Э. Парселл - Электричество и магнетизм, страница 3

Он основан на понятиях об атомных и молекулярных диполях, как элек, нческих, так и магнитных. Электрическая проводимость также рассмотрена с микроскопической точки зрения, на основе модели Друде — Лоренца. Естественно, что некоторые вопросы остаются открытыми, пока студент не ознакомится с квантовой физикой в 1Ч томе, Но мы свободно говорим о реальных молекулах и атомах как об электрических структурах, имеющих размер, форму ~ жесткость, об орбитах электронов и о спинах. Мы стараемся тщательно рассмотреть вопросьп которых иногда избегают или упрощают во вводных курсах, например, физический смысл макроскоппческих полек Е и В в веществе, Во Н томе математическое образование студента пополняется такими понятиями векторного исчисления, как градиент, дивергенция, ротор и лапласиан. Эти понятия необходимы уже в первых главах. В своем предварительном варианте Н том был прочтен нескольким группам студентов Калифорнийского университета и подвергся критике со стороны многих людей, связанных с Берклеевским курсом.

Особенно ценные указания были сделаны 10. Комминсом и Ф. Крауфордом, которые знакомили студентов с этим текстом. Они п их студенты указали на те места в тексте, где были необходимы разъяснения илн даже коренные изменения; ряд исправлений был сделан по нх советам. Критические замечания студентов к последней предварителыюй версии были собраны Р. Гореном, который помог нам также в составлении задач. Ценные критические замечания были получены от Дж. Гавенда, читавшего предварительную версию курса в Техасском университете, и от Ю.

Тэйлора из университета Весли. На ранней стадии создания курса ряд соображений бьш высказан А. Кауфманом. В качестве первого «пробного студента» А. Фельцер проработал большую часть первого проекта. Наше изложение электричества и магнетизма было одобрено пс только первичным комитетом, по и коллегами, собиравшими почти параллельно с нами материал для нового курса в Массачусетском технологическом институте. Среди последних особенно помог и повлиял на первую версшо курса Дж. Тессман из научного пентра МТИ н университета Тафта.

Он пользовался предварительной версией курса в МТИ и в результате его критического чтения всего текста в курс бьши внесены изменения и исправления. Публикация предварительного текста с поправками производилась под наблюдением миссис Мэри Р, Мэлони. Миссис Лила Лауэлл напечатала больц~ую часть рукописи. Иллюстрации были сделаны Феликсом Купером. Автор этого тома глубоко благодарен своим друзьям в Беркли, н болыпе всех Чарльзу Киттелю, за постоянную поддержку и одобрение, которые сделали приятной стоявшую перед автором сложную задачу.

Э. М. Парселл УКДЗАНИЯ ДЛЯ ПРЕПОДДВАтЕЛЕй Для усвоения основных разделов 1! тома вполне достаточно 14- илц 15-пепельного семестра. Это значит, что с»удент, проработавший 1 том, в состоянии тщательно изучить основной мате1знал, прочесть, не очень торопясь, остальные разделы текста и изучить по крайней мере одну илн две специальные темы, помещенные в задачах. Но при атом необходкм разумный отбор и планирование материала. Полный объем курса превышает число тем, которые можно тщательно изучить в течение одного семестра. Ряд разделов можно и даже нужно пропустить при первом чтении или изложить только факультатлвно. Ниже мы укажем некоторые разделы, которые являются более илн менее необязательными. Яы говорим «более или менее», так как окончательное решение предоставляется преподавателю, которому известны возможности и интересы студента и время, которым оц располагает.

3 а д а ч и. Число предложенных задач значительно превышает возможности любой группы студентов. Задачи разделены на две категории. Задачи в конце каждой главы относятся непосредстьенно к изложенному в ней материалу и являются обязагельнымн упражнениями. Если студент затоудняется в решении одной из них, значит, он не проработал зтого раздела курса. Список задач для каждой ~лавы продолжен в конце книги в разделе «Дополнительные задачи и вопросы».

Хотя различие между обеими группами задач не всегда велико, но в основном дополнительные задачи имеют более обший характер и обычно более интересны, чем те, которые приведены в конце главы. Некоторые из них содержат новые варианты применения законов физики или даже новые темы. Иногда в одной из задач с помошью наводящих указаний и обсуждения приводится доказательство, опущенное в тексте.

Эти задачи и вопросы преследуют несколько разных целей. Они дают возможность лучшим студентам обдумать некоторые вещи и помогают представить, даже если их просто прочесть, не решая, огромный диапазон приложения изучаемых идей. Некоторые задачи могут также служить отправными точками для рассмотрения специальных проблем. (Примером такой задачи может служить задача 4.25 о диоде с ограничением по Н пространствешюму заряду.) Полезно во время лекций иногда решать две или трн такие задачи для студентов.

«Дополш«тельные вопросы» можно также использовать перед началом обсуждения какого-нибудь раздела. Де монстр а ц и и к лекция м. Лекцнонныедемонстрации совершенно необходимы. Ни одна книга не может дать студенту полного представления об электричестве и магнетизме. Книги слишком теоретичны, особенно в отношении проблем, где возможно красивое и логическое изложение. Данная книга пе исключение. Студентам необходимо держать в руках мапшты, наматывать катушки, производить разряды, видеть очень чувствительные электрические и другие точные приборы.

Они должны опгутить действие как мегаватта, так и микроватта. Берклеевская лаборатория не полностью удовлетворяет потребностям курса, и нужно использовать спобые другие возможности для введения студента в мир, где электрическое поле является не символом, а реальностью, действия которой легко ощутить. Э к з а м е н ы.

Ряд проблем в книге рассматривается па довольно высоком уровне. Ыы надеемся, что для студентов это будет полезно. Однако не следует поддаваться искушению экзаменовать студентов на таком уровне. Наш опыт показывает, что наилучшими экзаменами являются сравнительно простые. Глава ! (Электростатика). Это — прямое изложение основных идей. Материал довольно сухой, поэтому он должен с самого начала сопровождаться демонстрациями по электростатике. Необязательный раздел 1.6. Глава 2 (Электрический потенциал). В этой главе мало нового материала, но зато вводится ряд новых математических понятий. Приведенный материал следует прорабатывать тщательно, сообразуясь, в отношении темпа, со способностями и подготовкой студентов. Весь материал этой главы рано или поздно понадобится. Операция ротора, однако, до гл.

6 будет применяться редко. Если нужно допустить некоторое уменьшение математической нагрузки, то до гл. 6 можно отложить и чтение разделов от 2.15 до 2.18. Необходимо, чтобы студенты интуитивно чувствовали природу дивергенции и ротора. В тексте предусмотрена некоторая помощь студентам в самостоятельной проработке курса, например, рис. 2.32 и 2.34 и несколько специальных упражнений, но этим нельзя заменить устного изложения, черчения на доске и живого обсуждения.

Необязательных разделов нет, Глава 3 (Электрические поля вокруг проводников). Этч главу можно прочесть довольно быстро. Введенный в ней плоскии конденсатор будет часто встречаться дальше. Некоторые важные идеи возникают в связи с теоремой единственности, нетривиальность которой выявляется лучше всего при обсуждении. Введение метода релаксации и вариационного метода для решения краевой задачи 12 электростатпю1 ис совссо1 Ооычно на этом э!апе, нО дл51 студи!тон интересны именно э н методы, являющиеся более полсзнымн и поучительнымп, чеы традиционные трюки с «мнимыми изображениями». Однако весь этот раздел (3.8) можно безнаказанно пропустить, так же как раздел 3.6, в котором вводятся коэффициенты емкости и где на конкретном примере показано, как описываются линейные системы в общем виде.

В этой главе недостает сведений о практических измерениях элек!рических полей или потенциалов (или экспсриме!пов с полямн) и описания приборов — электроскопов, электростати >еских вольтметров и т. д. Этот недостаток должны возместить лекционные демонстрации и лабораторные работы. Необязательные разделы: 3.6, 3.8. Глава 4 (Электрические токи). Представление оо объемной плотности тока было введено выше, так же как микроскопическая картина переноса заряда ионами.

Область физики, подчнняюгцаяся закону Ома, изучается здесь с помощью классической модели Друде — 1!Орен>га. Этот материал (раздел 4.4) мон!но рассмотреть достаточно глубоко, если позволяет время. Последующее изложение с ним не связано, но физика этого раздела важна сама по себе, и студент должен по крайней мере прочитать весь материал. Расс«!Отрение постоянно~о тока сводится к напоминанию основных законов. Его легко продолжить в нужных направлениях с помощью примеров и задач.

Студенты в Верклеевской лаоораторни делают практические работы с различными цепями тока задолго до изучения этой главы. Необязательные разделы; 4.5, 4.6, 4.10. Глава 5 (Поля движ)шихся зарядов). После изучения 1 тома и практических работ в лаборатории студент уже знает о су>цествовании магнитного поля н силы д(ч>О55 В), действующей на движущийся заряд. У(йе>1ательно восстановить все это в памяти к началу чтения главы. Перед рассмотрением раздела 5.3 следует показать простые явления магнитно!о взаимодействия и, особенно, силы, действующей между параллельными токами. В этой главе студент рас> смотрит магнитные взаимодействия с новой точки зрения. Основным физическим фактом является инвариантность заряда.