大學(xué)物理電磁學(xué)“從頭開始”的物理思想及相關(guān)教學(xué)方法探討

張加富

（大同大學(xué)渾源師范分校，山西 大同 037400）

大學(xué)物理電磁學(xué)“從頭開始”的物理思想及相關(guān)教學(xué)方法探討

張加富

（大同大學(xué)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(guān)于“電磁力”和“萬有引力”是兩種不同的“力”的概念，他敏銳地預(yù)見到，不可能將牛頓“萬有引力”的相關(guān)研究方法移植到“電磁力（即電磁學(xué)）”的研究過程中，電磁學(xué)是一門全新的物理學(xué)科，它的一切研究均需要“從頭開始”。當(dāng)前，不少大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程《電磁學(xué)》時(shí)迷惑多于理解，將“從頭開始”的物理思想應(yīng)用到教學(xué)當(dāng)中可以獲得良好的教學(xué)效果。

大學(xué)物理；電磁學(xué)；物理思想；教學(xué)手段

在自然科學(xué)界，物理學(xué)是非常重要的基礎(chǔ)性學(xué)科，它奠定了整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)。大學(xué)物理課程是提高學(xué)生科學(xué)研究能力、科學(xué)思維模式以及綜合科學(xué)素質(zhì)的重要基礎(chǔ)性課程，該課程開設(shè)的基本目標(biāo)便是讓大學(xué)生能夠全面了解物理學(xué)科的概念知識(shí)、物理模型、工作語言、工作內(nèi)容、工作方法、歷史沿革、發(fā)展現(xiàn)狀、前景展望等。電磁學(xué)是物理學(xué)當(dāng)中的重要部分，“從頭開始”物理思想對于學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理電磁學(xué)而言意義十分關(guān)鍵。

一、大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)困惑和“從頭開始”的物理思想

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

我們所說的“從頭開始”的物理思想，主要是指在電磁學(xué)的研究領(lǐng)域，我們需要探尋一條與萬有引力教學(xué)完全不同的全新研究模式。關(guān)于這一點(diǎn)，法拉第和麥克斯韋已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(jìn)行研究。愛因斯坦也是高度贊同這一觀點(diǎn)，并敏銳地預(yù)見到，不可能將牛頓“萬有引力”的相關(guān)研究方法移植到“電磁力（即電磁學(xué)）”的研究過程中。究其根源，主要原因在于：電磁學(xué)是一門全新的物理學(xué)科，它的一切研究均需要“從頭開始”。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，牛頓借助于他經(jīng)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(gòu)建了經(jīng)典力學(xué)理論體系；但是，電磁力學(xué)和牛頓力學(xué)是不同的，它不能夠借助于現(xiàn)有的牛頓力學(xué)系統(tǒng)，而是需要構(gòu)建屬于自己的全新的力學(xué)體系。其次，牛頓力學(xué)系統(tǒng)認(rèn)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(shí)發(fā)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(xué)系統(tǒng)的最大貢獻(xiàn)在于它為人們提供了質(zhì)點(diǎn)之間萬有引力的表示式，并說明引力和物體的運(yùn)動(dòng)速度沒有關(guān)系，但是對于萬有引力的起源問題卻避而不談；電磁學(xué)則明確指出了電磁力的來源，即來自于帶電體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，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(guān)系。

二、“從頭開始”的物理思想及相關(guān)教學(xué)方法

（一）明確研究對象的差異

牛頓力學(xué)和靜電學(xué)的研究對象存在著差異，這一點(diǎn)在教學(xué)當(dāng)中應(yīng)該給予明確的說明。牛頓力學(xué)的主要研究對象是：描述質(zhì)點(diǎn)（兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)不可以同時(shí)存在于同一個(gè)空間位置中）的運(yùn)動(dòng)形態(tài)并研究外力作用和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形態(tài)變化之間存在何種關(guān)聯(lián)；靜電學(xué)的主要研究對象是場源電荷產(chǎn)生的“場”而非場源點(diǎn)電荷本身，因此，“場”才是靜電學(xué)的主要研究對象。牛頓力學(xué)要求兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)不可以同時(shí)存在于同一個(gè)空間位置中，與之不同的是，靜電學(xué)則指出兩個(gè)點(diǎn)電荷在空間同一點(diǎn)產(chǎn)生的“場”能夠相互疊加。因此，認(rèn)識(shí)并理解“場”是整個(gè)大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)中必須一以貫之的因素。

同時(shí)，教學(xué)也必須向?qū)W生明確表明牛頓力學(xué)和靜電學(xué)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(xué)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(rèn)識(shí)和理解，電氣時(shí)代的到來讓“場”成為了近現(xiàn)代物理學(xué)研究和講授的主角。靜電學(xué)首先對“庫侖力”進(jìn)行了定義，繼而描述“場”的狀態(tài)；但是，牛頓力學(xué)確實(shí)首先描述了質(zhì)點(diǎn)的狀態(tài)，繼而對外力和質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)的變化進(jìn)行了定義。這一點(diǎn)同樣需要在教學(xué)中明確指出。電場強(qiáng)度和電勢概念的獲得是在不斷地試驗(yàn)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)的：首先，試驗(yàn)表明，電場當(dāng)中的每一個(gè)點(diǎn)F/q均包含了點(diǎn)電荷周圍空間電場力的某種性質(zhì)，電場便是這些性質(zhì)特殊的每一個(gè)點(diǎn)的集合，而F/q便被定義為電場強(qiáng)度。需要指明的是，電場強(qiáng)度是空間坐標(biāo)的矢量函數(shù)。其次，試驗(yàn)表明，W/q也包含了點(diǎn)電荷周圍空間電場能量的某種性質(zhì)，所以便將W/q定義成為電勢。電場強(qiáng)度和電勢均是靜電學(xué)當(dāng)中對電場性質(zhì)具有描述作用的典型物理量，它無關(guān)于檢驗(yàn)電荷電量的大小，而是僅僅與場點(diǎn)位置、場源電荷存在關(guān)聯(lián)。

研究的日漸深入使牛頓力學(xué)的研究模式完全被電磁學(xué)的研究方法所摒棄，而是“從頭開始”（重新）構(gòu)建屬于自己的研究模式。具體表現(xiàn)是：人們從“靜”電學(xué)開始向“動(dòng)”電學(xué)發(fā)展，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了無關(guān)于電荷運(yùn)動(dòng)的靜電力、有關(guān)于電荷運(yùn)動(dòng)速度的磁力、有關(guān)于電荷運(yùn)動(dòng)的加速度“電動(dòng)力”等，至此，電場強(qiáng)度和電勢便成為了時(shí)間的函數(shù)。此時(shí)，牛頓力學(xué)的研究模式完全被新的研究模式取代了。

（二）轉(zhuǎn)化關(guān)系的差異

法拉第大膽設(shè)想，既然“電”能夠產(chǎn)生“磁”，“磁”也應(yīng)該能夠產(chǎn)生“電”。正是基于這種對稱性科學(xué)思維方法，法拉第創(chuàng)立了電磁感應(yīng)理論。麥克斯韋系統(tǒng)地總結(jié)了從庫侖到安培和法拉第等人建立的電磁學(xué)理論的全部成就，并創(chuàng)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(chǎn)生電場，變化的電場也可以產(chǎn)生磁場，從而揭示了電場和磁場的內(nèi)在聯(lián)系。他把電場和磁場統(tǒng)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(xué)是“從頭開始”的，在涉及運(yùn)動(dòng)原因和結(jié)果關(guān)系的“因果觀”上也是“從頭開始”的。在經(jīng)典的力學(xué)理論中，確定論的“因果觀”貫穿在整個(gè)理論體系中，“力”被看作是“原因”，而運(yùn)動(dòng)的變化是“結(jié)果”。但是，在電場和磁場互相轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電磁波的過程中，電場和磁場卻相繼輪流處于“原因”和“結(jié)果”的地位上，“原因”和“結(jié)果”從經(jīng)典力學(xué)中單一指向的常態(tài)下的二元因果邏輯關(guān)系發(fā)展為變態(tài)下的多元因果邏輯關(guān)系。在常態(tài)下，二元因果的邏輯次序關(guān)系可以是固定的，例如，力是產(chǎn)生物體加速度的原因，而不是相反；但是，在變態(tài)下，多元因果邏輯關(guān)系卻是可以互相轉(zhuǎn)化的，即“因”和“果”在一定的條件下是可以互相替代的。電磁學(xué)理論揭示出，變化電場可以產(chǎn)生磁場，變化磁場又可以產(chǎn)生電場，由此就產(chǎn)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(jié)果的新型邏輯關(guān)系，這是一種區(qū)別于經(jīng)典力學(xué)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(xué)物理作為一門通識(shí)性的基礎(chǔ)課程，使得它肩負(fù)著基礎(chǔ)知識(shí)教育和素質(zhì)教育的雙重教育功能，而電磁學(xué)是物理學(xué)中非常重要的內(nèi)容，在大學(xué)物理教學(xué)中占有重要地位。論文的主要內(nèi)容是大學(xué)物理電磁學(xué)“從頭開始”的物理思想及相關(guān)教學(xué)方法，經(jīng)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(jié)論，對于大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)和教學(xué)而言具有一定的積極意義和參考價(jià)值。論文僅就大學(xué)物理電磁學(xué)中的“從頭開始”的物理思想及相關(guān)教學(xué)方法進(jìn)行了研究，但仍有許多有意義和價(jià)值的問題值得研究和探討，需要在今后的教學(xué)過程中繼續(xù)開展此方面的工作。

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