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电磁场理论教学中一个值得注意的问题

2005年6月10日 来源:网友提供 作者:未知 字体:[ ]

高中物理课本甲种本(1985年第1版)第三册第153页在介绍麦克斯韦电磁场理论时叙述道:“麦克斯韦用场的观点分析了电磁现象,认为变化的电场能够在周围空间产生磁场.这是电磁场理论的第二个要点.一个静止的电荷,它产生的是静电场,即空间各点的电场强度不随时间而改变.这个电荷一旦运动起来,电场就发生变化.另一方面,运动电荷要产生磁场,用场的观点来分析这个问题,就可以说:这个磁场是由变化的电场产生的.”笔者认为,这里用运动电荷产生磁场为例来说明电磁场理论的第二个要点是欠妥的.比甲种本早一年出版的乙种本(1984年第1版)以及主要由它修订而成的现行课本(必修)中没有这个例子,但是这个例子在现在的高中物理教学中仍然存在着不良的影响.最近,笔者带学生在中学教育实习时发现了甲种本的这个例子,接着对广州市的中学物理教学做了调查,发现目前仍有一些中学在教学中喜欢使用甲种本的这个例子.所以,有必要对这个例子做进一步的分析.

变化的电场能够在周围的空间产生磁场是麦克斯韦电磁场理论的第二个要点,也是麦克斯韦对电磁场理论的最主要的贡献.这样,不但传导电流(由电荷运动引起)能够在周围空间产生磁场,而且变化的电场(或“位移电流”)也能够在周围空间产生磁场.也就是说,产生磁场的途径有两种:电流(传导电流)或者变化的电场(或叫做“位移电流”).甲种本的这个例子所讲的“运动电荷要产生磁潮,可以从两个层次来理解.

一、把“运动电荷要产生磁潮理解为电荷运动形成电流(传导电流),这个电流要产生磁场,这是中学生所能理解的层次.按照这种理解,这个电场是由传导电流产生的,而不是由“位移电流”产生的,即不是由变化的电场产生的.甲种本的论断是错误的.

二、从较高的层次来理解“运动电荷要产生磁潮这句话.电荷的运动是任意的,由于既有速度v,又有加速度a,这个电荷产生的电场和磁场是非常复杂的,要用电动力学的方法才能处理,一般中学生不可能理解到这一层次,而且这时在运动电荷产生的磁场中,既有由变化的电场产生的,也有由传导电流产生的,到底哪一部分主要,要视电荷的运动情况及观测点的位置而定.在电荷附近(近场区)磁场主要由传导电流产生,所以不能简单地认为“这个磁场是由变化的电场产生的”.

综上分析,甲种本用一个运动电荷产生磁场为例来说明电磁场理论的第二个要点是欠妥的,其结论“这个磁场是由变化的电场产生的”是不对的.

值得指出的是,麦克斯韦电磁场理论的第二个要点包含着深刻而新颖的思想,在相当长的一段时间内难以为物理学家们所接受,直到25年之后,赫兹用实验证实了电磁波的存在,从而证明麦克斯韦电磁场理论的正确性,这个理论才得到人们的普遍承认.可见,“变化的电场能够在周围空间产生磁场”这一假说并非能用一个例子来加以形象说明的.在高中阶段讲麦克斯韦电磁场理论的第二个要点时,可以像必修本或乙种本那样,简要地给出麦克斯韦的假说,而不要企图找什么形象的例子来说明.倒是有必要向学生强调:电流和变化的电场是产生磁场的两种途径.最近笔者带学生到中学教育实习时,就有一些中学生问实习老师(笔者带的实习生):“当稳恒电流通过直导线时,周围空间的磁场是稳定的,而电场却不随时间做均匀变化,这不是与老师讲的电磁场理论的第二个要点相矛盾吗?”这说明学生误以为要产生磁场就必须有变化的电场,并不明白电流和变化的电场均可以产生磁场.或者说,学生学习了变化的电场能够在周围空间产生磁场,却忘记了电流是产生磁场的基本途径.


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