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産品特色

編輯推薦

適讀人群 ：本書可作為普通高等學校物理或應用物理專業本科生的電磁學課程的教材或參考書、也可供相關專業師生和科技工作者參考

中科大在物理學人纔培養方麵經驗的集成，多年教學經驗豐富的教授編寫

內容簡介

電磁學與電動力學．上冊是作者在多年教學經驗的基礎上，將電磁學與電動力學的內容適當貫通，既分階段，又平滑過渡，由此避免不必要的重復，以利於縮短學時，便於學生掌握．電磁學與 電動力學．上冊分為上、下兩冊，電磁學與電動力學．上冊為上冊，主要深入講解電磁場的性質，研究電磁場和介質相互作用的本質和規律，並深入探討瞭電磁場作為一種物質的運動狀態的普遍量度———能量．電磁學與電動力學．上冊應用實例和例題甚多，以便學生更好地掌握基本概念和基本理論．

內頁插圖

目錄

第二版叢書序 第一版叢書序 第二版前言 第一版前言

第1章真空中的靜電場 1
1.1 電荷守恒 1
1. 2庫侖定律 3
1.2.1庫侖扭秤實驗 3
1.2.2庫侖定律 5
1. 3疊加原理 6
1.3. 1疊加原理的數學錶述 6
1.3.2帶電體係對靜止點電荷的作用力　6
1.3.3帶電體係之間的作用力 7
1.4 電場強度 8
1.4. 1電場強度的定義　8
1.4.2各類帶電體的電場強度 8
1.4.3 電場的物質性　9
1.4.4電場強度計算舉例 9
1.5高斯定理 1 1
1.5. 1電通量　12
1.5.2高斯定理 13
1.5.3高斯定理與庫侖定律的關係 15
1.5.4高斯定理應用舉例 16
1.5.5 電場綫　18
1.6環路定理 19
1.6. 1電場的環量 19
1.6.2環路定理 20
1.7 電勢 21
1. 7.1 電勢差與電勢 21
1.7.2電勢的一般錶達式 22
1.7.3場強與電勢的微分關係 23
1.7.4 等勢麵　24
.7.5應用舉例 25
第2章靜電場中的導體和電介質 29
2. 1 物質的電性質 29
2 1物質的電性質 29
2. L 2 電場對電荷係統的作用　30
2.2 靜電場中的導體 32
2.2. 1 導體達到靜電平衡的條件 32
2.2.2處在靜電平衡條件下導體的性質 33
2.2.3導體在靜電場中性質的應用 35
2. 2. 4高斯定理和庫侖定律的精確驗證 38
2.3 電容和電容器 38
2.3. 1 孤立導體的電容 39
2. 3. 2 電容器　39
2. 3. 3電容器的連接 40
2. 4電介質 4 1
2. 5極化強度矢量P　 43
2.5. 1 P與極化電荷的關係　44
2.5.2 P與電場E的關係 47
2.6 電介質中靜電場的基本定理 50
2.6. 1 高斯定理 50
2.6.2 環路定理 53
2.7邊值關係和唯一性定理 53
2.7. 1電場強度 53
2. 7. 2 電位移矢量 54
2.7.3 電勢 55
2.7.4靜電場的唯一性定理 55
2.7.5應用舉例 57
*2.8 電像法　61
第3章靜電能 66
3.1真空中點電荷間的相互作用能 66
3.2連續電荷分布的靜電能 69
3. 3 電荷體係在外電場中的靜電能 75
3.4電場的能量和能量密度 76
^ 3. 5非綫性介質及電滯損耗 78
"3.6 利用靜電能求靜電力　80
第4章穩恒電流 89
4. 1穩恒條件 89
4.1.1電流強度和電流密度 89
4. 1. 2電流連續方程 90
4.1.3穩恒條件 91
4.2歐姆定律 92
4.2.1歐姆定律 93
4.2.2焦耳定律 94
4.2.3從經典電子論觀點解釋歐姆定律和焦耳定律 95
4.2.4歐姆定律的失效問題 97
4.3 電源及電動勢 97
4.3.1電源及其電動勢 97
4.3.2 常見的幾種電源 99
4.3.3路端電壓、電動勢和全電路歐姆定律 102
4.3.4 穩恒電路的特點　103
4.3.5 穩恒電路中靜電場的作用 103
4.4基爾霍夫定律 104
4.4.1節點、支路和迴路 104
4.4.2基爾霍夫定律　105
4.4.3支路電流法 105
4.4.4迴路電流法 106
"4.5穩恒電流和靜電場的綜閤求解 107
4. 5. 1 基本方程 108
4. 5. 2 基本方程的閉閤性 108
4.5.3與純靜電場問題類比 11 1
第5章真空中的靜磁場 1 15
5. 1 磁現象與磁場 1 15
5. 1. 1磁的基本現象與磁的庫侖定律 115
5. 1.2奧斯特實驗——電流磁效應 116
5. 1.3磁感應強度 1 17
5. 1.4 安培力公式與洛倫茲力公式 118
5.2畢奧-薩伐爾定律 120
5.2. 1畢奧-薩伐爾定律 120
5.2.2畢奧-薩伐爾定律應用舉例 12 1
5. 3安培定律 126
5.3. 1 四個示零實驗　126
5. 3. 2 安培定律 128
5.3.3安培力及其應用　129
5.4 靜磁場的基本定理 130
5. 4. 1 磁場的高斯定理　130
5. 4. 2 安培環路定理　13 1
5.4.3 磁場的幾何描述　132
5.4.4兩條定理與畢奧-薩伐爾定律的關係 133
5. 4. 5安培環路定理的應用 134
5.5 帶電粒子在磁場中的運動 136
5.5. 1運動特徵 137
5.5.2應用舉例 139
5. 5. 3 宏觀效應　143
第6章靜磁場中的磁介質 145
6. 1 磁場對電流的作用 145
6. 1. 1磁場對電流的力和力矩 145
6. 1.2電流受力和力矩的計算舉例 146
6.2磁介質及其磁化強度犕 147
6.2.1磁化強度 148
6. 2. 2 磁化電流 148
6.3磁介質中的靜磁場的基本定理 150
6. 4介質的磁化規律 152
6.4.1 介質按磁化規律的分類 152
6.4.2 介質磁化的微觀機製 155
6 .4.3無限均勻綫性各嚮同性介質中的靜磁場 159
6. 5邊值關係和唯一性定理 160
6 .5.1磁場在磁介質界麵上的邊值關係　160
6 .5.2靜磁場的唯一性定理 161
6.5 .3分區均勻綫性各嚮同性介質中的靜磁場 162
土 6. 6磁像法 167
6 .6.1介質界麵為無限平麵 168
6 . 6.2介質界麵為無窮長圓柱麵 171
6 .7磁路定理及其應用 172
6. 7.1 磁路定理的基本方程 172
6 .7.2磁路定理的應用　173
^6.8磁荷法 176
6 .8.1磁荷觀點下的靜磁場規律 176
6. 8. 2磁荷法和電流法的等效性 178
6 .8.3磁荷法的應用　179
第7章電磁感應 182
7. 1電磁感應定律 182
7 1 電磁感應現象　182
7 2法拉第電磁感應定律 184
73感應電動勢的計算 186
74塊狀導體中的電磁感應現象 187
7 5電磁感應定律和磁場的高斯定理　187
7 .2動生電動勢和感生電動勢 188
7.2. 1 動生電動勢 188
7 .2.2感生電動勢 19 1
7 .2.3 電子感應加速器　193
7 .2.4兩種電動勢引齣的問題 194
7 .3互感和自感 194
7. 3.1互感現象和互感係數 194
7 .3.2自感現象和自感係數 196
7 .3.3兩綫圈的串聯和並聯 198
7.4似穩電路和暫態過程 201
7 .4.1似穩條件 202
7 .4.2似穩電路方程 202
7 .4.3多迴路電路的基爾霍夫定律 205
7 .4.4暫態過程 206
第8章磁能 210
8 .1載流綫圈的磁能 210
8.1.1 —個載流綫圈的磁能 210
8.1.2 N個載流綫圈係統的磁能 211
8.2載流綫圈在外磁場中的磁能 212
8.3磁場的能量和磁能密度 213
"8. 4非綫性介質及磁滯損耗 215
"8. 5利用磁能求磁力 217
第9章交流電路 222
9.1基本概念和描述方法 222
9 .1.1基本概念 222
9 .1.2描述方法 223
9.2交流電路的復數解法 228
9. 2.1交流電路的基本方程 228
9. 2. 2 電路方程的復數形式 229
9. 2. 3交流電路元件的復阻抗 231
9 .3交流電的功率 232
9.3.1 瞬時功率 232
9.3.2 平均功率 233
9 . 3. 3視在功率和功率因素 233
9.3 .4由電壓和電流復有效值計算平均功率 234
9.4交流電路分析舉例 234
9.4. 1串聯諧振電路 234
9 .4.2並聯諧振電路 236
9 .4.3變壓器電路 238
第10章麥剋斯韋電磁理論 240
10. 1 麥剋斯韋方程組 240
10. 1. 1兩個大膽的推廣 24 1
10. 1.2兩個重要的假設 24 1
10. 1.3麥剋斯韋方程組 245
10. 1. 4 邊值關係 246
10.2 平麵電磁波 246
10.2. 1 電磁波的産生機製 246
10.2.2平麵電磁波的性質 248
10.2.3 赫茲實驗 250
10.2.4電磁波譜 252
10. 3電磁場的能量、動量和角動量 253
10.3. 1 電磁場的能量、動量和角動量　253
10 .3.2平麵電磁波的能量和動量 254
10.3.3 光壓 254
10.3.4 電磁場具有角動量的驗證 256
習題 257
習題參考答案 283
參考書目 29 1
名詞索引 292
教學進度和作業布置 297
附錄I 科學傢中英文姓名對照錶 299
附錄E 單位製和單位製間的公式變換 30 1
附錄K物理常數 3 1 1
附錄嘆矢量分析中的常用公式 3 12

精彩書摘

第1章真空中的靜電場
1.1電荷守恒
電學中最基本的概念是電荷.早期人們是通過物質的力效應來定義它的.人們 發現許多物質，如琥珀、玻璃棒、硬橡膠棒……經過毛皮或絲綢摩擦後，能吸引輕小 物質，便說這些物質帶瞭電荷.
近代物理學的實驗揭示瞭電荷的物理本質.電荷是基本粒子，如電子、質子 子等的一種屬性，離開瞭這些基本粒子它便不能存在.也就是說，電荷是物質的基 本屬性，不存在不依附物質的“單獨電荷” 1897年，英國物理學傢湯姆孫測齣瞭陰 極射綫帶電粒子的荷質比約為氫離子(質子)的2000倍，他指齣這種帶負電的粒子 是一切原子的基本成員之一，後來被稱為電子，他因此而榮獲1906年諾貝爾物理 學奬.1909?1917年，密立根用油滴實驗，通過反復測量，測定電荷的最小單位是
1 . 59X10—19C，他因此榮獲1923年諾貝爾物理學奬.
就我們現今所知，電荷有如下的特點：
(1)自然界中存在兩種電荷，分彆稱為正(+ )電荷和負（一）電荷.正如左和右 一樣，它們的定義是任意的.現在人們都習慣沿用美國物理學傢富蘭剋林的定義， 即被絲綢摩擦過的玻璃棒所帶的電荷為“ + ”電荷，被毛皮摩擦過的硬橡膠棒所帶 的電荷為“一”電荷.實驗錶明，同號電荷相斥，異號電荷相吸，根據這一性質我們可 以用實驗來測齣物體帶有哪種電荷.
()電荷是量子化的，即在自然界裏物質所帶的電荷量不可能連續變化，而 隻能一份一份地增加或減小.如前所述，這最小的一份電量是電子或正電子所帶 的電量，我們把這電量的絕對值記為就是自然界中電量的基本單元，根據國 際科技數據委員會1986年推薦值，e= 1. 602 177 33(49) X 10—19C. 20世紀60 年代物理學傢提齣瞭一種更基本的粒子——誇剋（quArk)，誇剋有6種，分彆帶 有一，/3和，3的電量.30多年來，藉助大型加速器，采用瞭多種途徑，這6種 誇剋在實驗上先後被科學傢發現，但至今還沒有可靠的證據錶明它們以自由狀 態存在，即它們被禁閉在強子內部，不能脫離強子自由運動.帶分數電荷的粒子 的發現，也不破壞電荷的量子性，僅僅是將現在所能測到的最小的一份電量變得 更小而已.
(3) 存在所謂“電荷對稱性” 1928年，狄拉剋提齣描寫電子運動並且滿足相 對論不變性的波動方程，並得到一個重要結論：電子可以有負能值.由此齣發，於 1930年提齣所謂“空穴”理論，預言瞭帶正電的電子（即正電子）的存在；931年又 預言瞭反粒子的存在，電子-正電子對的産生和煙沒.我國物理學傢趙忠堯先生 (曾任中國科學技術大學近代物理係首任係主任，他的導師就是密立根)於1930年 在美國加利福尼亞州理工學院通過實驗發現硬Y射綫的反常吸收以及伴隨齣現的 “特殊輻射”這就是最早觀察到的正負電子對産生和煙沒的現象.1932年，安德遜 在宇宙射綫中發現正電子). —係列近代高能物理實驗錶明，對於每種帶電的 基本粒子，必然存在與之對應的、帶等量異號電荷的另一種基本粒子——反粒子. 例如，我們有電子和正電子、質子和反質子、TC介子和反n介子等.
(4) 電荷守恒.一個孤立係統(與外界不發生電荷交換的係統）的電荷總量(代 數和)是保持不變的，它既不能創生，也不會消滅.電荷隻能從係統內的一個物體轉 移到另一個物體，係統的總電量既不隨時間而變，也與參考係的選取無關，這就是 電荷守恒定律.例如，原本都是中性的絲綢和玻璃棒組成的孤立係統，電荷總量為 零.當用絲綢摩擦玻璃棒後，玻璃棒上帶正電，而絲綢上帶瞭與之等量的負電，其係 統的總電量仍為零.又如，任何化學反應前後係統的總電量相等.電荷守恒作為自 然界最普遍的規律之一，它對核反應也是成立的.如中子(n)經過卩衰變産生一個 質子、一個電子和一個反中微子：
o n ^ ^p0 + e— + I
類似地，有氚的卩衰變反應式
3H2 —-2He1 +e—十 v,
綜閤寫齣卩衰變的一般反應式如下：
—麼1YN—1 +e—十v,
式中，A為質量數，Z為原子序數即電荷數，N為中子數.一個強放射性元素鐳，通 過A衰變，放齣一個A粒子（He2)後轉變為氡222(2|Rn36)
2 龍 RA138 —— 222 Rn36 + 4He
對於太陽上核聚變反應的一種可能鏈式過程：
1Ho + 1Ho—~— ?H1 +e++ v,
?H1 + 1Ho—~— 3He +y
2 He+ 3 He—■—2 He+21 Ho
其中，每一步反應都滿足電荷守恒定律.
1.2庫侖定律
1. 2.1庫侖扭秤實驗
庫侖定律是以它的發現者之一，法國物理學傢庫侖的名字命名的.它是電磁學 中最基本的定律之一.這個定律的發現過程，對於年輕讀者具有很大的啓迪作用， 值得在此簡述.
16世紀工藝、航海、軍工的發展，極大地促進瞭自然科學的研究，其中也包括 電磁理論.曆經一百多年，在電磁現象研究領域取得瞭一係列重要成果，相繼發現 瞭摩擦起電原理，製成瞭摩擦起電機；明白瞭自然界裏電荷分為正電、負電兩種，同 性電荷相斥，異性電荷相吸;弄清瞭雷雨天閃電原理，將天電和地電統一起來;掌握 瞭電荷轉移及儲存方法，製成瞭萊頓瓶;認識到電荷守恒定律.接著人們開始瞭電 荷之間作用力的大小和方嚮的探索研究.
1750年前後，德國科學傢埃皮諾斯發現，當發生相互作用的電荷之間的距離 縮短時，兩者之間的吸引力和排斥力便增加，遺憾的是他沒有繼續研究其定量規 律.1755年，富蘭剋林在實驗中發現，一細絲懸掛的帶電軟木小球在帶電金屬筒外 明顯地受到電力而傾斜，在筒內則幾乎不受電力作用.富蘭剋林將這一結果函告德 國科學傢普利斯特利.後來，普利斯特利通過一係列實驗證實瞭富蘭剋林的發現， 並於1767年提齣如下猜想：難道我們就不可以認為電的吸引力遵從與萬有引力 相同的規律，即與距離的反平方有關的規律嗎?”但是，普利斯特利僅僅停留在猜想 階段，沒有做進一步的研究.這一猜想與靜電場的高斯定理(見1. 5節）的結論一 緻.將該定理應用到帶電的金屬殼上，可以證明殼的內錶麵無電荷（見2.2節). 1771?1773年，英國科學傢卡文迪許完成瞭一係列的靜電實驗，證明空腔金屬容 器內錶麵不帶電荷，據此推斷電力與距離的平方成反比關係.但是，在他去世之前， 這些成果沒有公開發錶，直到1879年，纔由著名的物理學傢麥剋斯韋整理、注釋齣 版瞭他生前的手稿，其中記述瞭距離平方反比定律.在2. 2節中，我們將簡介卡文 迪許的實驗和結論.以上說明，在這一個時期，人類逐步把電學的研究推進到定量 的、精確的科學層次，為庫侖定律的建立奠定瞭基礎.
庫侖早年是一名軍事工程師，曾督造過防禦工事.也許正是這種經曆，使他對 科學産生瞭興趣，開始對扭力進行係統的研究.1781年，由於有關扭力的論文的發 錶，他當選為法國科學院院士.在1784年提交法國科學院的一篇論文中，他通過實 驗確立瞭金屬絲的扭力定律，發現扭力正比於扭轉角度，並指齣可依據該原理去測 量小至6. 48X10-6N的作用力.根據這一發現，1785年庫侖自行設計製作瞭一颱 扭秤，測量瞭電荷之間的相互作用力與其距離的關係，建立瞭庫侖定律.圖1. 1給 齣瞭扭秤的結構及其中的4個關鍵部件.在一個高和直徑均為30. 5cm的玻璃圓　
筒上，有^^塊直徑為33cm的玻璃平闆AC， 它使容器不受外部空氣流動的影響.平闆上 有兩個直徑約為4. 3cm的孔/、rn，孔f開 在中心，上麵膠連一根高61cm的玻璃管.管 的頂端犺處有一個測微器，它的細緻結構如 圖1. 1中的（1)號件所示.其頂部有鏇鈕犫 指針化，還有一個懸掛金屬絲的夾鉗通 過圖1. 1中的(2)號件的孔犌（2)號件上有 一個圓盤，，在其盤邊上刻齣360°.管多安 放在圖1. 1中的(3)號件的孔洞中，而H則 與圖中玻璃管/犺的頂端相套接.（1)號件中 夾鉗的形狀很像一個教學圓規上的粉筆卡 頭，可通過滑環使它收放.杆犘0的犘端[圖 1. 1中(4)號件]有一個類似狇的夾鉗，可通 過滑環彡使它收放.一根非常細的銀絲，一端夾在(4)號件的犘中，另一端夾在夾 鉗狇上.犘0用銅或銀製成，直徑約0. 22cm，它的重量可使銀絲綳緊，但又不會使銀 絲變得很細.在E的橫嚮有一個小孔，孔中穿過一根絕緣物質細杆Ag，長約20cm， 犪端有個金屬小球^端有一個平衡球.Ag水平懸掛在圖1. 1中的玻璃容器內約一 半高的地方.另一絕緣物質小杆犿犱穿過蓋闆AC上的孔犿，杆的下端固定一個與 犪端完全一樣的金屬小球.玻璃容器周圍有刻度ZOQ，ZOQ與Ag等高，並分 成 360°
實驗開始時，首先調整零點，即讓指針犻調到扭力計刻度上的零點，使狇、間 的細絲自然下垂，大小相同的金屬小球犱與A相互接觸.庫侖使一枚插在絕緣細棒 上的大頭針帶上電，然後把它伸到孔犿裏，接觸犱球，犱球與A球接觸，從大頭針 轉移過來的電荷在兩球之間等量分配，使犱球與A球帶上同號等量的電荷.由於相 互排斥，A、犱將離開一段距離.轉動鏇鈕犫改變銀絲扭轉角度（即改變扭力），可改 變A、d兩球間的距離.庫侖做瞭三次數據記錄:第一次令兩小球相距36個刻度;第 二次令兩小球相距18個刻度;第三次令兩小球相距8. 5個刻度，三次間 電磁學與電動力學（上冊）（第二版） 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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