循著麥克斯韋的思路脈絡(luò)感受對稱之美
——“電磁場的發(fā)現(xiàn)”的教學(xué)實踐與反思

彭小華

（衢州華茂外國語學(xué)校 浙江 衢州 324000）

1 教學(xué)設(shè)計思想

教學(xué)目標(biāo)：“電磁場的發(fā)現(xiàn)”的內(nèi)容對學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展有著重要的意義，是對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)臻美思想教育的良好素材.通過本課內(nèi)容的學(xué)習(xí)能使學(xué)生了解電磁場理論中所包涵的和諧、對稱與統(tǒng)一的科學(xué)美，并在課堂的師生對話中，讓學(xué)生受到科學(xué)方法的教育和物理思想的熏陶 .

學(xué)生已有的認(rèn)知水平：電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)現(xiàn)象、電磁振蕩現(xiàn)象等電磁學(xué)知識.

教學(xué)媒體：多媒體課件、電磁波發(fā)生器、小電珠（帶接收天線）.

2 教學(xué)實踐

2.1 對比典型的電磁現(xiàn)象 感受對稱與統(tǒng)一之美

師：我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了三種典型的電磁現(xiàn)象，即電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)、電磁振蕩，下面我們一起來回顧相關(guān)內(nèi)容（開展師生對話）.

師：奧斯特實驗反映了什么物理本質(zhì)？

生：電生磁.

師：電磁感應(yīng)實驗又反映了什么物理本質(zhì)呢？

生：磁生電.

師：電磁振蕩現(xiàn)象又反映了什么呢？

生：反映了電和磁的相互聯(lián)系.

以上3個現(xiàn)象說明了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的內(nèi)在對稱性和統(tǒng)一性.課件展示圖1.

圖1

如果我們能夠在物理學(xué)習(xí)的過程中感受美的存在，感受對稱與統(tǒng)一之美，那也一定能理解為什么尋求對稱與統(tǒng)一是物理美學(xué)的追求.而更令人感到驚喜的是，這種對美的追求往往會帶來物理學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn).

英國物理學(xué)家麥克斯韋正是根據(jù)這種樸素的對稱思想，應(yīng)用類比的研究方法，將數(shù)學(xué)分析和實驗驗證相結(jié)合，在法拉第、湯姆孫等人研究的基礎(chǔ)上建立了完整的電磁場理論，并預(yù)言了電磁波的存在.讓我們從“電生磁”與“磁生電”現(xiàn)象的對稱統(tǒng)一性出發(fā)，循著前人的思路脈絡(luò)，思考電與磁在更高水平上的對稱和統(tǒng)一.

2.2 引入科學(xué)史 模擬科學(xué)研究過程

師：如圖2，在一變化的磁場中放入閉合線圈，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，請同學(xué)們分析其產(chǎn)生原因.

圖2

生甲：閉合回路中磁通量發(fā)生改變而產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢.

生乙：有一種力量在推動自由電荷發(fā)生定向移動.

生丙：電荷通過運動來“抗議”磁通量的改變.

引入史料：麥克斯韋認(rèn)為變化的磁場在線圈中產(chǎn)生電場，正是這種電場在線圈中驅(qū)使自由電子做定向的移動，引起了感應(yīng)電流.

導(dǎo)線中的電場成漩渦形狀，被稱為渦旋電場.麥克斯韋還認(rèn)為這一電場的存在與閉合線圈之間不存在相互依賴關(guān)系，即將閉合線圈撤走該渦旋電場照樣存在，且其強度和方向不變（圖3）.

圖3

可見，存在渦旋電場是一種和閉合線圈無關(guān)的普遍現(xiàn)象.下面，我們以麥克斯韋的這一假設(shè)為基礎(chǔ)，用對稱性的分析方法來分析是否存在以下結(jié)論.課件展示如圖4.

圖4

得到學(xué)生的回應(yīng)后，教師繼續(xù)補充，變化磁場產(chǎn)生電場和變化電場產(chǎn)生磁場，很顯然，這是相對稱的一對物理現(xiàn)象.一個靜止的電荷所產(chǎn)生的電場是靜電場，其所在空間各點的場強是不變的.但如果電荷運動起來，空間各點的電場就發(fā)生變化.因此，奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流周圍的磁場，從場的角度分析，應(yīng)該可以理解為是由運動電荷周圍的變化電場所激發(fā)的.如圖5所示，電容器在充電和放電的過程中，放置其周圍的小磁針會發(fā)生擺動，說明小磁針?biāo)谔?，除地磁場外產(chǎn)生了另一個磁場，這一磁場正是由于電容器在充、放電過程中變化的電場所激發(fā)的.

圖5

從物理美學(xué)的思想觀點看，統(tǒng)一性和對稱性是緊密聯(lián)系的，一定的對稱性將產(chǎn)生相應(yīng)的統(tǒng)一性.麥克斯韋正是發(fā)現(xiàn)了變化電場和變化磁場的對稱性后，進(jìn)一步預(yù)言了電磁場的存在，即變化電場和變化磁場相互激發(fā)而形成密不可分的統(tǒng)一體.課件展示如圖6.

圖6

根據(jù)以上兩個基本論點，麥克斯韋進(jìn)一步推斷，如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，那么，它就在空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又引起新的周期性變化的電場……于是，變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播.課件展示電磁波的構(gòu)想，如圖7所示.

圖7

2.3 演示實驗 見證“奇跡”

以上構(gòu)想是否正確，只能用實驗來證實.下面，我們一起來見證“奇跡”的發(fā)生.如圖8勵磁線圈中通入高頻交流電后，將能向其周圍空間發(fā)射電磁波.用帶天線的小電珠接收這一電磁波，發(fā)現(xiàn)靠近線圈的過程中，燈泡果然被點亮了（圖9），遠(yuǎn)離線圈的過程中，小燈泡的亮度逐漸遞減，說明了電磁波的分布情況.

圖8

圖9

3 教學(xué)反思

變化的電場能夠在其周圍空間激發(fā)磁場是麥克斯韋電磁場理論的重要觀點.值得一提的是，這一觀點所包含的物理學(xué)思想深入而又新鮮，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，難以為物理學(xué)家們所接受，直到25年之后，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，從而證明麥克斯韋電磁場理論的精確性，這個理論才得到人們的普遍認(rèn)可.對于初涉電磁場理論的中學(xué)生來講，要理解這一理論，無疑存在著極大的困難.在本課的教學(xué)中為了讓學(xué)生能夠盡快接受這一觀點，依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平提出“一個靜止的電荷所產(chǎn)生的電場是靜電場，其所在空間各點的場強是不變的，但如果電荷運動起來，其空間各點的電場就發(fā)生變化了，而電流周圍的磁場正是這一變化電場所激發(fā)的”.學(xué)生理解了電流周圍磁場的形成原因之后，再提出“由于正在充電或放電的電容器周圍存在著變化的電場，根據(jù)麥克斯韋理論，其周圍一定存在磁場，并可用小磁針加以檢驗”.通過以上兩個例子，學(xué)生一般能夠初步接受變化電場能產(chǎn)生磁場的觀點.

其實，以一個運動電荷產(chǎn)生磁場為例，闡明電磁場理論的觀點是欠妥的，而結(jié)論“這一磁場是由變化電場所激發(fā)的”也是不對的.產(chǎn)生磁場的途徑有兩種，即電流（傳導(dǎo)電流）和變化的電場（或叫做“位移電流”）.電流周圍產(chǎn)生磁場，是能用奧斯特實驗加以驗證的，也是中學(xué)生所能理解的.這一電場是由傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的，而不是由“位移電流”產(chǎn)生的，即不是由變化的電場產(chǎn)生的.從微觀角度來理解“運動電荷周圍所產(chǎn)生的磁場”，可以認(rèn)為，電荷的運動是任意的，其速度的變化存在著諸多的偶然性，因此，電荷所激發(fā)的電場和磁場是非常復(fù)雜的.這時，在運動電荷產(chǎn)生的磁場中，既有由變化的電場產(chǎn)生的，也有由傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的，到底哪一部分重要，要視電荷的運動情況及觀測點的位置而定.在電荷附近（近場區(qū)）磁場主要由傳導(dǎo)電流所激發(fā).總之，不能簡單地認(rèn)為“這個磁場是由變化的電場所激發(fā)的”.

1 夏放.美學(xué)簡論.濟南：山東人民出版社，2000

2 吳光中.物理學(xué)史.成都：電子科技大學(xué)出版社，2000

3 李艷平，申先甲.物理學(xué)史.北京：科學(xué)出版社，2007

4 許人伍.物理教學(xué)中的審美素質(zhì)教育.大學(xué)物理，1999