如何求解一般情況下的麥克斯韋方程組?将電磁場表示為電磁勢有何意義?9月4日12時,《張朝陽的物理課》第八十二期開播,搜狐創始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐鎮搜狐視頻直播間,先帶着網友讨論了将電磁場表示為電磁勢的意義,并利用簡易的解方程技巧以及散度定理求解出靜電荷産生的靜電勢。随後開始讨論一般情況,在洛倫茲規範下将麥克斯韋方程組用電磁勢表示出來,發現電勢與磁矢勢滿足的方程的形式相同,通過類似靜電勢的求解方法解出了電磁勢關于電荷電流密度的表達式。
張朝陽将電磁理論分為三層樓,第一樓是電勢與磁矢勢,第二樓是電磁場,是由第一層樓進行時空偏導得到,而第三樓的物理量則是第二樓的進行時空偏導得到。第二樓的電磁場是實際的可觀測量,第三樓對應的是更具體綜合的物理量。而第一樓的電磁勢雖然目前沒有物理意義,但一樓的物理量不僅數量少,而且它們還可以導出二樓與三樓的物理量,由它們來構建理論體系還具有很多優勢,所以接下來需要研究麥克斯韋方程組在一樓的表達。
上節課張朝陽已經求解出靜态的磁矢勢關于電流密度的表達式,這節課求解電勢關于電荷密度的表達式。張朝陽先解電荷集中在原點處的情況,這時電荷密度用狄拉克函數描述。在非原點處,電勢就是簡單的拉普拉斯方程,利用球坐标系解得電勢與原點距離成反比。為了進一步求得比例系數,對方程兩邊同時進行球體積分,利用散度定理可以求得電勢項的積分,利用狄拉克函數性質可以求得電荷密度的積分,最終計算得出比例系數。
随後張朝陽開始考慮一般情況下的麥克斯韋方程組的求解。首先利用麥克斯韋方程組的兩個方程定義出了一般情況下的電勢和磁矢勢,緊接着将麥克斯韋方程組中另外兩個方程用電磁勢表示出來,使用洛倫茲規範使得方程具有對稱簡潔易解的形式。之後開始求解原點處随時間變化的點電荷産生的電勢,這樣在非原點處方程化為波動方程。
為了進一步求得波動函數,使用與靜态情況類似的方法,對電勢方程進行球體積分,但球體體積趨于零,于是電勢的時間偏導項沒有貢獻,運用散度定理與狄拉克函數性質求得波動函數與電荷函數的關系。再利用疊加原理求得一般電勢方程的解。由于磁矢勢方程與電勢方程形式相同,可類比電勢的表達式得到磁矢勢方程的解,最終電磁勢用電荷電流密度表達出來,電磁場也可通過電磁勢求得。
截至目前,《張朝陽的物理課》已直播八十餘期,内容豐富、覆蓋廣泛,理論公式由淺入深、繁簡交融。從去年11月開啟第一節物理直播課,他先是從經典物理學開始,科普了牛頓運動定律等;而後從經典物理的“兩朵烏雲”說起,向近現代物理過渡,探讨了黑體輻射理論中的維恩公式、普朗克公式等知識。
此後逐步進入量子力學領域,從基礎的薛定谔方程等理論内容,到氫原子波函數,再到氣體定容比熱的溫度階梯,并順勢講解了熱力學定律。接着回到了經典物理,推導出飛船運行軌迹,估算太陽的結構與性質以及中子星的自轉速度,随後講解了陀螺的進動,還計算出月球的潮汐高度。而現在開始講解一些數學工具,準備進軍廣義相對論。
《張朝陽的物理課》的直播風格獨樹一幟:注重推導,通過一步一步詳盡的數學計算,推導出相關的物理公式,把每個公式從頭到尾拆解得十分清晰。
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