《大学物理电磁学“从头开始”的物理思想和相应的教学方法探讨》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理电磁学“从头开始”的物理思想和相应的教学方法探讨（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物 理与T 程Vo 1 1 9 No 1 2 0 0 9 摘 要 关 键词 大 学 物理 电磁 学 “ 从 头 开始 “ 的 物 理 思想 和相 应 的教 学 方法 探讨 朱铉雄 王世 涛 王 向晖 黄燕 萍 ( 华 东师 范大 学物理 系 ， 上 海 2 0 0 0 6 2 ) 法拉第和 麦 克斯韦发 现 ， “ 电磁 力”是不 同于 万有 引 力、 需要“ 从 头 开始 ” 研 究 的对 象 电磁 学 中从静 电学 开始渗透 的“ 从 头开 始 ” 的物理 学 思想和 方 法 是在 电磁 学 的教 学 中 必 须加 以关注 的电磁学“ 从 头 开始” 思想方 法 的主要表 现有 哪些 ?
2、它渗透 的 思想 方法 究竟 与力学 、 热学有 什 么不 同? 在相 应 的教 学方 法上 要作 出怎样 的 改进? 本 文从 六个 方 面进行 了探 讨 大学物理 ； 电磁 学 ； 物理 思想 ； 教 学方 法 1 9世 纪 中期 ， 法拉 第 和 麦 克 斯 韦 就 提 出“电 磁力 ”是 不 同于 “ 万 有 引 力”、 需 要 “ 从 头 开 始 ” 研 究的 对象 爱 因斯 坦 敏 锐 地 洞见 了物 理 学 发 展 史 上这一 重大转 折 ， 明确指 出 ， 牛顿 的 公理 式 方法 已 经不适 用 了 ， 并 进 一 步 指 “ 在 研 究 电和 光 的 规 律时 ， 第 一次
3、 产生 建立新 的基本 概 念的必 要性 ” “ 从 头开 始 ” 意 味 着 什 么? 显然 ， “ 从 头开 始 ” 指 的是 对 电磁 力 的研究需 要 开辟 新 的 完全 不 同 于 对万有 引力 研 究 的 道路 这 主要 表 现 在 ： 第 一 ， 牛 顿仅得 出质 点 之 间 存 在 万 有 引力 的表 示 式 ， 没 有 揭示万 有 引力 的起 源 ， 而 且 引 力 是 与物 体 的运 动 速度 无关 的 ， 然而 ， 在 电磁学 中电磁 力 的 产生 却 来 自带 电体 的物 质 结 构 ， 它 的大 小 与 方 向 与带 电 粒 子 的速度 是密切 相关 的 ； 第 二
4、， 牛顿 把 物体 之 间 的 万有 引力 看成 是 一 种 “ 超距 作 用 ” ， 力 的传 递 是 即 时 的 ， 传递 速度 无 限 大 ， 但 是 ， 电 磁 力 的 作用 不 是 “ 超 距 的” ， 传递 速度 是有 限 的 ； 第 三 ， 牛顿 以“ 三 大 定律 ” 作 为公理 推理 出其 他定 理 ， 从而 建 立 了一 整 套 经典力 学 的理 论 体 系 ， 但 是 电磁 学 却 不 是 基 于 公 理体 系建立起 来 的 相对 于力学 而 言 ， 整个 电磁 学理论 体系 的建立 就是“ 从 头 开始” 建立起来 的 虽然 学生 在 学 习 电 磁 学 时仍 然从 电
5、 场 、 电势 这些 中学物 理 中 遇 到 过 的概 念 开 始 ， 但 是 物 理 上 “ 场 的概 念 的 抽 象 性 ” ( 与 力 学 相 比 ) 以及 数 学 上 “ 处理方 式 的复杂性 ” ( 与热 学相 比) 似乎 使他 们 一 度对静 电 问 题 感 到 似 懂 非 懂 ， 难 以 把 握 究 其 根 源 。 还是 在 于学生难 以适 应 电磁 学 中渗 透 的“ 从 头 开 始”的物 理 学 基本 思 想 和 方 法 ， 这 一 点 在 电磁 学 的教 学 中是 应 该 引 起 我 们 的 重 视 并 加 以 关 注 的 渗 透 在 电磁 学 中 的 “ 从 头 开 始
6、” 的 思想 方法 究 竟有 哪些 表现 ?在相 应 的教学 方 法 上需 要 作 出怎 样 的改进 ?本 文从 以下六 个方 面进行 了探 讨 1 从 力学 和 静 电学 的 不 同 研 究对 象看 静 电学 包 含的“ 从头 开始” 的思 想 在 研究 的 对 象 上 ， 力 学 研 究 的 是 质 点 运 动 状 态 描述 及质 点 运 动 状 态 变 化 与外 力 的关 系 ， 且 两 个 质 点不能 同时 占有 同一个 空间 位置 静 电学研 究 的对 象 不 是 场 源点 电荷 ， 而 是 由 场源 电荷产 生 的“ 场” ， 也 就是 说 ， “ 电场 ” 一 旦 得 以 产生
7、， 就可 以把 它作 为独立 的对 象 进 行研 究 与 质 点不 同 ， 两 个 点 电 荷在 空 间 同 一 点产 生 的 “ 场” 是 可 以叠加 的 在研究 的逻 辑层 次 上 ， 法 拉 第 在 1 8 3 7年 提 出 的“ 场 ” 的概 念 打破 了“ 超 距作 用 ” 在 物理 学上 的地 位 ， 成 为近 距作 用 的核 心 思想 ， 使 人们 对 “ 场 ” 的认 识 向着 客 观 实 在 方 向跨 出 了 关 键 性 的 一 步 使 “ 场 ”的概念成 为现 代物 理学 的“ 主角” 力学 先确 定 对 质 点 状 态 的 描 述 ， 再 研 究 状 态 的变 化 及 力
8、 的作 用 而 静 电 学 却 先 从 定 义 “ 库 仑 力 ” 开始 ， 然后 引 出 了对 “ 场 ”的状 态 的描 述 实 验 表 明 ， 电场 中各 点 F q反 映 了点 电荷 周 围空 间 电 场 力的 一种 特 殊 的 性 质 ， 具 有 这 些 性 质 的 各 点 集 物理 与工程Vo t 1 9 No 1 2 0 0 9 合被 称为是 由该 电荷 系 产 生 的 电场 ， F q就 被 定 义 为电场强 度 电场 强度是 空 间坐标 的矢量 函数 实验 还表 明 ， W q也反 映 了点 电荷 周 围 空 间 电场 能量 的一种 特殊性 质 ， W q就被 定义 为 电势
9、电势 是空 间坐标 的标量 函数 静 电学 强调 ， 电场 强度 和 电势都 是描 写 电场 本身 性 质 的物 理 量 。 只与 场源 电 荷 和 场 点 位 置 有 关 ， 与 检 验 电 荷 电 量 大 小 无 关 由于开 始只讨论 静 电场 ， 因此 ， 电场 强度 和 电 势都 还 不 是 时 间 的 函数 后来 ， 当人 们 从 “ 静 ” 到 “ 动 ” ， 不仅发 现 了与 电荷运 动无 关 的静 电力 ， 还发 现 了与 电荷 运动速度 有关 的磁 力 以及 与 电荷 运 动 的加 速度有 关 的“ 电动力 ” ， 牛 顿 理论 的那 种研 究 模式 在 电磁学 中就被 完全
10、改 变 了 现代社 会中每个 人几乎 每 时每刻 都 在与 “ 场 ” 打交 道 对“ 场 ” 的认识 的深 化 与发 展 实 际 上 就是 贯穿 在整个 电磁学篇 中的教 学思 想和 教 学方 法 的 一条 主线 2 对连续 带 电体 求场强所 包 含 的“ 从 部分 相 加得 到整体 ” 的思 想 在 静电学 中关于 电场强 度或 电势 计算 过程 一 般是按 照“ 从点 到体”的认识顺 序展 开的 例 如 ， 在求 电场强度 时 ， 先讨 论 点 电荷 产生 的 电场 ， 再讨 论连续 带 电体 产生 的 电场 而无 论对 于 一根“ 无 限长”的连 续带 电 棒 、 一 个连 续 带
11、电 的圆 环或 圆盘 ， 总 可 以把 计 算 问题 的 高 等数 学 方 法 归 结 为“ 三 步九个字 ” ： “ 先 分割 ， 再分 解 ， 后 叠加 ” ， 求 连 续带 电体 产生 的 电势 时也是 从 “ 先 分割 ”开始 ， 但 由于 电势 是标量 ， 因此 ， 电荷元 产生 的电势 就 不 存 在“ 再分解 ” 的步 骤 ， 最后 仍然 需要 “ 后 叠加 ” ， 即 把 电荷元产 生的 电势叠加 在这一 系列分 割和积分 的数 学运 算 背后 体现 的就是物理学 关于部 分和整 体关 系 的一个 重要 思 想 ： 整体是 由部 分组成 的 ， 为 了认识 整 体产 生 的作
12、用 ， 先 要认 识 “ 部 分 ” 产 生 的 作 用 ， 一 旦 认 识 了部 分 ， 再从 “ 部分 ” 相 加就能得 到 ” 整体 ” 在讨 论 了电场 强 度 和 电势 以后 ， 静 电学 常 常 安排 了“ 电势 的梯度 ”的 内容 通 常 在教 学 中这 部 分 内容被看作是从 电势求 电场 强度 的一 条 比较 简 便 的途径 实 际上 ， 在从 电势求 出 电场强 度 的数 学 表达 式的过 程 中体 现 了 另一 个 重要 的物 理 思 想 ， 那 就是 物理 量 与物 理 量 之 间 “ 时 空 动 态 关 联 ” 的 思 想 在 力学 中可 以 由位 移通过 相应 微
13、分分 别得 出 速 度和加 速度或通 过从 加速度 对 时间 积分 分别 得 到速度 和位移 这 种用 常微分形 式 表示 的 ( 时 间是 一维的 变量 ) 数 学 关 系体 现 的 则是 一 个 物 理量 随 时间变化 与另一个 物理 量之 间的 “ 时 间动 态关联 ” 关 系 在静 电学 中无论 是通 过从 电势 对 空间 坐标 求 梯度 得到 电场 强 度 ， 或 是从 电场 强 度对 空 间的 积 分得 出 电势 ， 这种 用偏微 分表示 的( 位移 矢 量是 三 维 空间 的变量 ) 数学 关 系 体 现 的是 一个 物理 量 随 空 间变 化 与 另 一 个 物 理 量 的 “
14、 空 间 动 态 关 联 ” 关 系 3 对 电荷 分布 呈 现 对称 性 的带 电体 求 场 强所 包 含 的“ 从整体 得到 部分” 的思想 在静 电学 中讨论 的高斯 定理 一般 被 看作 不过 是计算 具有对 称性 的连续带 电体 产生 场 强 的一种 简便 的数学 方 法 而 已实 际上 ， 在 讨 论 连 续 带 电 体产 生电场强 度 以后 紧接着讨 论 高斯 定 理及 其应 用的教 学安排 正是为 了突 出两者 在物 理思 想上 形 成的一个 鲜 明的思想对 比： 前 者体 现 的是“ 从部 分 得 到整体 ” 思想 ； 后者体 现 的是“ 从 整体 得 到部分 ” 的思想 高
15、斯 定 理 中 的 “ 整 体 ” 指 的 是 带 电体 产 生 的 “ 场 ” ， “ 部分 ” 指 的 是需 要 讨论 的 电场 中某 一 个 点 或某 一个 区域 “ 从 整 体得 到部 分 ”计 算 场强 的 物 理 步骤是 ： 先 分析 带 电体 以及 所产 生 电场 具有 的 对称 性 ， 然后 根 据 对 称性 找 出符合 一 定 条件 的合 适 的 闭合 面 高 斯 面 ， 在高 斯 面上 应 用 高斯 定 理完 成对 闭合面 的积 分 通 过这 样 的“ 三 步 ”整 体 行为 以后 ， 就 可 以得 到所需要 的“ 部分 ” 结 果 由此可见 ， 在 大 学 物理 静 电学
16、 讨论 两 种 计 算 电场 强度方 法 的 内容 时 ， 应该 注 重 体 现物 理 学 关 于部分 和整 体关 系 的两 个方 面 相辅 相成 的、 互 补 的物理 思想 4电场 中的 导体 和 介 质 及 其包 含 的场 与 物 质 的 相互作 用的思想 当导体 或 电介质 放 入 静 电场 后 ， 一 方 面它 们 物 理与T 程V o 1 1 9 No 1 2 0 0 9 会受 到 电场 的影 响 ， 将 改变原 来 的带 电状态 ； 另 一 方 面 ， 它们 的带 电状 态 又 反 过来 对 原 来 电场 分 布 产生 影响 与真空 中 的静 电场 内容相 比 ， 这部 分 教 学 内容 的重 点 应 该 是“ 导 体 和 介 质 如何 受 电场 作 用改 变 自己 的带 电状 态 ”和“ 导 体 和 介 质 如 何 反 作用 于 电场 影 响 静 电 场分 布 ”两个 方
