算出光的速度用什么公式(光的速度是怎么算出来的)(1)

有人说十九世纪最高的物理成就是麦克斯韦方程组,这个方程组预言了电磁波的存在,且指出了光是一种电磁波。影响着我们今天生活的方方面面,到底麦克斯韦方程是怎么样算出电磁波的,这个即使使用粗浅的方法,也要涉及一些概念以及数学方法。那么高中生有没有办法去想像猜测这个电磁波速度是怎么来的呢?下面是我的尝试。

在《电磁波中的能量密度与电场强度磁场强度是个啥关系》一文中我们介绍了电磁波中,电场能量密度为

算出光的速度用什么公式(光的速度是怎么算出来的)(2)

磁场能量密度为

算出光的速度用什么公式(光的速度是怎么算出来的)(3)

那么在电磁场的任何一处其能量密度为两者之和。此外电场与磁场是互为激发的,不应该一个能量密度大而另外一个小。这样会破坏能量守恒定律。

所以1/2εE2=1/2B2/μ

我们得到

(E/B)2=1/εμ……(1)

我们看看E/B到底应该是什么?

算出光的速度用什么公式(光的速度是怎么算出来的)(4)

电量为 q的带电粒子在如图所示的匀强电场及匀强磁场中,向右边匀速运动,其受到向下的电场力与向上的洛伦茨力应该平衡:

即:Eq=vBq

得到 v=E/B……(2)

比较(1),(2)我们可以从量纲上看出1/εμ是速度的平方。用实际真空中的电介常数ε,磁介常数计算,就可以知道1/√εμ 与光速一样,这正是麦克斯韦方程组解得的基本结论:光是电磁波。当然我们的论证几乎没有,就是猜测。杨振宁教导我们说:“数学家发表一个结论基本不会错,而理论物理学家提出一个理论也许一周就会被推翻。”如果敢于如此想象,我们的思维是否就逼近物理学家们的实际工作了呢,应该是这样吧。

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