電磁學(xué)理論建立過程的探究與教學(xué)實(shí)踐

張靈振

摘要：本文對電磁學(xué)理論建立過程的物理方法和物理思想進(jìn)行了探究，并將探究成果應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，最后總結(jié)了引入電磁學(xué)理論建立過程的作用意義。

關(guān)鍵詞：電磁學(xué)；電磁學(xué)理論；建立過程；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號：O441.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0107-02

電磁學(xué)史不僅反映了電磁學(xué)概念、定理、定律等醞釀、產(chǎn)生和發(fā)展的過程，而且再現(xiàn)了科學(xué)家在科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造過程中的物理研究方法以及物理思想等，表現(xiàn)了科學(xué)家們求真務(wù)實(shí)、勇于探索的科學(xué)精神。從場的觀點(diǎn)看，電磁學(xué)發(fā)展史主要體現(xiàn)在庫侖定律、畢-薩定律、安培定律、電磁感應(yīng)定律以及麥克斯韋電磁場理論的建立過程中，而著名的奧斯特實(shí)驗(yàn)和赫茲實(shí)驗(yàn)，前者打開了電磁學(xué)“一直是黑暗的大門”，后者為電磁學(xué)理論大廈完美封頂。在電磁學(xué)教學(xué)中，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容有計(jì)劃地引入典型的建立過程或?qū)嶒?yàn)過程進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，對學(xué)員豐富知識、開拓視野、提高科學(xué)素養(yǎng)等方面具有重要的作用和意義。

一、電磁學(xué)理論建立過程的探究

1.物理方法探究。縱觀電磁學(xué)發(fā)展史，科學(xué)家們運(yùn)用實(shí)驗(yàn)、假說、類比、邏輯方法和數(shù)學(xué)方法等常規(guī)方法以及想象、猜測、對稱等非常規(guī)方法，取得了重大發(fā)現(xiàn)和突破。①實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)是建立電磁學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)，又是檢驗(yàn)電磁學(xué)理論的最終標(biāo)準(zhǔn)。1785年庫侖利用扭秤實(shí)驗(yàn)測量了同種電荷的斥力，又利用電擺實(shí)驗(yàn)測量了異種電荷的引力，得出電力的平方反比律。庫侖定律的建立使電磁學(xué)進(jìn)入了定量研究階段，使電磁學(xué)真正成為一門科學(xué)。1820年奧斯特通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，“他突然打開了科學(xué)中一個(gè)一直是黑暗的領(lǐng)域的大門，使其充滿光明”[1]。此后，物理學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)相繼建立起畢-薩定律、安培定律、電磁感應(yīng)定律，直到1865年麥克斯韋建立了電磁場理論，并預(yù)言電磁波的存在。但該理論到1887年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在之后，才得到廣泛的承認(rèn)。赫茲利用精心設(shè)計(jì)的感應(yīng)天平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明介質(zhì)中位移電流的存在，利用駐波測量波長的方法，發(fā)現(xiàn)電磁作用以有限速度傳播，而且還實(shí)驗(yàn)觀察到電磁波的偏振、反射和折射。②類比方法。類比方法在電磁學(xué)理論體系的建立過程中應(yīng)用最普遍。如：庫侖定律是類比萬有引力定律而發(fā)現(xiàn)與建立起來的。實(shí)際上，整個(gè)靜電學(xué)的發(fā)展都是在借鑒和利用引力理論已有成果的基礎(chǔ)上取得的。又如，在畢-薩定律建立過程中，拉普拉斯設(shè)定電流元施加在磁極上的作用力與距離的平方成反比，從而激勵畢奧設(shè)計(jì)了十分巧妙的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，并確定了定律的具體函數(shù)形式[1]。安培在推導(dǎo)安培定律時(shí)，“無論在思想上還是行動上都采用了牛頓路線”[2]。1856年，麥克斯韋在他的第一篇論文《論法拉第力線》中，把法拉第力線與不可壓縮流體進(jìn)行類比，把流體中的通量和環(huán)流移植到電磁學(xué)，提出由流體力學(xué)表達(dá)式對應(yīng)建立電磁表達(dá)式。他還與力學(xué)中“動量的變化產(chǎn)生力”，即■=d■/dt（■是動量），進(jìn)行類比得到，“電應(yīng)力狀態(tài)的變化產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象”，即■=-d■/dt（■是電磁場動量）。經(jīng)過分析，它提出了“感生電場”的假設(shè)，區(qū)別了感生和動生。③對稱方法。當(dāng)奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，年輕的法拉第在對稱思想指導(dǎo)下，于1822年在筆記中給自己提出一個(gè)目標(biāo)“把磁變成電”。1831年他終于取得了突破性進(jìn)展——發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。然而，麥克斯韋首先發(fā)現(xiàn)奧斯特和法拉第的實(shí)驗(yàn)并不對稱，即奧斯特實(shí)驗(yàn)思想是電流產(chǎn)生磁，而法拉第實(shí)驗(yàn)思想是磁（的時(shí)間變化率）-？鄣■/？鄣t產(chǎn)生電。換句話說，法拉第利用對稱性思想發(fā)現(xiàn)了一種不對稱性[3]。麥克斯韋經(jīng)過仔細(xì)分析，大膽補(bǔ)充了法拉第的對稱性，他認(rèn)為變化的磁能產(chǎn)生電，那么變化的電也能產(chǎn)生磁，提出了“位移電流”的概念。很多學(xué)者根據(jù)自然界對稱性思想堅(jiān)信必定存在對應(yīng)電荷和電流的磁荷和磁流，但直到現(xiàn)在還沒有被科學(xué)界承認(rèn)的發(fā)現(xiàn)。

亥維賽在對稱原理啟發(fā)下，將由20個(gè)方程組成的較完備的麥?zhǔn)戏匠探M，對稱簡化為更簡單的兩個(gè)散度方程和兩個(gè)旋度方程，成為現(xiàn)代形式的麥?zhǔn)戏匠探M。④數(shù)學(xué)方法。數(shù)學(xué)方法為物理學(xué)研究提供簡明精確的形式化語言、數(shù)量分析、計(jì)算方法和邏輯推理等內(nèi)容，還把物理規(guī)律、物理圖像等與數(shù)學(xué)形式緊密聯(lián)系起來。除了實(shí)驗(yàn)方法之外，數(shù)學(xué)方法是物理學(xué)理論發(fā)展、建立和完善的根本方法。庫侖定律的提出，使電磁學(xué)進(jìn)入了定量研究的時(shí)代。安培的電動力學(xué)體系是建立在大量的數(shù)學(xué)運(yùn)用基礎(chǔ)之上的。麥克斯韋更是把數(shù)學(xué)工具發(fā)揮到了極致，他憑借自己深厚的數(shù)學(xué)功底和嫻熟的數(shù)學(xué)技巧，用偏微分方程的形式，將法拉第及他本人的思想、模型和圖像最終表達(dá)為一組優(yōu)美的方程。麥?zhǔn)戏匠探M不但概括了實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的庫侖定律、高斯定律、安培定律和法拉第定律，而且預(yù)言了電磁波的存在。

2.物理思想探究。在電磁學(xué)理論建立過程中，重大物理思想主要體現(xiàn)在自然力統(tǒng)一、近距作用取代超距作用這兩種思想，它們對建立電磁場理論發(fā)揮了巨大作用，對物理學(xué)的發(fā)展也具有深遠(yuǎn)影響。①自然力統(tǒng)一思想。19世紀(jì)20年代以前，人們認(rèn)為電和磁是兩種完全不同的實(shí)體。奧斯特深受康德哲學(xué)關(guān)于自然力統(tǒng)一觀點(diǎn)的影響，堅(jiān)信電與磁是密切相關(guān)的。經(jīng)過多年的不懈探索，終于在1820年4月的一次實(shí)驗(yàn)中敏銳地發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，之后，他又進(jìn)行了3個(gè)月的連續(xù)實(shí)驗(yàn)，通過60多個(gè)實(shí)驗(yàn)的深入研究，于1820年7月21日發(fā)表了《關(guān)于磁體周圍電沖突的實(shí)驗(yàn)》論文。電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，是電磁學(xué)領(lǐng)域物理思想的一個(gè)重大突破，具有重大意義。電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)突破了牛頓和庫侖等人的非接觸物體之間只存在有心力的觀念，電流對磁針的作用力是橫向力，拓寬了作用力的類型；電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，揭示了電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的聯(lián)系，宣告電磁學(xué)作為一個(gè)統(tǒng)一學(xué)科誕生了，開創(chuàng)了電磁學(xué)研究的新紀(jì)元。②近距作用取代超距作用的思想。在電磁學(xué)領(lǐng)域，庫侖、泊松、畢奧、安培、韋伯、諾埃曼等一大批名聲顯赫的科學(xué)家都堅(jiān)持超距作用觀點(diǎn)。從1820年以后，法拉第多次重復(fù)奧斯特的電流磁效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，他堅(jiān)信既然電能生磁，那么磁也能生電，他堅(jiān)持不懈做了多年的實(shí)驗(yàn)研究。1831年11月和1832年1月，法拉第提出了“電緊張狀態(tài)”和“磁力線”概念，之后，他又引入了“電力線”概念。法拉第認(rèn)為，“電緊張狀態(tài)”是存在于帶電體或磁體周圍空間中的某種特殊的張力狀態(tài)，他用電力線和磁力線來描述這種狀態(tài)。他在廣泛的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出“場”的概念和力線圖像，導(dǎo)致近距作用的場論思想，這是電磁學(xué)領(lǐng)域物理思想又一個(gè)重大突破。愛因斯坦把法拉第關(guān)于場的思想看作是“牛頓時(shí)代以來物理學(xué)基礎(chǔ)所經(jīng)歷的最深刻的變化”[4]。endprint

二、電磁學(xué)理論建立過程的教學(xué)實(shí)踐

1、課堂講授。在電磁學(xué)教學(xué)過程中，把電磁學(xué)理論建立過程以歷史故事的方式呈現(xiàn)給學(xué)員，使學(xué)員在生動、形象地教學(xué)過程中了解有關(guān)概念、規(guī)律、實(shí)驗(yàn)的形成過程。在內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)上，做到從歷史背景、實(shí)際過程、遇到困難、解決方法、意義啟示、物理思想等方面進(jìn)行剖析。在教學(xué)過程中，利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，借助多媒體，通過實(shí)驗(yàn)、文字、圖片、視頻、講解、演示直觀地展示出動態(tài)的過程，同時(shí)融入科學(xué)家精巧的設(shè)計(jì)、多次失敗的經(jīng)歷、對問題的種種猜測，以及科學(xué)家的趣聞軼事等，會給學(xué)員以直觀的歷史感。應(yīng)該注意的是，講解不能停留在表面，也不能變成科普，要從深度和廣度上深入挖掘，使學(xué)員真正學(xué)有所獲。例如，畢-薩定律在所有教材中都沒有涉及其建立過程，而且它是實(shí)驗(yàn)定律不能邏輯推導(dǎo)證明。我們參考一些文獻(xiàn)整理出其建立過程，整個(gè)建立過程表現(xiàn)出畢奧和薩伐爾巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的智慧、拉普拉斯大膽驚人的猜測及其精妙的物理思想，學(xué)員們聽后都為之折服，深受教育。

2.學(xué)員自學(xué)。針對電磁學(xué)史的個(gè)案可以安排學(xué)員自行查閱書籍和文獻(xiàn)資料，如物理學(xué)史書籍、校園網(wǎng)上的各種學(xué)術(shù)期刊數(shù)據(jù)庫。課上安排學(xué)員討論或課后撰寫小論文。如，某學(xué)員就“磁性本質(zhì)”展開了研究，他通過校園網(wǎng)查閱了大量文獻(xiàn)，對磁荷模型和安培分子電流假說進(jìn)行了詳盡分析，完成了一篇小論文。在講到電磁感應(yīng)定律時(shí)，教員介紹了法拉第的實(shí)驗(yàn)，由學(xué)員對法拉第的5類產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況進(jìn)行討論并概括總結(jié)，得出產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件及規(guī)律，激發(fā)了學(xué)員興趣，提高了教學(xué)效果。

三、引入電磁學(xué)理論建立過程的作用意義

電磁學(xué)理論建立過程的教學(xué)有助于學(xué)員了解具體的概念、定理、定律的來龍去脈和具體的發(fā)展過程，可以使學(xué)員對相應(yīng)知識有更深層的理解和掌握，對整個(gè)電磁學(xué)知識體系有個(gè)正確的建構(gòu)；可以使學(xué)員領(lǐng)悟正確的研究方法、物理思想；還可以培養(yǎng)學(xué)員學(xué)習(xí)物理學(xué)家實(shí)事求是、尊重科學(xué)、堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)員學(xué)習(xí)物理學(xué)家們鍥而不舍、百折不撓、勇于探索和不畏犧牲的科學(xué)精神。

參考文獻(xiàn)：

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