得的固有长度,因此固有长度最大。
2. 洛伦兹变换与事件间隔
- 坐标的物理含义: 洛伦兹变换处理的是同一个事件 \(P\),例如一次闪光、碰撞或粒子经过某点。\(S\) 系用自己的坐标尺和一组已经同步的时钟记录该事件,得到 \((x,t)\);\(S'\) 系用自己的坐标尺和同步时钟记录同一事件,得到 \((x',t')\)。
- \(x\):事件 \(P\) 相对 \(S\) 系原点 \(O\) 的空间坐标;\(t\):事件在 \(S\) 系中的发生时刻。
- \(x'\):同一事件 \(P\) 相对 \(S'\) 系原点 \(O'\) 的空间坐标;\(t'\):同一事件在 \(S'\) 系中的发生时刻。
- \(x\) 与 \(x'\) 不是两个不同物体的位置,也不一定是两参考系原点的位置;它们只是两个参考系对同一事件给出的空间坐标。只有专门研究某个物体的运动时,才把该物体在不同时刻发生的一系列事件连成世界线。
- 检验例一:若事件发生在 \(S'\) 的原点 \(O'\) 上,则 \(x'=0\),而 \(S\) 系给出的坐标满足 \(x=ut\)。
- 检验例二:若事件发生在 \(S\) 的原点 \(O\) 上,则 \(x=0\),而 \(S'\) 系给出 \(x'=-\gamma ut=-ut'\),表示 \(O\) 在 \(S'\) 中沿 \(-x'\) 方向运动。
• 若 \(S'\) 相对 \(S\) 沿 \(+x\) 方向以速度 \(u\) 运动,则
逆变换等价于交换撇号并令 \(u\to -u\):
正负号判定:
- 先约定 \(S'\) 的 \(x'\) 轴与 \(S\) 的 \(x\) 轴同向,并令两原点在 \(t=t'=0\) 时重合。
- 站在 \(S\) 系观察 \(S'\) 的原点 \(O'\):若 \(O'\) 向 \(+x\) 方向运动,则 \(u>0\);若向 \(-x\) 方向运动,则 \(u<0\)。也就是说,\(O'\) 在 \(S\) 中的轨迹永远写成 \(x_{O'}=ut\)。
- 从 \(S\) 变换到 \(S'\) 时始终使用 \(x'=\gamma(x-ut)\)。当 \(S'\) 向右运动时 \(u>0\),括号中表现为减号;当 \(S'\) 向左运动时 \(u<0\),公式自动变成 \(x'=\gamma(x+|u|t)\)。
- 从 \(S'\) 反变换到 \(S\) 时,\(S\) 相对 \(S'\) 的速度是 \(-u\),因此把正变换中的 \(u\) 换成 \(-u\),得到 \(x=\gamma(x'+ut')\)。这里的加号对应最初假设的 \(S'\) 相对 \(S\) 向右运动。
- 快速自检:把 \(O'\) 的坐标 \(x'=0\) 代入正变换,必须还原出 \(x=ut\);若得不到,说明速度方向或符号用反了。
• 对两个事件,
• 异地事件的同时性是相对的。若两个事件在某系中既同地又同时,即 \(\Delta x=\Delta t=0\),它们实为同一时空事件,在所有惯性系中仍重合。
• 原时由同一只钟在同一地点记录,即 \(\Delta x'=0\)。其他惯性系测得
所以原时是这两个事件之间最短的时间间隔。
• 测量运动物体长度时必须令 \(\Delta t=0\);由 \(\Delta x'=\gamma\Delta x\) 得
再次说明固有长度最长。
3. 速度、动量与能量
• 速度变换为
当 \(u\ll c\) 时退化为伽利略速度变换;若 \(v_x=c\),则仍有 \(v_x'=c\)。
• 课件采用旧式“相对论质量”写法
补充说明: 现代教材通常把质量 \(m_0\) 视为不变量,直接把 \(\gamma\) 写入动量和能量,不再说质量随速度变化。
• 相对论动量与动力学基本方程为
• 相对论动能为
• 静止能量与总能量分别为
且 \(E=E_0+E_k\)。
三、静电场
1. 库仑定律、电场与电通量
• 两个静止点电荷之间的库仑力为
其中 \(\varepsilon_0=8.854\,187\,82\times10^{-12}\ \mathrm{F/m}\)。
• 电场强度定义为单位正试探电荷所受静电力:
• 连续带电体的电场由叠加原理求得:
• 通过闭合曲面 \(S\) 的电通量为
\(d\vec S\) 的方向约定为外法线;场线穿出为正,穿入为负。
• 对位于闭合球面中心的点电荷,
点电荷在任意闭合面内部时结果仍为 \(q/\varepsilon_0\),在外部时净通量为零。
• 真空中的高斯定理为
总电场由全部电荷产生,但闭合面的净通量只由面内净电荷决定;这也体现了静电场是有源场。
2. 静电功、电势与保守性
• 点电荷 \(q\) 对试探电荷 \(q_0\) 从 \(r_a\) 移到 \(r_b\) 所做的功为
只取决于始末位置,与路径无关。
• 因静电力做功与路径无关,静电力是保守力,静电场是保守场。
• 静电场的环路定理为
即静电场无旋。
• 多个点电荷产生的电势满足叠加原理:
连续分布带电体则写成 \(u=\int_Q du\)。
• 沿任意方向 \(l\),电场分量等于电势沿该方向变化率的负值:
• 三维形式为
3. 静电平衡导体与电容
• 静电平衡时导体内部处处 \(\vec E=0\),导体是等势体;若导体空腔内无自由电荷,腔内场也为零。导体表面外侧法向场满足
• 孤立导体表面的电荷密度与局部曲率有关:尖锐、曲率大的部位更容易积聚电荷,形成“尖端放电”。
• 孤立导体的电容定义为
表示使导体电势升高单位数值所需的电荷量。
• 半径为 \(R\) 的孤立导体球有
4. 电介质、电位移与电场能
• 在均匀各向同性电介质中,若自由电荷保持不变,
其中 \(\varepsilon_r\ge 1\) 是相对介电常数;极化产生的束缚电荷场会削弱原场。
• 平行板间充满电介质时,
其中 \(\sigma'\) 是电介质表面的束缚电荷面密度大小。
• 定义电位移矢量
• 电介质中的高斯定理为
只计算高斯面内的自由电荷,不把束缚电荷列入右端。
• 线性各向同性电介质中的电场能量密度为
• 非均匀静电场的总能量为
四、磁场、磁介质与电磁感应
1. 电流、运动电荷与磁场
• 电流元在磁场中受到安培力
• 毕奥—萨伐尔定律为
其中 \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\ \mathrm{N/A^2}\)。
• 平面电流线圈的磁矩定义为
方向由电流的右手螺旋定则确定。
• 磁矩也常记为
其中 \(\vec a=S\vec n\) 是回路的面积矢量;\(\vec\mu\) 与本笔记中的 \(\vec p_m\) 表示同一物理量。
• 处于均匀外磁场中的载流线圈所受合力矩为
其作用是使磁矩趋向与磁场同向。
• 取 \(\theta=\frac{\pi}{2}\) 时势能为零,磁偶极子的势能为
当 \(\vec\mu\) 与 \(\vec B\) 同向时势能最小,为稳定平衡;反向时势能最大,为不稳定平衡。
• 低速运动点电荷产生的磁场为
• 运动电荷的电场与磁场满足
这说明磁场可视为电场的运动效应。
2. 磁场基本定理与安培力
• 磁场的高斯定理为
磁感线没有起点和终点,磁场是无源的涡旋场。
• 恒定电流磁场中的安培环路定理为
电流正负由积分回路方向与电流方向的右手关系确定;该式适用于闭合稳恒电流。
• 当电流分布具有足够对称性时,可选取使 \(B\) 在积分路径上恒定或分段恒定的安培回路,从而直接由环路定理求 \(B\)。
• 任意形状载流导线在外磁场中的合力为
若 \(\vec B\) 为均匀场,闭合线圈有 \(\oint d\vec l=0\),故合力为零,但合力矩不一定为零。
• 非均匀磁场中,带电粒子的回旋半径
会随 \(B\) 改变;横向回旋形成磁约束,磁场沿轴向增强时会产生磁镜效应,使粒子纵向速度减小甚至反射。
• 霍尔效应中,载流子受洛伦兹力 \(q\vec v\times\vec B\) 横向偏转,直至 \(q\vec E+q\vec v\times\vec B=0\)。对厚度为 \(d\) 的样品,
• 由霍尔系数可求载流子浓度并判断载流子正负:电子为主要载流子时对应 N 型,空穴为主要载流子时对应 P 型,霍尔电压极性相反。
3. 磁介质
• 磁介质用相对磁导率 \(\mu_r=B/B_0\) 表征。抗磁质 \(\mu_r<1\)、顺磁质 \(\mu_r>1\),二者通常都属于弱磁性物质。
• 铁磁质的 \(\mu_r\gg1\),常在 \(10^2\) 到 \(10^4\) 量级且并非常量;超导体表现为完全抗磁,理想情况下内部 \(B=0\)。
• 磁介质中的总磁场可写为
磁化强度定义为单位体积磁矩
• 磁化可用等效束缚电流描述。定义
从而把自由电流与磁化贡献分开。
• 磁介质中的安培环路定理为
线性各向同性介质中
- 铁磁质的 \(B\)—\(H\) 关系非线性且具有磁滞。撤去外场后仍保留剩磁 \(B_r\),要用反向矫顽场 \(H_c\) 才能使磁感应强度降为零;磁滞回线体现磁化过程不可逆。
- 软磁材料的 \(H_c\) 小、易磁化也易退磁,适合变压器、电机和电磁铁铁芯;硬磁材料的 \(H_c\) 大、剩磁强,适合永久磁铁。温度高于居里点 \(T_C\) 后,铁磁质转变为顺磁质。
4. 电磁感应、自感与互感
• 法拉第电磁感应定律为
负号体现楞次定律:感应电流的作用总是反抗引起磁通量变化的原因。
• 电动势表示非静电力把单位正电荷从电源负极移到正极所做的功:
非静电场维持电源的能量转换。
• 变化磁场产生有旋的感生电场:
与静电场不同,感生电场的环流通常不为零,但其通过闭合面的电通量为零,场线闭合。
• 自感现象是线圈自身电流变化引起自身磁通变化。若
则
自感系数 \(L\) 由线圈几何形状、大小和周围介质决定。
• 两线圈之间有
在通常线性互易条件下 \(M_{21}=M_{12}=M\)。
• 建立电流时克服自感电动势所做的功储存在磁场中:
5. 位移电流与麦克斯韦方程组
• 电容器充电时,极板间虽无传导电流,但电位移通量变化率
与导线中的传导电流相接,使“全电流”连续。
• 麦克斯韦把安培环路定理推广为
• 若传导电流为零,变化电场仍可通过位移电流产生磁场;反过来,变化磁场产生感生电场。这一互相激发机制是电磁波形成的基础。
• 麦克斯韦方程组的积分形式为
五、复习主线
- 转动部分抓住三组类比:\(\vec F\leftrightarrow\vec M\)、\(\vec p\leftrightarrow\vec L\)、\(m\leftrightarrow J\),再用功—能和角动量守恒处理综合题。
- 相对论先确定参考系与事件,再使用洛伦兹变换;“原时最短、固有长度最长”必须和测量条件一起记忆。
- 静电场的两条核心积分定理是高斯定理与环路定理;前者讨论源,后者讨论旋。
- 磁场中 \(\oint\vec B\cdot d\vec S=0\) 表明无磁单极,安培环路定理联系电流与环流。
- 法拉第定律与位移电流项把变化的磁场、电场连接起来,最终汇合为麦克斯韦方程组。

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