從物理學史看電磁感應定律

陳亞琦[1]，姚敏

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從物理學史看電磁感應定律

陳亞琦[1]，姚敏

（湘南學院 電子信息與電氣工程學院，湖南 郴州 423000）

從物理學史的角度，詳細分析電磁感應規(guī)律形成的物理思維過程，引導學生挖掘科學的思想和方法，使學生潛移默化地受到感染，逐步掌握物理思想和物理方法，建立正確的思維過程．同時，對電磁感應定律也有更深層次地理解．

電磁感應定律；物理思想；定量表述；物理學史

電磁感應定律是大學物理電磁學部分的核心內(nèi)容，它深刻揭示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系[1-3]．學生在學習大學物理電磁學部分時，由于在中學打下了一定基礎，對教材中的電磁感應現(xiàn)象、電磁感應規(guī)律都比較熟悉．因此，在講授大學物理中的電磁感應定律時，學生有點掉以輕心，但在應用電磁感應定律解決實際問題時，學生又感到力不從心，這表明學生對電磁感應定律的內(nèi)涵和外延理解不透切．本文將從物理學史的角度來分析電磁感應定律形成的物理思維過程，這不僅可以讓學生全面了解電磁感應定律的發(fā)展歷程，開拓眼界，還可以有效地培養(yǎng)學生的物理思維能力和創(chuàng)新能力[4-6]．

1 借助直覺思維，實現(xiàn)新的突破

1820年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應，這一重大發(fā)現(xiàn)第一次揭示了電與磁的聯(lián)系，突破了長期以來電與磁互不相干的僵固觀念．

電流磁效應的發(fā)現(xiàn)在當時的科學界掀起了巨大浪潮，憑借直覺思維，人們認為電能生磁，那么磁應該也能生電．1821年，法拉第通過觀察磁鐵之間的相互作用，電流與電流之間的作用等一系列電磁現(xiàn)象，經(jīng)類比分析，猜測：既然磁鐵可以使近旁的鐵塊感應具有磁性，電荷可以使近旁的導體感應帶有電荷，那么電流也應當可以使近旁的線圈因感應而生出電流．

1822年，法拉第在他的日記中寫下了“磁能生電”的思想印記，并在這一思想的堅持下開始了漫長的探索．1824年，英國物理學家法拉第把強磁鐵放在線圈內(nèi)，在線圈附近放小磁針，結果小磁針并不偏轉，表明線圈并未因其中放了強磁鐵而產(chǎn)生感應電流．

1825年，法拉第把導線回路放在另一通以強電流的回路附近，期望在導線回路中能感應出電流，但沒有任何結果．

1828年，法拉第又設計了專門的裝置，使導線回路和磁鐵處于不同位置，仍然未見導線回路中產(chǎn)生電流．

在這一段時間里，法國物理學家安培、美國科學家亨利等人也都曾做過一些嘗試，但都沒有結果．

圖1 電磁感應實驗裝置——軟鐵環(huán)

2 抓住本質(zhì)形象，建立電磁感應規(guī)律

法拉第是一位有深刻物理思想的實驗物理學家．在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象的規(guī)律后，他緊接著做了幾十個電磁感應實驗，并把產(chǎn)生感應電流實驗的情形歸納為5類：變化著的電流、運動的恒定電流、變化的磁場、運動的磁鐵和在磁場中運動的導體．并對這一系列的電磁感應現(xiàn)象進行了深入分析和研究，1832年，法拉第發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，不同的金屬導體中產(chǎn)生的感應電流與導體的導電能力成正比．這表明，在一定條件下形成了一定的感應電動勢，感應電流是由與導體性質(zhì)無關的感應電動勢產(chǎn)生的，感應電動勢是在各種情形下產(chǎn)生感應電流的原因．

變化的電流、運動的恒定電流、變化的磁場、運動的磁鐵和在磁場中運動的導體，這5種情形都可以產(chǎn)生感應電動勢，使閉合導體中的自由電荷產(chǎn)生定向移動．法拉第認為產(chǎn)生感應電動勢的原因是磁鐵或電流能產(chǎn)生存在于物質(zhì)或空間中的張力狀態(tài)，這種狀態(tài)的出現(xiàn)、消失以及變化過程，均能產(chǎn)生感應電動勢，法拉第把這種張力狀態(tài)稱為電緊張狀態(tài)．為直觀形象地描述電緊張狀態(tài)，法拉第憑借著他豐富的想象力，創(chuàng)造性地引入力線來描述電緊張狀態(tài)，他用力線的多寡描述電緊張狀態(tài)的強弱，用力線數(shù)量的增減描述電緊張狀態(tài)變化的程度．法拉第認為力線是物質(zhì)的，充滿了整個空間，磁極之間的相互作用力是通過力線來傳遞的．力線的源不變，則力線分布不變；力線的源變化，則力線的圖案也相應地改變．當通過導體回路的磁力線數(shù)目發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生感應電動勢，相應就會有感應電流．變化的電流、運動的恒定電流、變化的磁場、運動的磁鐵和在磁場中運動的導體，雖然不能使非閉合導體產(chǎn)生感應電流，但仍然可以產(chǎn)生感應電動勢．

1851年，法拉第在《論磁力線》一文中指出：無論導線是垂直地還是傾斜地跨過磁力線，也無論它是沿某一方向或另一方向，該導線都把它所跨過的力線所表示的力匯總起來，形成電流的力，即感應電動勢正比于導線所切割的磁力線數(shù)．

3 利用數(shù)學語言，抽象定量表達電磁感應規(guī)律

1833年，俄國物理學家楞次指出，感應電流使線圈受到的作用力與線圈在磁場中運動的方向相反．1845年，德國物理學家紐曼考慮2個載流線圈的相互作用：其一叫施感線圈，電流為，半徑為，施感線圈在運動；其二叫做被感線圈，電流，半徑為，被感線圈靜止．施感線圈中任意線元與被感線圈中任意線元之間的距離為．

由于施感線圈在運動，使兩線圈的相互作用能發(fā)生變化．紐曼認為，被感線圈中的感應電動勢應與相互作用能的變化率成正比[8]．被感電流在施感電流激發(fā)的磁場中所具有的勢能（即兩載流線圈的相互作用能），等于把被感線圈從無限遠處移近施感線圈磁場力所做的功．若被感線圈所處位置近似為均勻磁場，那么被感線圈的勢能為

把載流線圈從無限遠處移入均勻磁場中（見圖2），磁場力所做的功等同于載流線圈從1位置移到2位置磁場力做的功．以線元為研究對象，其所受磁場力為，發(fā)生的位移為，所以．

圖2 被感線圈的勢能計算分析示意圖

根據(jù)紐曼的想法，被感線圈中的感應電動勢，為了寫成等式時，兩邊的量綱相同，紐曼舍棄了數(shù)學推理中的非本質(zhì)屬性和特征（除去了右邊中的），抽出本質(zhì)屬性和特征（如感應電流方向的判定），最后可以得出

這表明，由紐曼的物理思想所導出的電磁感應規(guī)律的定量表達式實際上是把法拉第的想法（通過回路的磁力線根數(shù)變化時，回路中產(chǎn)生感應電動勢，引起感應電流）具體化和定量化了，這種表述形式也是教科書中電磁感應定律的定量表述形式．

4 結論

物理學是一門以實驗為基礎的學科，直覺思維可以指導物理實驗，突出主要矛盾．電磁感應規(guī)律的建立過程中，物理學前輩憑借直覺思維堅持不懈地尋找“磁生電“現(xiàn)象．同時，物理學家又從多次失敗試驗中總結經(jīng)驗，不斷變換研究方法，終于突破思維局限，發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象是一種運動變化的暫態(tài)過程．歸納分析各種電磁感應現(xiàn)象，從現(xiàn)象揭示本質(zhì)，法拉第創(chuàng)造性地引入力線的概念來描述磁鐵或電流周圍的電緊張狀態(tài)，提出電磁感應現(xiàn)象更本質(zhì)的原因是力線數(shù)量的增減產(chǎn)生了感應電動勢．同時，物理學也是一門精確的定量科學，基于學生的物理基礎，從物理學史的角度詳細推導電磁感應定律的定量表述式形成過程，這樣能讓學生更深層次地理解電磁感應定律．

[1] 程守珠．普通物理學（上冊）[M]．６版．北京：高等教育出版社，2006：393-397

[2] 陳秉乾．電磁學專題研究[M]．北京：高等教育出版社，2004：60-106

[3] 弗·卡約里．物理學史[M]．戴念祖，譯．南寧：廣西師范大學出版社，2002

[4] 葛墨林．物理教學的思考[J]．大學物理，2013，32（9）：1-8

[5] 李玲．物理學史在大學物理課堂教學中的應用[J]．中國電力教育，2014（8）：122-123

[6] 張瑤，單長吉．物理學史對培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的作用[J]．高師理科學刊，2010，30（6）：94-96

[7] 閻金鐸．物理思維論[M]．南寧：廣西教育出版社，1996

[8] 陳秉乾，王稼軍．電磁感應定律的定量表達式是怎樣得出的？[J]．大學物理，1987（3）：31-34

Discussion on electromagnetic induction law from an historical perspective

CHEN Ya-qi，YAO Min

（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Xiangnan University，Chenzhou 423000）

Discusses on deeply electromagnetic induction law from an historical perspective to guide the students to dig up the scientific ideas and methods，and infect students subtly，gasp gradually the physical thought and physical methods，establish the correct thinking process．At the same time，have a deeper understanding for the law of electromagnetic induction.

electromagnetic induction law；physics thought；quantification；historical perspective

1007-9831（2016）02-0034-03

O441.3

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.02.010

2015-12-10

湖南省教育廳教改項目（湘教通[2015]291-487，湘教通[2012]401號）

陳亞琦（1980-），女，湖南衡陽人，講師，碩士，從事物理教學研究．E-mail：chenyaqi_0@163.com

姚敏（1963-），男，湖南邵陽人，教授，從事非線性光學研究．E-mail：369084915@qq.com