電磁場理論教學(xué)論文
時間:2022-05-08 04:49:00
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高中物理課本甲種本(1985年第1版)第三冊第153頁在介紹麥克斯韋電磁場理論時敘述道:“麥克斯韋用場的觀點分析了電磁現(xiàn)象,認(rèn)為變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場.這是電磁場理論的第二個要點.一個靜止的電荷,它產(chǎn)生的是靜電場,即空間各點的電場強(qiáng)度不隨時間而改變.這個電荷一旦運動起來,電場就發(fā)生變化.另一方面,運動電荷要產(chǎn)生磁場,用場的觀點來分析這個問題,就可以說:這個磁場是由變化的電場產(chǎn)生的.”筆者認(rèn)為,這里用運動電荷產(chǎn)生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點是欠妥的.比甲種本早一年出版的乙種本(1984年第1版)以及主要由它修訂而成的現(xiàn)行課本(必修)中沒有這個例子,但是這個例子在現(xiàn)在的高中物理教學(xué)中仍然存在著不良的影響.最近,筆者帶學(xué)生在中學(xué)教育實習(xí)時發(fā)現(xiàn)了甲種本的這個例子,接著對廣州市的中學(xué)物理教學(xué)做了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)目前仍有一些中學(xué)在教學(xué)中喜歡使用甲種本的這個例子.所以,有必要對這個例子做進(jìn)一步的分析.
變化的電場能夠在周圍的空間產(chǎn)生磁場是麥克斯韋電磁場理論的第二個要點,也是麥克斯韋對電磁場理論的最主要的貢獻(xiàn).這樣,不但傳導(dǎo)電流(由電荷運動引起)能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場,而且變化的電場(或“位移電流”)也能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場.也就是說,產(chǎn)生磁場的途徑有兩種:電流(傳導(dǎo)電流)或者變化的電場(或叫做“位移電流”).甲種本的這個例子所講的“運動電荷要產(chǎn)生磁潮,可以從兩個層次來理解.
一、把“運動電荷要產(chǎn)生磁潮理解為電荷運動形成電流(傳導(dǎo)電流),這個電流要產(chǎn)生磁場,這是中學(xué)生所能理解的層次.按照這種理解,這個電場是由傳導(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.甲種本的論斷是錯誤的.
二、從較高的層次來理解“運動電荷要產(chǎn)生磁潮這句話.電荷的運動是任意的,由于既有速度v,又有加速度a,這個電荷產(chǎn)生的電場和磁場是非常復(fù)雜的,要用電動力學(xué)的方法才能處理,一般中學(xué)生不可能理解到這一層次,而且這時在運動電荷產(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,到底哪一部分主要,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)電流產(chǎn)生,所以不能簡單地認(rèn)為“這個磁場是由變化的電場產(chǎn)生的”.
綜上分析,甲種本用一個運動電荷產(chǎn)生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點是欠妥的,其結(jié)論“這個磁場是由變化的電場產(chǎn)生的”是不對的.
值得指出的是,麥克斯韋電磁場理論的第二個要點包含著深刻而新穎的思想,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正確性,這個理論才得到人們的普遍承認(rèn).可見,“變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場”這一假說并非能用一個例子來加以形象說明的.在高中階段講麥克斯韋電磁場理論的第二個要點時,可以像必修本或乙種本那樣,簡要地給出麥克斯韋的假說,而不要企圖找什么形象的例子來說明.倒是有必要向?qū)W生強(qiáng)調(diào):電流和變化的電場是產(chǎn)生磁場的兩種途徑.最近筆者帶學(xué)生到中學(xué)教育實習(xí)時,就有一些中學(xué)生問實習(xí)老師(筆者帶的實習(xí)生):“當(dāng)穩(wěn)恒電流通過直導(dǎo)線時,周圍空間的磁場是穩(wěn)定的,而電場卻不隨時間做均勻變化,這不是與老師講的電磁場理論的第二個要點相矛盾嗎?”這說明學(xué)生誤以為要產(chǎn)生磁場就必須有變化的電場,并不明白電流和變化的電場均可以產(chǎn)生磁場.或者說,學(xué)生學(xué)習(xí)了變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場,卻忘記了電流是產(chǎn)生磁場的基本途徑.
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