牛頓力學思想對電磁學理論的影響

王 丹，李 楠，姜琳琳，趙茂祥

(1.吉林師范大學物理學院，吉林 四平 136000；2.物理國家級實驗教學示范中心（吉林師范大學），吉林 四平 136000)

1 引言

對于電磁學知識的學習以及理解過程中，依照相關的理論知識和知識體系加以概括，明確相關知識要點的存在，電磁學中相對枯燥的部分就是理論知識，很多的人無法合理的把控電磁學的真正理論內涵，以至于在實際運用的時候，面臨著極大的阻礙，引發(fā)了相對嚴重的后果[1]。除了電磁學以外，物理學中的知識也多是理論知識，想要真正的了解相關的知識點，需要將其本質的內容加以明確，在這樣的角度之上，應該認識到電磁學中力學思想的關鍵價值。1687 年，牛頓完成了巨著《自然哲學的數學原理》，其象征著經典力學的構建，同時也讓其成為了偉大的思想家，其影響力日漸廣闊。在這部偉大的巨著中，牛頓詳盡的概述了他的自然哲學觀，闡述了力學思想。對牛頓的力學思想簡單表述：自然界統(tǒng)一的思想、萬有引力思想和超距作用觀念等。因為牛頓力學在研究多種理論時獲取了理想的成果，使得相關的思想得以在生產實踐中合理的運用起來，以至于越來越多的科學家對于牛頓的力學思想抱有深信不疑的態(tài)度。

2 電磁學理論建立的過程

牛頓的力學思想能夠劃分出不同的組成部分，多位研究人員試圖運用力學思想解釋自然現象，甚至使用相關的理論去解釋復雜的生命現象，自此，牛頓的力學思想以及力學方法等得以廣泛的運用起來。經過相關的調查研究，電磁學理論重點是建立在牛頓力學原理、超距作用觀念和自然力統(tǒng)一思想上誕生的理論，其中涉及到庫侖定律以及電力作用等等[2]。

2.1 庫侖定律

牛頓在自己的著作《自然哲學的數學原理》中加以證明，若是引力和距離平方的增大明顯減少的時候，中空球體對球體中的物體將不會反映出一定的作用力。在1766 年，美國物理學家富蘭克林開展的實驗中發(fā)現了這樣的現象：放置于金屬杯內的軟木塞將不會受到金屬杯電性的干擾。1766 年，英國的普利斯特利也在相關的實踐中發(fā)現了此類問題：在中空的金屬器帶電的情況下，除去開口的位置，其對于空腔中的電荷將不會表現出任何的作用力。在這樣的基礎之上，普利斯特利開始了大膽的假設：電荷之間的作用力就相當于物體間實際存在的引力，由此便能適當的運用牛頓的相關思想。將牛頓的引力思想適當的移植在電磁學中，雖然并未證明相關的觀點，但是為后來的科學研究指明了方向。1785 年，庫侖借助于扭秤實驗證實了反比定律，這就是庫侖定律的誕生。該定律繼承了牛頓引力定律的基本形式，同時也將牛頓的超距作用觀念加以延續(xù)。通過相關的實踐證實，引力和電力屬于同類力，其呈現出統(tǒng)一性。

2.2 安培定律

1820 年，法國物理學家阿拉果在瑞士了解到奧斯特發(fā)現了電流磁效應的這一重磅消息，及時的向法國科學院報告了相關的情況。在安培知曉這一消息，第二天重復進行了奧斯特的相關實驗，并對其進行發(fā)展。經過科學的驗證以及深入的研究，安培為“磁”的本質是電提供了相對可靠的證據。在對電流的相互作用進行合理的研究時，安培也像牛頓一樣把電流比作無數個電流元的重要集合，結合著牛頓的牛頓力學理論，將電磁力合理的轉化為電流元間的吸引力以及排斥力等，之后運用相對高超的數學技巧，將電流元的相互作用力加以總結，也就是平方反比的作用力形式。此理論將電磁現象合理的納入至牛頓力學的范疇中，證明了電力、磁力以及引力屬于同一種類型的力，體現出明顯的統(tǒng)一性[3]。

2.3 電力作用

1893 年，德國的高斯讓電力、磁力和萬有引力進行了統(tǒng)一，并且統(tǒng)一于一個關系式內，促使電磁學理論和力學模式間的關系更進一步。1846 年，韋伯對電力作用的一般公式加以提及，其重點是建立在安培電動理論基礎之上，其也可以視為牛頓力學的范疇。將牛頓的超距作用觀作為主要的例子，其涉及到的主要內容就是力的傳遞無需通過一定的時間，但是結合物理的角度上分析，歧義和矛盾仍然存在，若是力的傳遞無需時間，將意味著傳遞的速度會呈現出無限放大的狀態(tài)。在這一實踐中，涉及到的公式屬于典型的平方反比作用力的形式。此種類型的公式，因導數并不會逐步的簡易，但是積分易求得并且會循環(huán)出現，可以隨意的安排左列和右列，如果列表計算中出現了被積函數相似的形式，需要及時的終止列表，適當的借助對應的解方程過程求出。在庫侖定律以及電力作用、安培定律中涉及到相同的概念，其中包含到的電磁現象得以正確的解釋，由于超距作用的存在，讓力學中并未充分的體現出來，但是電磁學中的作用十分明顯，只有對牛頓力學方法以及力學思想進行詳細的了解，才能在具體應用的過程中，真正的認識電磁學實際的內容以及實質的問題。

3 牛頓的力學方法及電磁學理論

經過上文的分析，電磁學中涵蓋的庫侖定律、電力作用以及安培定律等進行了深入的闡述，同時明確了牛頓力學方法及相關的力學思想，了解其對于電磁學產生的影響。在時代飛速發(fā)展的進程中，電磁學的相關理論已經逐步的擺脫了牛頓力學的束縛，在相關的研究實踐中，多位科學家繼續(xù)展開了深入的分析[4]。

3.1 法拉第的觀點

牛頓力學方法和電磁學理論間存在著極為密切的聯(lián)系，但是這種關系的存在，需要經過合理的驗證加以判斷，在具體判斷前，需要結合相關學者的觀點進行詳細的分析，制定出科學的對策，保證牛頓力學方法和電磁學理論間的聯(lián)系適時展示出來。法拉第可謂開啟來新的征程，在人們對牛頓的力學思想抱有深信不疑的態(tài)度時，法拉第卻超乎了所有人的想象，其打破了一定的限制和束縛，為正確的解釋相關的電磁現象，同時合理的闡述電磁作用力的實際傳遞情況，受到“粒子鄰接作用”的深刻影響，其在關注到某一個物體從一個地方運動至另一個地方時，他還想了解能夠拉動它的東西。在這樣的認知中，法拉第設想電磁間能夠傳遞出的能量，不管是“拉”還是“推”，其均屬于無處不在的個體，其彰顯出傳遞電磁力的實際價值。法拉第將其稱作是“場”，其第一觀點就對牛頓的超距作用觀加以否定，描繪出了全新的物理圖像。運用何種方式對其進行描述？法拉第仍然采用了流體力學的手段，將力線以及力管等概念加以提出，正是由于力線和力管的存在，讓不同的電荷和磁體等連接起來，其認為力線和力管均存在著現實的物理價值。除了上述提及到的相關力學思想之外，法拉第的另外一種思想便是物理力呈現出統(tǒng)一性，其運用了具體的手段去證實這一觀點，證明五種自然力的統(tǒng)一存在?，F階段，諸多的學者致力于此方面的研究工作。法拉第作為一名實驗物理學家，雖然提出了全新的概念，但是在一定程度上其體現出定性特征。1854 年，麥克斯韋對法拉第的著作《電學實驗研究》進行了閱讀，被其闡述的見解深深地吸引。麥克斯韋也就此闡述了自己的認識，其認為：場和力線的模型均是富有價值的存在，其決心使用一般的數學方法將法拉第的相關觀念加以表達。

3.2 W.湯姆遜的觀點

在對部分學者的觀點進行總結的時候，應該清楚地掌握相關的要領，同時結合部分研究學者所提出觀點的年份和時間，將其與牛頓力學理論相互結合到一起進行分析，由此才能更好的闡述兩者之間的密切關聯(lián)。1847 年，W.湯姆遜在研究不可壓縮流體的過程中，了解到流線連續(xù)性的存在，在這樣的基礎之上，對于電磁現象和流體力學本身的相似性進行了合理的闡述和分析，這種觀點的出現直接的影響到麥克斯韋，其受到了深刻的啟發(fā)，麥克斯韋將靜電場進行了比喻，將其視作流體力學的穩(wěn)定流場，正負電荷被視為流體的源和溝，電力線則屬于流管的存在，電場的強度可以視作流速[5]。基于此，適當的引申出新的矢量函數，由此清楚地表述出電磁場這一重要的概念。1862 年，W.湯姆遜發(fā)表了《論物理力線》的論文，在這篇文章中，其適當的引入了新的媒質理論，在相關的理論實踐中，其將電磁以太的力學模型加以構建起來，使其更好的服務于相關的理論概述。該模型雖然在具體使用的過程中妥善的處理了相關的問題，但是在其觀點中，卻認為此模型并不是電磁場具體存在的實際反映。后來，其逐步的轉向了場的觀點。適當的使用相對嫻熟的數學技巧，可以讓麥克斯韋的方程加以體現出來，確保電磁學更加完善。W.湯姆遜對電磁現象和流體力學間的關系進行了合理的對比，通過相應的實驗證實了兩者之間的聯(lián)系，驗證了流體力學這一力學方法的存在，將其適當的運用至電磁學中，將反映出的電磁現象和流體力學展開科學的對比。即便牛頓力學中超距作用被否定，但是牛頓力學的思想以及力學方法還是能夠直接的影響到電磁學的發(fā)展軌跡，在電磁學的研究中出現了問題時，可以通過力學的方法加以解答，針對于多數的物理學家來說，適當的使用類比方式，借助于力學思想和力學方法等基本的要素，研究出電磁現象，屬于當前電磁學研究中相對精準的一種方式[6]。牛頓力學方法多種多樣，如類比法和分析綜合法等，借助于多樣化的手段，可以清楚地了解到電磁學的理論，明確電磁學的深刻內涵所在，使得牛頓力學的重要性得以重新的認識。

4 結語

電磁學理論的相關研究工作具體開展的過程中，存在著相對明顯的復雜問題，由于電磁學本身涉及到多個方面的內容，想要進一步明確電磁學的基本理論，清楚的掌握電磁學中較為復雜的理論知識，還需通過牛頓的力學思想和力學方法展開分析，由此開展進一步的分析工作，做好科學的規(guī)劃與合理的安排，確保電磁學的研究進展更加的理想。對于電磁學的發(fā)展過程展開實際調查的時候，能夠清楚的了解到電磁學的發(fā)展軌跡和力學思想息息相關，經過對牛頓力學思想和對電磁學理論的影響進一步分析，能夠明確電磁學的基本原理所在，由此清楚的掌握電磁學的具體觀點，將其合理的運用至實際的生活實踐中。通過本文的概述，了解到當前電磁學理論和牛頓力學理論及方法間的關系，在闡述了相關的認識之后，旨在為類似的研究工作提供有效的借鑒和參考。