電磁學理論建立過程的探究與教學實踐

張靈振

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

關(guān)鍵詞：電磁學；電磁學理論；建立過程；教學實踐

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

電磁學史不僅反映了電磁學概念、定理、定律等醞釀、產(chǎn)生和發(fā)展的過程，而且再現(xiàn)了科學家在科學發(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)了科學家們求真務實、勇于探索的科學精神。從場的觀點看，電磁學發(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，而著名的奧斯特實驗和赫茲實驗，前者打開了電磁學“一直是黑暗的大門”，后者為電磁學理論大廈完美封頂。在電磁學教學中，結(jié)合教學內(nèi)容有計劃地引入典型的建立過程或?qū)嶒炦^程進行學習和研究，對學員豐富知識、開拓視野、提高科學素養(yǎng)等方面具有重要的作用和意義。

一、電磁學理論建立過程的探究

1.物理方法探究?？v觀電磁學發(fā)展史，科學家們運用實驗、假說、類比、邏輯方法和數(shù)學方法等常規(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實驗方法。實驗是建立電磁學規(guī)律的基礎(chǔ)，又是檢驗電磁學理論的最終標準。1785年庫侖利用扭秤實驗測量了同種電荷的斥力，又利用電擺實驗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進入了定量研究階段，使電磁學真正成為一門科學。1820年奧斯特通過實驗發(fā)現(xiàn)電流的磁效應，“他突然打開了科學中一個一直是黑暗的領(lǐng)域的大門，使其充滿光明”[1]。此后，物理學家們通過實驗相繼建立起畢-薩定律、安培定律、電磁感應定律，直到1865年麥克斯韋建立了電磁場理論，并預言電磁波的存在。但該理論到1887年赫茲用實驗證實了電磁波的存在之后，才得到廣泛的承認。赫茲利用精心設(shè)計的感應天平進行實驗，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，而且還實驗觀察到電磁波的偏振、反射和折射。②類比方法。類比方法在電磁學理論體系的建立過程中應用最普遍。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。實際上，整個靜電學的發(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)計了十分巧妙的第二個實驗，并確定了定律的具體函數(shù)形式[1]。安培在推導安培定律時，“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行類比，把流體中的通量和環(huán)流移植到電磁學，提出由流體力學表達式對應建立電磁表達式。他還與力學中“動量的變化產(chǎn)生力”，即■=d■/dt（■是動量），進行類比得到，“電應力狀態(tài)的變化產(chǎn)生電磁感應現(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。當奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應之后，年輕的法拉第在對稱思想指導下，于1822年在筆記中給自己提出一個目標“把磁變成電”。1831年他終于取得了突破性進展——發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象。然而，麥克斯韋首先發(fā)現(xiàn)奧斯特和法拉第的實驗并不對稱，即奧斯特實驗思想是電流產(chǎn)生磁，而法拉第實驗思想是磁（的時間變化率）-？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)過仔細分析，大膽補充了法拉第的對稱性，他認為變化的磁能產(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。很多學者根據(jù)自然界對稱性思想堅信必定存在對應電荷和電流的磁荷和磁流，但直到現(xiàn)在還沒有被科學界承認的發(fā)現(xiàn)。

亥維賽在對稱原理啟發(fā)下，將由20個方程組成的較完備的麥氏方程組，對稱簡化為更簡單的兩個散度方程和兩個旋度方程，成為現(xiàn)代形式的麥氏方程組。④數(shù)學方法。數(shù)學方法為物理學研究提供簡明精確的形式化語言、數(shù)量分析、計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)學形式緊密聯(lián)系起來。除了實驗方法之外，數(shù)學方法是物理學理論發(fā)展、建立和完善的根本方法。庫侖定律的提出，使電磁學進入了定量研究的時代。安培的電動力學體系是建立在大量的數(shù)學運用基礎(chǔ)之上的。麥克斯韋更是把數(shù)學工具發(fā)揮到了極致，他憑借自己深厚的數(shù)學功底和嫻熟的數(shù)學技巧，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為一組優(yōu)美的方程。麥氏方程組不但概括了實驗發(fā)現(xiàn)的庫侖定律、高斯定律、安培定律和法拉第定律，而且預言了電磁波的存在。

2.物理思想探究。在電磁學理論建立過程中，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，對物理學的發(fā)展也具有深遠影響。①自然力統(tǒng)一思想。19世紀20年代以前，人們認為電和磁是兩種完全不同的實體。奧斯特深受康德哲學關(guān)于自然力統(tǒng)一觀點的影響，堅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月的一次實驗中敏銳地發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，之后，他又進行了3個月的連續(xù)實驗，通過60多個實驗的深入研究，于1820年7月21日發(fā)表了《關(guān)于磁體周圍電沖突的實驗》論文。電流磁效應的發(fā)現(xiàn)，是電磁學領(lǐng)域物理思想的一個重大突破，具有重大意義。電流磁效應的發(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，宣告電磁學作為一個統(tǒng)一學科誕生了，開創(chuàng)了電磁學研究的新紀元。②近距作用取代超距作用的思想。在電磁學領(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家都堅持超距作用觀點。從1820年以后，法拉第多次重復奧斯特的電流磁效應的實驗，他堅信既然電能生磁，那么磁也能生電，他堅持不懈做了多年的實驗研究。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)。他在廣泛的實驗研究基礎(chǔ)上，提出“場”的概念和力線圖像，導致近距作用的場論思想，這是電磁學領(lǐng)域物理思想又一個重大突破。愛因斯坦把法拉第關(guān)于場的思想看作是“牛頓時代以來物理學基礎(chǔ)所經(jīng)歷的最深刻的變化”[4]。endprint

二、電磁學理論建立過程的教學實踐

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

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

三、引入電磁學理論建立過程的作用意義

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

參考文獻：

[1]郭奕玲，沈慧君.物理學史[M].北京：清華大學出版社，1993.

[2]陳毓芳，鄒廷肅.物理學史簡明教程[M].北京：北京師范大學出版社，1986.

[3]梁昌洪，陳曦.電磁理論之美[J].電氣電子教學學報，2011，33（6）.

[4]王稼軍.麥克斯韋建立電磁場理論的三篇論文[J].物理與工程，2005，15（2）.endprint