大學物理電磁學“從頭開始”的物理思想及相關教學方法探討

張加富

（大同大學渾源師范分校，山西 大同 037400）

大學物理電磁學“從頭開始”的物理思想及相關教學方法探討

張加富

（大同大學渾源師范分校，山西 大同 037400）

愛因斯坦贊同法拉第和麥克斯韋關于“電磁力”和“萬有引力”是兩種不同的“力”的概念，他敏銳地預見到，不可能將牛頓“萬有引力”的相關研究方法移植到“電磁力（即電磁學）”的研究過程中，電磁學是一門全新的物理學科，它的一切研究均需要“從頭開始”。當前，不少大學生在學習大學物理課程《電磁學》時迷惑多于理解，將“從頭開始”的物理思想應用到教學當中可以獲得良好的教學效果。

大學物理；電磁學；物理思想；教學手段

在自然科學界，物理學是非常重要的基礎性學科，它奠定了整個自然科學的基礎。大學物理課程是提高學生科學研究能力、科學思維模式以及綜合科學素質的重要基礎性課程，該課程開設的基本目標便是讓大學生能夠全面了解物理學科的概念知識、物理模型、工作語言、工作內容、工作方法、歷史沿革、發展現狀、前景展望等。電磁學是物理學當中的重要部分，“從頭開始”物理思想對于學生學習大學物理電磁學而言意義十分關鍵。

一、大學物理電磁學教學困惑和“從頭開始”的物理思想

目前，大學物理電磁學的教學仍然以電勢、電場等概念為著手點，這些概念大學生雖然在中學物理中已經接觸過，并有一定程度的了解，但是，數學處理方式的高度復雜性以及“場”的概念的抽象性都增加了學生的理解難度，有不少學生在電磁學的學習中似懂非懂，在知識的掌握上也是迷惑多于理解。依照筆者的觀點，導致該問題的主要原因還是大學生對于電磁學的“從頭開始”的物理思想及其相關研究方法有著較大的適應難度。

我們所說的“從頭開始”的物理思想，主要是指在電磁學的研究領域，我們需要探尋一條與萬有引力教學完全不同的全新研究模式。關于這一點，法拉第和麥克斯韋已經認識到“電磁力”和“萬有引力”是兩種不同的“力”的概念，需要“從頭開始”進行研究。愛因斯坦也是高度贊同這一觀點，并敏銳地預見到，不可能將牛頓“萬有引力”的相關研究方法移植到“電磁力（即電磁學）”的研究過程中。究其根源，主要原因在于：電磁學是一門全新的物理學科，它的一切研究均需要“從頭開始”。主要表現在以下幾個方面：首先，牛頓借助于他經典的“三大定律（即我們熟悉的牛頓第一、第二和第三定律）”，成功地構建了經典力學理論體系；但是，電磁力學和牛頓力學是不同的，它不能夠借助于現有的牛頓力學系統，而是需要構建屬于自己的全新的力學體系。其次，牛頓力學系統認為萬有引力是超距作用，它的傳遞速度接近無限大，并且這種傳遞是即時發生；但是，電磁力則是迥然不同的，它不僅不是超距作用，而且它的傳輸速度也是有限的。最后，牛頓力學系統的最大貢獻在于它為人們提供了質點之間萬有引力的表示式，并說明引力和物體的運動速度沒有關系，但是對于萬有引力的起源問題卻避而不談；電磁學則明確指出了電磁力的來源，即來自于帶電體的物質結構，并且電磁力的大小、作用方向均與帶電粒子的速度存在密切的關系。

二、“從頭開始”的物理思想及相關教學方法

（一）明確研究對象的差異

牛頓力學和靜電學的研究對象存在著差異，這一點在教學當中應該給予明確的說明。牛頓力學的主要研究對象是：描述質點（兩個質點不可以同時存在于同一個空間位置中）的運動形態并研究外力作用和質點運動形態變化之間存在何種關聯；靜電學的主要研究對象是場源電荷產生的“場”而非場源點電荷本身，因此，“場”才是靜電學的主要研究對象。牛頓力學要求兩個質點不可以同時存在于同一個空間位置中，與之不同的是，靜電學則指出兩個點電荷在空間同一點產生的“場”能夠相互疊加。因此，認識并理解“場”是整個大學物理電磁學教學中必須一以貫之的因素。

同時，教學也必須向學生明確表明牛頓力學和靜電學在研究邏輯層次方面的差異。1837年法拉第正式提出了“場”的概念，并明確指出“場”的作用方式完全不同于牛頓力學的“超距作用”，并使“場”成為“近距作用”的核心思想，顛覆了人們以往對于力的認識和理解，電氣時代的到來讓“場”成為了近現代物理學研究和講授的主角。靜電學首先對“庫侖力”進行了定義，繼而描述“場”的狀態；但是，牛頓力學確實首先描述了質點的狀態，繼而對外力和質點狀態的變化進行了定義。這一點同樣需要在教學中明確指出。電場強度和電勢概念的獲得是在不斷地試驗當中實現的：首先，試驗表明，電場當中的每一個點F/q均包含了點電荷周圍空間電場力的某種性質，電場便是這些性質特殊的每一個點的集合，而F/q便被定義為電場強度。需要指明的是，電場強度是空間坐標的矢量函數。其次，試驗表明，W/q也包含了點電荷周圍空間電場能量的某種性質，所以便將W/q定義成為電勢。電場強度和電勢均是靜電學當中對電場性質具有描述作用的典型物理量，它無關于檢驗電荷電量的大小，而是僅僅與場點位置、場源電荷存在關聯。

研究的日漸深入使牛頓力學的研究模式完全被電磁學的研究方法所摒棄，而是“從頭開始”（重新）構建屬于自己的研究模式。具體表現是：人們從“靜”電學開始向“動”電學發展，進而發現了無關于電荷運動的靜電力、有關于電荷運動速度的磁力、有關于電荷運動的加速度“電動力”等，至此，電場強度和電勢便成為了時間的函數。此時，牛頓力學的研究模式完全被新的研究模式取代了。

（二）轉化關系的差異

法拉第大膽設想，既然“電”能夠產生“磁”，“磁”也應該能夠產生“電”。正是基于這種對稱性科學思維方法，法拉第創立了電磁感應理論。麥克斯韋系統地總結了從庫侖到安培和法拉第等人建立的電磁學理論的全部成就，并創造性地提出了“感生渦旋電場”和“位移電流”的假說。他指出，不僅變化的磁場可以產生電場，變化的電場也可以產生磁場，從而揭示了電場和磁場的內在聯系。他把電場和磁場統一為電磁場，并且建立了電磁場的基本方程組——麥克斯韋方程組。

電磁場理論不僅在研究的對象和研究的層次上相對于牛頓力學是“從頭開始”的，在涉及運動原因和結果關系的“因果觀”上也是“從頭開始”的。在經典的力學理論中，確定論的“因果觀”貫穿在整個理論體系中，“力”被看作是“原因”，而運動的變化是“結果”。但是，在電場和磁場互相轉化產生電磁波的過程中，電場和磁場卻相繼輪流處于“原因”和“結果”的地位上，“原因”和“結果”從經典力學中單一指向的常態下的二元因果邏輯關系發展為變態下的多元因果邏輯關系。在常態下，二元因果的邏輯次序關系可以是固定的，例如，力是產生物體加速度的原因，而不是相反；但是，在變態下，多元因果邏輯關系卻是可以互相轉化的，即“因”和“果”在一定的條件下是可以互相替代的。電磁學理論揭示出，變化電場可以產生磁場，變化磁場又可以產生電場，由此就產生了電磁場。正是在電磁場的傳播過程中，電場和磁場兩者之間存在著既是原因又是結果的新型邏輯關系，這是一種區別于經典力學的完全確定論“因果觀”的更高層次上的新的“因果觀”思想。

大學物理作為一門通識性的基礎課程，使得它肩負著基礎知識教育和素質教育的雙重教育功能，而電磁學是物理學中非常重要的內容，在大學物理教學中占有重要地位。論文的主要內容是大學物理電磁學“從頭開始”的物理思想及相關教學方法，經過分析和研究，筆者獲得了一些清晰明確并且具有功用的結論，對于大學物理電磁學的學習和教學而言具有一定的積極意義和參考價值。論文僅就大學物理電磁學中的“從頭開始”的物理思想及相關教學方法進行了研究，但仍有許多有意義和價值的問題值得研究和探討，需要在今后的教學過程中繼續開展此方面的工作。

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