淺談高中物理中的靜電場和磁場

高財遠

摘 要：電場和磁場是電磁學的核心內容。這兩部分內容是高中階段基礎的內容之一，是高考的主要考點，又是光學等其他物理學知識的重要基礎。這兩部分涉及的思想和方法對學習高中物理至關重要，對學生物理思維的發展與創新能力的培養起到一定作用。

關鍵詞：場；靜電場；電場強度；磁場；磁感應強度；比值法

在高中物理學習中場的概念是一個非常抽象的不易理解的概念之一，我們多采用對比、類比等思想和比值法定義的物理量。下面對電場和磁場作如下介紹。

一、場的簡單認識

法拉第提出場的概念，場指物體在空間中的分布情況。場是用空間位置函數來表征的。在物理學中，經常要研究某種物理量在空間的分布和變化規律。如果物理量是標量，那么空間每一點都對應著該物理的一個確定數值，則稱此空間為標量場。如電勢場、溫度場等。如果物理量是矢量，那么空間每一點都存在著它的大小和方向，則稱此空間為矢量場。如電場、速度場等。場是一種特殊物質，看不見摸不著，但它確實存在，十分抽象，難于理解。比如引力場（重力場）、電場、磁場等等。

二、靜電場（electrostatic field）

靜電場是繼引力場之后，教學中又一次面臨場的問題，電場的概念及其特性的描述一直是教學的難點。

靜電場，是指觀察者與電荷相對靜止時所觀察到的電場。它是電荷周圍空間存在的一種特殊形態的物質，其基本特征是對置于其中的靜止電荷有力的作用。電荷間的作用都是通過電場進行的。場是物質存在的形式之一。

為了表示電場的強弱和方向，電場中引入了一個物理量電場強度，簡稱場強常用E表示。按照定義，電場中某一點的電場強度的方向可用試探點電荷（正電荷）在該點所受電場力的電場方向來確定；電場強弱可由試探電荷所受的力與試探點電荷帶電量的比值確定。實驗表明，在電場中某一點，試探點電荷（正電荷）在該點所受電場力與其所帶電荷的比值是一個與試探點電荷無關的量。于是以試探點電荷（正電荷）在該點所受電場力的方向為電場方向。

電場強度是個矢量，和以前講過的加速度、位移等物理量一樣，遵循平行四邊形定則。電場強度滿足疊加原理。試探點電荷應該滿足兩個條件：（1）它的線度必須小到可以被看作點電荷（理想化的物理模型），以便研究場中每個點的性質；（2）它的電量要足夠小，使它不影響場源電荷的電場。電場強度的實用單位為V/m 或N/C。要注意的是，只要有電荷存在就有靜電場存在，電場的存在與否是客觀的，與是否引入試探點電荷無關。引入試探點電荷只是為了檢驗電場的存在和討論電場的性質而已。正像人們使用天平可以稱量出物體的質量，如果不用天平去稱量物體，物體的質量仍然是客觀存在的一樣。點電荷如同力學中的質點。

靜電場還有一個性質就是能的性質，為了描述能的性質引入電勢、電勢差等概念。為了形象描述電場物理上引入電場線的概念。電場線不相交、不相切，疏密表示電場的強弱，切線方向代表場強方向。靜電場的電場線起于正電荷或無窮遠，終止于負電荷或無窮遠，說明電場線不閉合。表明靜電場中沿任意閉合路徑移動電荷，電場力所做的功都為零，與重力做功一樣，因此靜電力是保守力，靜電場是保守場。靜電場中有一種理想的場就是勻強電場，電場中各點的電場強度相同。

三、磁場（magnetic field）

簡易定義：對放入其中的磁體有磁力的作用的物質叫做磁場，磁體和電流周圍都存在磁場，地球周圍有地磁場。磁場的基本性質是對放入在其中的磁體和電流有磁場力的作用。磁場的基本性質微觀解釋是能對其中的運動電荷施加力的作用力（洛倫茲力）。

磁場和電場一樣也有強弱和方向，為此引入磁感應強度。

磁感應強度的定義：在勻強磁場中垂直方向放置的通電直導線，所受到的安培力F跟電流強度I和導線長度L的乘積之比，叫做通電導線所在處的磁感應強度。表達式B=F/IL，B只由磁場本身決定，與I，L均無關。在非勻強磁場中只適用于電流元（很短的導線中的電流I和長度L的乘積叫電流元）。磁場中還有一個重要的概念磁通量，所謂磁通量就是通過某一截面積的磁感線總數，用Φ表示，單位為韋伯（Weber），符號是Wb。通過一線圈的磁通的表達式為：Φ=B·S（其中B為磁感應強度，S為垂直磁場方向的面積）1Wb=1T·m2。磁感應強度也可以看成與磁感線方向垂直的單位面積上所通過的磁感線數目，又叫磁感線的密度，也叫磁通密度，單位為特斯拉（T）。

為了形象描述磁場物理上引入磁感線的概念。磁感線：在磁場中畫一些曲線，用（虛線或實線表示）使曲線上任何一點的切線方向都跟這一點的磁場方向相同（且磁感線互不交叉），這些曲線叫磁感線。磁感線是閉合曲線。規定小磁針靜止時北極所指的方向（或北極的受力方向）為磁感線的方向。磁鐵周圍的磁感線都是從N極出來進入S極或傳向無窮遠處，在磁體內部磁感線從S極到N極。磁感線是為了形象地研究磁場而人為假想的曲線，并不是客觀存在于磁場中的真實曲線。但可以根據磁感線的疏密，判斷磁性的強弱。磁感線密集，則磁性強，稀疏，則弱。磁場中有一種理想的場就是勻強磁場，磁場中各點的磁感應強度相同。

四、電磁場（electromagnetic field）

電磁場是有內在聯系、相互依存的電場和磁場的統一體和總稱。隨時間變化的電場產生磁場，隨時間變化的磁場產生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起，也可由強弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒遞物，具有能量和動量，是物質存在的一種形式。電磁場的性質、特征及其運動變化規律由麥克斯韋方程組確定。（高中物理對這部分內容要求不高）

綜上我們發現電場和磁場都是客觀存在的，為了定量描述場的強弱和方向引入場強和磁感應強度，他們采用的方法都是比值法。比值法定義的物理量只是定義式、度量式，并非決定式。從方向上來看，靜電力的方向與電場強度的方向同向或者反向，這與電荷的正負有關；在電場中不管運動電荷還是靜止電荷都會受到電場力的作用。磁場力的方向一定和磁感應強度垂直（左手定則可以說明）。從大小上看，某試探電荷在電場中某位置受靜電力大小是一定的，但某電流元受到的磁場力不確定。同一位置受力不一定相同，這與導線的放置有關，平行放置最小為零，垂直放置最大。在磁場中只對運動電荷可能有力（同樣與磁感應強度B的夾角有關）的作用和靜止電荷無洛倫茲力的作用。電場中引入點電荷，磁場中引入電流元（IL）。為了形象描述引入電場線和磁感線，但這些曲線都是假象的，共同點是不相交、不相切，不同點磁感線是閉合的。靜電場的電場線是不閉合的。

這部分內容中涉及了一種試探法，比值法定義的物理量（E，B），一種理想化的模型（點電荷和電流元）。希望在教學中讓學生認真仔細體會。

編輯 馬燕萍