如圖進入該勻強磁場的帶電粒子會受洛倫茲力作用 ,根據牛頓第三定律應該還會有一反作用力,其反作用力在哪?

N,S極都由磁鐵組成,且磁場足夠強大

假如帶電粒子在忽略重力、動能不損失時,在磁場範圍內在均速圓周運動,那該如何確定反作用力的方向?似乎無法使作用力與反作用力在同一直線上,是不是說只能近似求出反作用力大小?


這個問題還挺有意思的,它反映了牛頓第三定律的局限性。簡單來說,牛頓第三定律在考慮相對論的情況下不再適用,原因是相隔一段距離的兩個物體無法討論同時性的問題,而牛頓第三定律所說的作用力和反作用力要求同時出現。取而代之的,相互作用通過場的方式來傳遞,比如最簡單的電磁場或者引力場。

電和磁的物理規律可以通過電磁場來描述,這是物理學裡程碑式的發展。並且,描述電磁場規律的麥克斯韋方程組實際上帶來了一個更加重要的特徵——相對論協變性,即經典的電磁場運動規律已經自動滿足狹義相對論,這便是人們提出狹義相對論的源頭。

因此,磁場作用於帶電粒子上時,我們是在用場的框架來描述相互作用,這時候通常不再討論反作用力。

儘管如此,其實在忽略時間差的近似下還是可以計算反作用力的,也就是說粒子確實會給磁場的產生者(即磁鐵)一個反向的力,因為運動的帶電粒子也會產生自己的磁場。提問者的直覺是很正確的。


電磁相互作用是通過場實現的。


這個問題其實沒有那麼複雜。單純從經典力學角度考慮,反作用力存在,且最終會作用到磁鐵上。那應當如何看待力不共線的問題呢?這是因為在場中,力不單純是「二力」。舉一個簡單的例子,尋常生活中的天平平衡,支點的作用力作用在桿上,但是卻沒有直觀的反作用力,我們看到的只是兩個托盤上存在重力。這時,在三力的情況下,只需要三力共點或者平行即可。實際上,天平的桿有各種形變,其在每一處都存在壓力,應力等。而在電磁場中,則是由場作為「桿」,最終反饋到磁鐵的N,S級,把反作用力體現在固定磁鐵的地方。當然,如果考慮到場的變化需要動量,可能這兩個力不完全相等。


在電磁場中引入動量密度這一概念即可,詳見電動力學。


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