| ### Условие | | ### Условие |
| | | |
| $14.3.28^\*.$ Заряженный конденсатор, подвешенный на нити, казалось бы, не может вместе с нитью и подвесом двигаться поступательно, если угол $\alpha$ не прямой, так как магнитная сила взаимодействия двух совместно движущихся зарядов создает вращательный момент. Этот вращательный момент можно было бы обнаружить экспериментально, если считать, что конденсатор вместе с Землей движется со скоростью $\beta c$. Так ли это? | | $14.3.28^\*.$ Заряженный конденсатор, подвешенный на нити, казалось бы, не может вместе с нитью и подвесом двигаться поступательно, если угол $\alpha$ не прямой, так как магнитная сила взаимодействия двух совместно движущихся зарядов создает вращательный момент. Этот вращательный момент можно было бы обнаружить экспериментально, если считать, что конденсатор вместе с Землей движется со скоростью $\beta c$. Так ли это? |
| | | |
|  | |  |
| | | |
| ### Решение | | ### Решение |
| | | |
| Рассмотрим конденсатор в системе отсчёта, относительно которой он вместе с подвесом движется поступательно со скоростью | | Рассмотрим конденсатор в системе отсчёта, относительно которой он вместе с подвесом движется поступательно со скоростью |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \mathbf v=c\boldsymbol{\beta}, | | \mathbf v=c\boldsymbol{\beta}, |
| \qquad | | \qquad |
| \beta=\frac{v}{c}. | | \beta=\frac{v}{c}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Пусть $\mathbf E$ — электрическое поле одной пластины в точках расположения зарядов другой пластины. | | Пусть $\mathbf E$ — электрическое поле одной пластины в точках расположения зарядов другой пластины. |
| | | |
| При движении заряженного конденсатора возникает также магнитное поле, поэтому на заряды каждой пластины действует не только электрическая, но и магнитная сила Лоренца. | | При движении заряженного конденсатора возникает также магнитное поле, поэтому на заряды каждой пластины действует не только электрическая, но и магнитная сила Лоренца. |
| | | |
| На первый взгляд результирующая сила оказывается направленной не по нормали к пластине, что как будто должно создавать вращающий момент. Покажем, что это не приводит к вращению конденсатора. | | На первый взгляд результирующая сила оказывается направленной не по нормали к пластине, что как будто должно создавать вращающий момент. Покажем, что это не приводит к вращению конденсатора. |
| | | |
| Обозначим через $\theta$ угол между нормалью к пластине и направлением движения конденсатора. Тогда электрическое поле можно разложить на составляющие, параллельную и перпендикулярную скорости: | | Обозначим через $\theta$ угол между нормалью к пластине и направлением движения конденсатора. Тогда электрическое поле можно разложить на составляющие, параллельную и перпендикулярную скорости: |
| | | |
| $$ | | $$ |
| E_{\parallel}=E\cos\theta, | | E_{\parallel}=E\cos\theta, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| E_{\perp}=E\sin\theta. | | E_{\perp}=E\sin\theta. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Поскольку в собственной системе конденсатора магнитное поле отсутствует, в движущейся системе электрическое и магнитное поля связаны соотношением | | Поскольку в собственной системе конденсатора магнитное поле отсутствует, в движущейся системе электрическое и магнитное поля связаны соотношением |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \mathbf B=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]. | | \mathbf B=[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Сила Лоренца, действующая на заряд $Q$ пластины, равна | | Сила Лоренца, действующая на заряд $Q$ пластины, равна |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \mathbf F=Q\left(\mathbf E+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]\right). | | \mathbf F=Q\left(\mathbf E+[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf B]\right). |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Подставим выражение для магнитного поля: | | Подставим выражение для магнитного поля: |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \mathbf F=Q\left(\mathbf E+[\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]]\right). | | \mathbf F=Q\left(\mathbf E+[\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E]]\right). |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Используем тождество | | Используем тождество |
| | | |
| $$ | | $$ |
| [\mathbf a\times[\mathbf a\times\mathbf b]]=\mathbf a(\mathbf a\cdot\mathbf b)-a^2\mathbf b. | | [\mathbf a\times[\mathbf a\times\mathbf b]]=\mathbf a(\mathbf a\cdot\mathbf b)-a^2\mathbf b. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Для составляющей поля, параллельной $\boldsymbol{\beta}$, магнитная сила отсутствует. Поэтому | | Для составляющей поля, параллельной $\boldsymbol{\beta}$, магнитная сила отсутствует. Поэтому |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \boxed{F_{\parallel}=QE_{\parallel}}. | | \boxed{F_{\parallel}=QE_{\parallel}}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Для поперечной составляющей | | Для поперечной составляющей |
| | | |
| $$ | | $$ |
| [\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E_{\perp}]]= | | [\boldsymbol{\beta}\times[\boldsymbol{\beta}\times\mathbf E_{\perp}]]= |
| -\beta^2\mathbf E_{\perp}. | | -\beta^2\mathbf E_{\perp}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Следовательно, | | Следовательно, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| F_{\perp}=QE_{\perp}(1-\beta^2). | | F_{\perp}=QE_{\perp}(1-\beta^2). |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Таким образом, | | Таким образом, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \boxed{F_{\perp}=QE_{\perp}(1-\beta^2)}. | | \boxed{F_{\perp}=QE_{\perp}(1-\beta^2)}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Подставляя компоненты электрического поля, получаем | | Подставляя компоненты электрического поля, получаем |
| | | |
| $$ | | $$ |
| F_{\parallel}=QE\cos\theta, | | F_{\parallel}=QE\cos\theta, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| F_{\perp}=QE(1-\beta^2)\sin\theta. | | F_{\perp}=QE(1-\beta^2)\sin\theta. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Следовательно, | | Следовательно, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \frac{F_{\perp}}{F_{\parallel}}=(1-\beta^2)\tan\theta. | | \frac{F_{\perp}}{F_{\parallel}}=(1-\beta^2)\tan\theta. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Таким образом, результирующая сила действительно не направлена по нормали к пластине. | | Таким образом, результирующая сила действительно не направлена по нормали к пластине. |
| | | |
| Однако из этого нельзя делать вывод, что ускорение также направлено вдоль силы. В релятивистской механике сила определяется как | | Однако из этого нельзя делать вывод, что ускорение также направлено вдоль силы. В релятивистской механике сила определяется как |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \mathbf F=\frac{d\mathbf p}{dt}, | | \mathbf F=\frac{d\mathbf p}{dt}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| где | | где |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \mathbf p=\gamma M\mathbf v, | | \mathbf p=\gamma M\mathbf v, |
| \qquad | | \qquad |
| \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. | | \gamma=\frac{1}{\sqrt{1-\beta^2}}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Для составляющих ускорения, параллельной и перпендикулярной скорости, справедливы соотношения | | Для составляющих ускорения, параллельной и перпендикулярной скорости, справедливы соотношения |
| | | |
| $$ | | $$ |
| F_{\parallel}=\gamma^3Ma_{\parallel}, | | F_{\parallel}=\gamma^3Ma_{\parallel}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| F_{\perp}=\gamma Ma_{\perp}. | | F_{\perp}=\gamma Ma_{\perp}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Отсюда | | Отсюда |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a_{\parallel}=\frac{F_{\parallel}}{\gamma^3M}, | | a_{\parallel}=\frac{F_{\parallel}}{\gamma^3M}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a_{\perp}=\frac{F_{\perp}}{\gamma M}. | | a_{\perp}=\frac{F_{\perp}}{\gamma M}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Рассмотрим отношение компонент ускорения: | | Рассмотрим отношение компонент ускорения: |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \frac{a_{\perp}}{a_{\parallel}}=\frac{F_{\perp}/(\gamma M)} | | \frac{a_{\perp}}{a_{\parallel}}=\frac{F_{\perp}/(\gamma M)} |
| {F_{\parallel}/(\gamma^3M)}. | | {F_{\parallel}/(\gamma^3M)}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Следовательно, | | Следовательно, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \frac{a_{\perp}}{a_{\parallel}}=\gamma^2\frac{F_{\perp}}{F_{\parallel}}. | | \frac{a_{\perp}}{a_{\parallel}}=\gamma^2\frac{F_{\perp}}{F_{\parallel}}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Подставляя найденное отношение компонент силы, | | Подставляя найденное отношение компонент силы, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \frac{a_{\perp}}{a_{\parallel}}=\gamma^2(1-\beta^2)\tan\theta. | | \frac{a_{\perp}}{a_{\parallel}}=\gamma^2(1-\beta^2)\tan\theta. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Но | | Но |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \gamma^2(1-\beta^2)=1. | | \gamma^2(1-\beta^2)=1. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Поэтому | | Поэтому |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \boxed{\frac{a_{\perp}}{a_{\parallel}}=\tan\theta}. | | \boxed{\frac{a_{\perp}}{a_{\parallel}}=\tan\theta}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Следовательно, вектор ускорения образует с направлением движения тот же угол $\theta$, что и нормаль к пластине. | | Следовательно, вектор ускорения образует с направлением движения тот же угол $\theta$, что и нормаль к пластине. |
| | | |
| Иными словами, | | Иными словами, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \boxed{\mathbf a\perp\text{ пластине}}. | | \boxed{\mathbf a\perp\text{ пластине}}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Это можно увидеть и непосредственно. Из выражений для компонент силы имеем | | Это можно увидеть и непосредственно. Из выражений для компонент силы имеем |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a_{\parallel}=\frac{QE\cos\theta}{\gamma^3M}, | | a_{\parallel}=\frac{QE\cos\theta}{\gamma^3M}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| а для поперечной составляющей | | а для поперечной составляющей |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a_{\perp}=\frac{QE(1-\beta^2)\sin\theta}{\gamma M}. | | a_{\perp}=\frac{QE(1-\beta^2)\sin\theta}{\gamma M}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Поскольку | | Поскольку |
| | | |
| $$ | | $$ |
| 1-\beta^2=\frac{1}{\gamma^2}, | | 1-\beta^2=\frac{1}{\gamma^2}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| получаем | | получаем |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a_{\perp}=\frac{QE\sin\theta}{\gamma^3M}. | | a_{\perp}=\frac{QE\sin\theta}{\gamma^3M}. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Таким образом, | | Таким образом, |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a_{\parallel}=\frac{QE}{\gamma^3M}\cos\theta, | | a_{\parallel}=\frac{QE}{\gamma^3M}\cos\theta, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a_{\perp}=\frac{QE}{\gamma^3M}\sin\theta. | | a_{\perp}=\frac{QE}{\gamma^3M}\sin\theta. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Обе компоненты в точности соответствуют разложению вектора, направленного по нормали к пластине. | | Обе компоненты в точности соответствуют разложению вектора, направленного по нормали к пластине. |
| | | |
| Для противоположной пластины ускорение имеет такой же модуль и противоположное направление. Следовательно, электромагнитное взаимодействие вызывает только взаимное притяжение пластин по нормали и не создаёт их относительного поворота. | | Для противоположной пластины ускорение имеет такой же модуль и противоположное направление. Следовательно, электромагнитное взаимодействие вызывает только взаимное притяжение пластин по нормали и не создаёт их относительного поворота. |
| | | |
| Если использовать угол $\alpha$, указанный на рисунке между пластиной и направлением движения, то | | Если использовать угол $\alpha$, указанный на рисунке между пластиной и направлением движения, то |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \theta=\frac{\pi}{2}-\alpha, | | \theta=\frac{\pi}{2}-\alpha, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| поэтому | | поэтому |
| | | |
| $$ | | $$ |
| \cos\theta=\sin\alpha, | | \cos\theta=\sin\alpha, |
| \qquad | | \qquad |
| \sin\theta=\cos\alpha. | | \sin\theta=\cos\alpha. |
| $$ | | $$ |
| | | |
| Тогда | | Тогда |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a_{\parallel}=\frac{QE}{\gamma^3M}\sin\alpha, | | a_{\parallel}=\frac{QE}{\gamma^3M}\sin\alpha, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| a_{\perp}=\frac{QE}{\gamma^3M}\cos\alpha, | | a_{\perp}=\frac{QE}{\gamma^3M}\cos\alpha, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| что снова показывает, что ускорение направлено перпендикулярно пластине. | | что снова показывает, что ускорение направлено перпендикулярно пластине. |
| | | |
| Следовательно, несмотря на то что результирующая электромагнитная сила в движущейся системе не направлена по нормали к пластинам, релятивистское соотношение между силой и ускорением обеспечивает именно нормальное ускорение пластин. | | Следовательно, несмотря на то что результирующая электромагнитная сила в движущейся системе не направлена по нормали к пластинам, релятивистское соотношение между силой и ускорением обеспечивает именно нормальное ускорение пластин. |
| | | |
| Поэтому никакого вращения конденсатора не возникает. | | Поэтому никакого вращения конденсатора не возникает. |
| | | |
| Кроме того, это согласуется с принципом относительности: равномерное поступательное движение конденсатора вместе с Землёй не может быть обнаружено с помощью внутреннего механического эксперимента. | | Кроме того, это согласуется с принципом относительности: равномерное поступательное движение конденсатора вместе с Землёй не может быть обнаружено с помощью внутреннего механического эксперимента. |
| | | |
| #### Ответ | | #### Ответ |
| | | |
| Результирующая электромагнитная сила в движущейся системе действительно отклонена от нормали к пластине, однако в релятивистской механике сила и ускорение не обязаны быть параллельны. | | Результирующая электромагнитная сила в движущейся системе действительно отклонена от нормали к пластине, однако в релятивистской механике сила и ускорение не обязаны быть параллельны. |
| | | |
| Из соотношений | | Из соотношений |
| | | |
| $$ | | $$ |
| F_{\parallel}=\gamma^3Ma_{\parallel}, | | F_{\parallel}=\gamma^3Ma_{\parallel}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| $$ | | $$ |
| F_{\perp}=\gamma Ma_{\perp}, | | F_{\perp}=\gamma Ma_{\perp}, |
| $$ | | $$ |
| | | |
| следует, что компоненты ускорения имеют именно такое соотношение, при котором вектор ускорения оказывается направленным по нормали к пластине. | | следует, что компоненты ускорения имеют именно такое соотношение, при котором вектор ускорения оказывается направленным по нормали к пластине. |
| | | |
| Следовательно, | | Следовательно, |
| | | |
| $$ | | $$ |