大學(xué)物理中靜電場(chǎng)與穩(wěn)恒磁場(chǎng)的對(duì)比研究

摘 要：本文通過(guò)靜電場(chǎng)與穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)比教學(xué)，并使用MATLAB程序直觀模擬，提高學(xué)生學(xué)習(xí)電磁學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生探索知識(shí)的理念。

關(guān)鍵詞：靜電場(chǎng) 穩(wěn)恒磁場(chǎng) MATLAB

中圖分類(lèi)號(hào)：O442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）04（a）-0056-01

電磁學(xué)理論在現(xiàn)代物理學(xué)中占有重要的地位，它滲透到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，是許多學(xué)科和技術(shù)的理論基礎(chǔ)。而靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)是電磁學(xué)理論的兩大重要組成部分，但這部分知識(shí)對(duì)學(xué)生來(lái)講，是非常抽象的，要學(xué)好這部分內(nèi)容，教師在講授過(guò)程中要注意教學(xué)方法。方法得當(dāng)，學(xué)生就會(huì)激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，收到很好的效果。對(duì)有關(guān)大學(xué)物理教學(xué)改革方面的論文有很多，比如管薇寫(xiě)的關(guān)于工科大學(xué)物理教學(xué)改革[1]、張明霞淺談大學(xué)物理教學(xué)改革[2]等等。在本文，通過(guò)對(duì)靜電場(chǎng)與穩(wěn)恒磁場(chǎng)這兩部分內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，再通過(guò)MATLAB程序模擬，有助于理解這兩部分內(nèi)容，讓學(xué)生在學(xué)時(shí)少的情況下，很好的掌握這部分知識(shí)。

1 靜電場(chǎng)與穩(wěn)恒磁場(chǎng)物理量之間對(duì)比研究

首先，從描述這兩種場(chǎng)的某點(diǎn)性質(zhì)和場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量來(lái)進(jìn)行對(duì)比。描述靜電場(chǎng)用電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E和電位移矢量D，穩(wěn)恒磁場(chǎng)用磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量H來(lái)描述。D與E之間的關(guān)系和B與H之間的關(guān)系具有相似的公式，都可以用來(lái)表示，代表D或B，而代表E和H，在靜電場(chǎng)中表示電介質(zhì)的電容率，在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中表示磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

其次，這兩種場(chǎng)的強(qiáng)弱還可以用電場(chǎng)線(xiàn)和磁感應(yīng)線(xiàn)直觀的觀察到，眾所周知，電磁學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)在于對(duì)場(chǎng)的概念難以理解，這時(shí)我們講授時(shí)可以利用MATLAB強(qiáng)大的圖形功能，使抽象的場(chǎng)的概念形象化，幫助學(xué)生理解這一問(wèn)題。在這里我們來(lái)模擬一下電偶極子電場(chǎng)線(xiàn)和等勢(shì)線(xiàn)以及電流環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布。

（1）電偶極子的電場(chǎng)線(xiàn)和等勢(shì)線(xiàn)，如圖1所示。

（2）電流環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布，如圖2所示。

從圖1可以直觀的看出：電場(chǎng)線(xiàn)是從正電荷出發(fā)，到負(fù)電荷終止，電場(chǎng)線(xiàn)密集的地方場(chǎng)強(qiáng)也比較強(qiáng)。從圖2可以看出電流環(huán)中心軸線(xiàn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度方向向右，磁感線(xiàn)密集的地方場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)。用這簡(jiǎn)單的模擬可以讓學(xué)生直觀的觀察到，這樣更能清晰的理解這兩種場(chǎng)。

2 靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)相似的定理進(jìn)行對(duì)比

靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)都有高斯定理和環(huán)路定理，并且，有相似的表達(dá)式：

靜電場(chǎng)的高斯定理[3]：通過(guò)任意閉合曲面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量，等于該閉合曲面所包含的電荷的電量除以，即∮，反映靜電場(chǎng)是有源場(chǎng)。

穩(wěn)恒磁場(chǎng)的高斯定理[3]：通過(guò)任意閉合曲面的磁通量恒等于零，即∮，說(shuō)明穩(wěn)恒磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)。

靜電場(chǎng)的環(huán)路定理[3]：靜電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)流為零，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：∮，環(huán)路定理揭示了靜電場(chǎng)中電場(chǎng)力做功只與起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置有關(guān)，而與路徑無(wú)關(guān)，說(shuō)明靜電場(chǎng)是保守場(chǎng)。

穩(wěn)恒磁場(chǎng)的環(huán)路定理[3]：在穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)強(qiáng)度沿任一閉合路徑的線(xiàn)積分等于閉合路徑所包圍的傳導(dǎo)電流強(qiáng)度的代數(shù)和，可表示為∮，由此定理可以看出，穩(wěn)恒磁場(chǎng)是非保守場(chǎng)。

對(duì)于靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)還有很多這樣相似情況，比如能量、介質(zhì)的影響等等，都可以放在一起進(jìn)行比較。總之，對(duì)大學(xué)物理靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)這兩部分內(nèi)容，可以采用比較教學(xué)的方法，有助于深入理解兩種場(chǎng)的性質(zhì)，掌握其規(guī)律，另外適當(dāng)用MATLAB模擬一些現(xiàn)象，這對(duì)學(xué)生掌握這部分知識(shí)是至關(guān)重要的，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)面。

參考文獻(xiàn)

[1]管薇.工科大學(xué)物理教學(xué)改革的思考[J].新課程研究（中旬刊），2012（2）：86-87.

[2]張明霞.淺談大學(xué)物理教學(xué)改革[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（9）：201-202.

[3]內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)物理系.大學(xué)物理[M].內(nèi)蒙古大學(xué)出版社，2008.