《电磁学在中学物理教学中的地位和作用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁学在中学物理教学中的地位和作用（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电磁学在中学物理教学中的地位和作用电磁现象是自然界存在着的一类极为普遍的现象，它涉及到非常广泛的领域人类对电磁现象的观察与了解虽然可以追溯到十分遥远的古代，但是真正对它们进行比较系统的研究却是从16世纪下半叶才开始的，其代表性的成果是英国女王伊丽莎白一世御医吉尔伯特（WGilbert，1548 1603）在1600年出版的论磁。 不过，他的全部研究也还是停留在定性的阶段上只是到了17世纪，欧洲的文艺复兴从艺术转向科学，特别是从18世纪起，由于社会生产力发展的推动，人类才在自然科学的许多领域，逐渐地展开了积极的实验探索和定量的研究电磁现象的性质和规律就是其中的一个重要方面，而且这种研究成果的应用
2、在人类认识和改造世界的过程中日益展现出重大作用和无限活力；与此同时，在本是荒漠的知识原野上建造瑰丽的科学殿堂的过程，也凝炼和升华了人类的科学思维和科学方法，架起了一代又一代人们攀登新的科学之巅的金桥于是，电磁学成为一个令人神往的课题、整个物理科学的重要组成部分所以，就是在中学物理教材中，电磁学的知识也占了很大的篇幅，而且涉及到了电磁理论的众多领域那么，概括地说来，在中学物理课程中，电磁学的教学应该使受教育者获取哪些教益呢？（1）电磁现象的本源物质的电结构人类很早就知道摩擦过的琥珀能吸引轻小物体的现象公元16世纪，吉尔伯特在研究这类现象时首先根据希腊文中的“琥珀”创造了英文中的“电”（Elect
3、ricity）这个名词，用来表示琥珀经过摩擦以后具有的性质，并且认为摩擦过的琥珀带有电荷后来，人们发现有很多物质都能由于相互摩擦而带电，并且带电物体之间存在着相互排斥或相互吸引的作用大量的实验研究还表明，摩擦后的物体所带的电荷只有两种，同种电荷相斥，异种电荷相吸美国物理学家富兰克林（BFranklin,17061790)把它们分别命名为正电荷和负电荷根据带电体之间的相互作用力，我们可以确定物体所带电荷的数量物体所带电荷的数量叫做电荷量为了同时表明物体带的是哪种电荷，通常把正电荷的电荷量用正数表示，负电荷的电荷量用负数表示实验表明，正、负电荷放在一起可以互相抵消电性正、负电荷互相完全抵消叫做中和
4、在19世纪30年代以前，人们以为电荷是一种连续的流体，它的量值可以连续变化但是，在1833年前后，人们从法拉第（MFaraday，17911867）电解定律中得出一个惊人的结论：电荷存在着最小单元后来，斯通尼（J.SStoney，18261911）把负电荷的最小单元命名为“电子”从1906年开始，美国物理学家密立根（RAMillikan，18681953）用油滴实验历时11年测出了电子的电量，用e表示电子电量的绝对值，密立根测出的数值为e=1.6010-19 C.迄今为止，各种实验证明，电子是自然界中具有最小电荷量的可以单独存在的粒子，任何带电体和所有带电的微观粒子*的电荷量都是电子电荷量的整
5、数倍这表明电荷的量值只能取一系列分立的数值而不能连续变化，电荷的这一性质叫做电荷的量子性近代物理学的理论和实验证明，通常所见的各种物体（实物）由原子、分子所组成的，而原子则由带正电的原子核和围绕原子核运动的带负电的电子组成原子核由带正电的质子和不带电的中子组成质子的电量和电子的电量等值异号在正常状态下，原子内的电子总数等于原子核内的质子总数，因而宏观物体或者物体的任何一部分包含的电子总数和质子总数是相等的，所以不显电性质料不同的两种物体互相摩擦之后所以都会带电，是因为两物体互相摩擦时，每个物体中都有一些电子挣脱原子核的束缚并运动到另一个物体上去所以净效果是一个物体失去电子，另一个物体得到电子失
6、去电子的物体便显示出带正电，得到电子的物体就显示带负电，而且两者的电荷量必然等值异号应该注意的是，某一质料的物体分别与其他一些质料不同的物体摩擦时，得到或失去电子的情况是不同的，在与某些质料的物体摩擦时可以得到电子，而在与另一些质料的物体摩擦时则要失去电子不。 仅仅是摩擦起电，我们所观察到的所有电现象和磁现象，都是基于物质具有上述的电结构以及其中的带电粒子的相互作用及其运动而产生的，所以我们说，物质的电结构是自然界电磁现象的本源根据物质的电结构，我们容易理解，对于一个物理系统，如果没有净电荷出人其边界，该系统的正、负电荷的电荷量的代数和将保持不变，这就是已被实验证实的电荷守恒定律应该指出的是，
7、代物理学研究表明，在微观粒子的相互作用过程中，电荷是可以产生和消失的例如，一个高能光子与一个重原子核作用时，该光子可以转化为一个正电子和一个负电子，这叫做电子对的“产生”；一个正电子和一个负电子在一定条件下相遇，又会同时消失而产生两个或三个光子，这叫做电子对的“湮灭但是，在已观察到的种过程中，正、负电子总是成对出现或成对消失，而光子又不带电，所以这种电荷的产生和消失并不改变系统中的电荷数的代数和，因而电荷守恒定律仍然保持有效（2）电磁过程是构成自然界各种纷繁复杂过程的基本过程之一在早期的电学实验研究中，主要是在实验室中用摩擦起电机和莱顿瓶进行的，因而主要是对于静电现象的研究或对短暂放电现象的研
8、究面对人们当时对大气中雷电现象的诸多迷信，富兰克林受到莱顿瓶放电的火花的启示，于1749年4月提出了“雷电是不是云层摩擦产生的电现象”这样一个科学问题1752年7月的一个雷雨天，他以著名的风筝实验引“天电”到地面，使人类认识到“上帝之火”的雷电与实验室中的电现象并无二致1791年之后，由伽伐尼（AGalvani，17371798）在1780年解剖青蛙时的偶然发现所引起的电化学效应的研究，终于导致伏打（AVolta， 17451827）在 1800年制成了人类历史上第一个产恒定电流的电源伏打电池，使电现象的研究开始由“静电”发展到“动电”，从而开辟了一个新的研究领域1820年，奥斯特（HCOer
9、sted，17711851）发现了电流的磁效应，它的逆效应电磁感应定律也在1831年被法拉第发现，人类开始认识到电现象和磁现象之间存在着联系当法拉第在随后的一次讲座中介绍这种物理科学的成果时，在场的英国财政大臣格拉斯突然问道：“但它到底有什么用呢？”法拉第看了一眼财政大臣，认真地回答道：“啊，阁下，也许不久你就会收它的税了”不错，电磁感应定律和电流的磁效应为制造更加有效的电源和动力机提供了科学依据，展现了电磁现象的规律在技术上可以获得重要应用的崭新前景与此同时，电流的化学作用如电解等也得到了有效的利用特别应该提到的是，由于伏打电池、温差电偶等电源可以产生恒定电流，而电流磁效应又使测量电流的强弱
10、成为可能，于是人们有可能对电流的传导规律进行研究，这就导致欧姆（G.S.Ohm，17871854）在 1826年至 1827年发现了欧姆定律与此相关的、以欧姆定律为基础的电路理论的研究和应用也就“十月怀胎，一朝分娩”了1866年，西门子（ E.W.Stemeus,18161892）发明了可供实用的自激发电机；19世纪末人类实现了电能的远距离输送，电动机在生产和交通运输中广泛被应用，极大地改变了工业生产的面貌在法拉第等人工作的基础上，19世纪50年代到60年代，英国物理学家麦克斯韦（JC Maxwe11，18311879）建立了电磁学的理论体系，得到了今天以他的姓氏命名的电磁场方程组，并推论电磁
11、作用以波的形式传播从这一理论中得出的电磁波在真空中的传播速度与光在真空中的实际测定的传播速度相同，促使他预言光是电磁波麦克斯韦的理论和预言被德国物理学家赫兹（HHertz，18571894）1888年的实验所证实从此，由波波夫（A.C.，18591906）、马可尼（GMarconi，18741937）、布劳恩（F.Braun，18501918）等人所开创的无线电通讯与广播事业的发展，极大地改变了人类的生活电磁过程不仅渗透到物理科学的各个领域，成为研究各种物理过程的必不可少的基础，同时，它也是研究化学和生物学一些基元过程的基础今天，人们已深切地感受到，无论是人类自身的生活，还是科学技术活动以及物
12、质生产等各种纷繁复杂的过程，都不可能离开电磁过程并且人们深信，在人类社会的未来，电磁理论的绚丽之花仍将盛开（3）电磁场是物质世界的重要组成部分电荷之间相互作用的定量研究是从18世纪后期开始的，为科学界公认的杰出成就当属库仑（C.A.Coulomb，17361806）于1785年设计精巧的扭秤实验，这个实验得出了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离平方成反比，与它们的电荷量乘积成正比的科学结论30多年之后，在奥斯特电流磁效应的启示下，安培（AMAmpere，17751836）做了一系列电流相互作用的出色实验；毕奥（JB.Biot，17741862）和萨伐尔（F.Savart，1791184
13、1）进行了长直载流导线对磁极作用力的实验他们从这些实验的分析中得到了电流元之间相互作用力的规律此后，法拉第发现了电磁感应定律这也许称得上是19世纪最伟大最杰出的电磁学发现，因而也使法拉第成为“科学巨人”对于电磁现象的广泛而深人的研究使他深信，在带电体和磁体的周围存在着某种特殊的“紧张”状态，并用电场线和磁场线来描述它们他认为场线是物质的，且弥漫在全部空间，是它们把相反的电荷和相反的磁极连结起来，也就是说电力和磁力不是通过空虚空间的超距作用，而是通过电场线和磁场线来传递的就这样，法拉第形成了他特有的电场和磁场的观念电磁感应定律和场的观念为电磁现象的统一理论准备了条件，而其大功告成者则是英国卓越的
14、物理学家麦克斯韦麦克斯韦构想了一种媒质模型，研究了这种“媒质的张力和运动的某些状态的力学结果”，“并把这些结果与观察的电磁现象相比较”，以此来体现法拉第的场线思想他所设想的媒质被称为“电磁以太”此外，他还认为变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场，而变化的电场引起媒质“电位移”的变化，这种“电位移”的变化与电流一样在周围的空间激发磁场他把前述的电磁现象的实验定律以及场线思想和它的涡旋电场、位移电流概念天才地用数学公式明晰地表示出来，写下了他不朽的方程组其公式简洁和对称的美感，引起物理学家和数学家们的赞叹，以致于玻尔兹曼（ L.Boltzmann，18441906）称许道：“这种符号难道不是出自上
15、帝之手吗？”麦克斯韦在把握住电磁现象本质后，舍弃了电磁以太模型，明确提出了“电磁场”的概念他写道：“我所提议的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及电或磁物体附近的空间”通过对麦克斯韦方程组的求解，可以研究电磁场的运动状态、电磁场的能量和动量以及电磁场可以独立于场源而存在和传播等问题，这就表明电磁场不仅仅是一种描述电磁现象的方法和手段，而且和实物一样，是物质存在的一种形式，即电磁场是物质世界的重要组成部分尽管如此，有一件事情还不免令当年的物理学家们疑窦丛生，这就是从麦克斯韦的论文中仍然看到“电磁以太”或“宇宙以太”的影子例如，他写道：“电磁场是空间中处于电状态和磁状态下的物体及其周围的空间”，它充满着一种“各处弥漫的，密度虽小而确实有密度的，能够发生运动，并能以很高然而有限的速度将运动从一处地方传递到其他地方的介质”然而，人们却不无遗憾和困惑地发现，要用描述气体、固体和液体这些常见介质的方法来描述这种宇宙以太的性质，简直就是不可能的因为在这方面的所有尝试都将导致一系列难以解决的矛盾例如，光的偏振现象无可置疑地表明光是一种横波，即光所涉及的是一种横向振动，而横向振动只能在固体中存在和传播，因此必须把以太看作是一种固态物质；又由于光波的传播速度很大，而波的传播速度又与传播波动的介质的刚劲程度有关，这就要求以太是一种刚
