大学物理电磁学“从头开始”的物理思想及相关教学方法探讨

张加富

（大同大学浑源师范分校，山西 大同 037400）

大学物理电磁学“从头开始”的物理思想及相关教学方法探讨

张加富

（大同大学浑源师范分校，山西 大同 037400）

爱因斯坦赞同法拉第和麦克斯韦关于“电磁力”和“万有引力”是两种不同的“力”的概念，他敏锐地预见到，不可能将牛顿“万有引力”的相关研究方法移植到“电磁力（即电磁学）”的研究过程中，电磁学是一门全新的物理学科，它的一切研究均需要“从头开始”。当前，不少大学生在学习大学物理课程《电磁学》时迷惑多于理解，将“从头开始”的物理思想应用到教学当中可以获得良好的教学效果。

大学物理；电磁学；物理思想；教学手段

在自然科学界，物理学是非常重要的基础性学科，它奠定了整个自然科学的基础。大学物理课程是提高学生科学研究能力、科学思维模式以及综合科学素质的重要基础性课程，该课程开设的基本目标便是让大学生能够全面了解物理学科的概念知识、物理模型、工作语言、工作内容、工作方法、历史沿革、发展现状、前景展望等。电磁学是物理学当中的重要部分，“从头开始”物理思想对于学生学习大学物理电磁学而言意义十分关键。

一、大学物理电磁学教学困惑和“从头开始”的物理思想

目前，大学物理电磁学的教学仍然以电势、电场等概念为着手点，这些概念大学生虽然在中学物理中已经接触过，并有一定程度的了解，但是，数学处理方式的高度复杂性以及“场”的概念的抽象性都增加了学生的理解难度，有不少学生在电磁学的学习中似懂非懂，在知识的掌握上也是迷惑多于理解。依照笔者的观点，导致该问题的主要原因还是大学生对于电磁学的“从头开始”的物理思想及其相关研究方法有着较大的适应难度。

我们所说的“从头开始”的物理思想，主要是指在电磁学的研究领域，我们需要探寻一条与万有引力教学完全不同的全新研究模式。关于这一点，法拉第和麦克斯韦已经认识到“电磁力”和“万有引力”是两种不同的“力”的概念，需要“从头开始”进行研究。爱因斯坦也是高度赞同这一观点，并敏锐地预见到，不可能将牛顿“万有引力”的相关研究方法移植到“电磁力（即电磁学）”的研究过程中。究其根源，主要原因在于：电磁学是一门全新的物理学科，它的一切研究均需要“从头开始”。主要表现在以下几个方面：首先，牛顿借助于他经典的“三大定律（即我们熟悉的牛顿第一、第二和第三定律）”，成功地构建了经典力学理论体系；但是，电磁力学和牛顿力学是不同的，它不能够借助于现有的牛顿力学系统，而是需要构建属于自己的全新的力学体系。其次，牛顿力学系统认为万有引力是超距作用，它的传递速度接近无限大，并且这种传递是即时发生；但是，电磁力则是迥然不同的，它不仅不是超距作用，而且它的传输速度也是有限的。最后，牛顿力学系统的最大贡献在于它为人们提供了质点之间万有引力的表示式，并说明引力和物体的运动速度没有关系，但是对于万有引力的起源问题却避而不谈；电磁学则明确指出了电磁力的来源，即来自于带电体的物质结构，并且电磁力的大小、作用方向均与带电粒子的速度存在密切的关系。

二、“从头开始”的物理思想及相关教学方法

（一）明确研究对象的差异

牛顿力学和静电学的研究对象存在着差异，这一点在教学当中应该给予明确的说明。牛顿力学的主要研究对象是：描述质点（两个质点不可以同时存在于同一个空间位置中）的运动形态并研究外力作用和质点运动形态变化之间存在何种关联；静电学的主要研究对象是场源电荷产生的“场”而非场源点电荷本身，因此，“场”才是静电学的主要研究对象。牛顿力学要求两个质点不可以同时存在于同一个空间位置中，与之不同的是，静电学则指出两个点电荷在空间同一点产生的“场”能够相互叠加。因此，认识并理解“场”是整个大学物理电磁学教学中必须一以贯之的因素。

同时，教学也必须向学生明确表明牛顿力学和静电学在研究逻辑层次方面的差异。1837年法拉第正式提出了“场”的概念，并明确指出“场”的作用方式完全不同于牛顿力学的“超距作用”，并使“场”成为“近距作用”的核心思想，颠覆了人们以往对于力的认识和理解，电气时代的到来让“场”成为了近现代物理学研究和讲授的主角。静电学首先对“库仑力”进行了定义，继而描述“场”的状态；但是，牛顿力学确实首先描述了质点的状态，继而对外力和质点状态的变化进行了定义。这一点同样需要在教学中明确指出。电场强度和电势概念的获得是在不断地试验当中实现的：首先，试验表明，电场当中的每一个点F/q均包含了点电荷周围空间电场力的某种性质，电场便是这些性质特殊的每一个点的集合，而F/q便被定义为电场强度。需要指明的是，电场强度是空间坐标的矢量函数。其次，试验表明，W/q也包含了点电荷周围空间电场能量的某种性质，所以便将W/q定义成为电势。电场强度和电势均是静电学当中对电场性质具有描述作用的典型物理量，它无关于检验电荷电量的大小，而是仅仅与场点位置、场源电荷存在关联。

研究的日渐深入使牛顿力学的研究模式完全被电磁学的研究方法所摒弃，而是“从头开始”（重新）构建属于自己的研究模式。具体表现是：人们从“静”电学开始向“动”电学发展，进而发现了无关于电荷运动的静电力、有关于电荷运动速度的磁力、有关于电荷运动的加速度“电动力”等，至此，电场强度和电势便成为了时间的函数。此时，牛顿力学的研究模式完全被新的研究模式取代了。

（二）转化关系的差异

法拉第大胆设想，既然“电”能够产生“磁”，“磁”也应该能够产生“电”。正是基于这种对称性科学思维方法，法拉第创立了电磁感应理论。麦克斯韦系统地总结了从库仑到安培和法拉第等人建立的电磁学理论的全部成就，并创造性地提出了“感生涡旋电场”和“位移电流”的假说。他指出，不仅变化的磁场可以产生电场，变化的电场也可以产生磁场，从而揭示了电场和磁场的内在联系。他把电场和磁场统一为电磁场，并且建立了电磁场的基本方程组——麦克斯韦方程组。

电磁场理论不仅在研究的对象和研究的层次上相对于牛顿力学是“从头开始”的，在涉及运动原因和结果关系的“因果观”上也是“从头开始”的。在经典的力学理论中，确定论的“因果观”贯穿在整个理论体系中，“力”被看作是“原因”，而运动的变化是“结果”。但是，在电场和磁场互相转化产生电磁波的过程中，电场和磁场却相继轮流处于“原因”和“结果”的地位上，“原因”和“结果”从经典力学中单一指向的常态下的二元因果逻辑关系发展为变态下的多元因果逻辑关系。在常态下，二元因果的逻辑次序关系可以是固定的，例如，力是产生物体加速度的原因，而不是相反；但是，在变态下，多元因果逻辑关系却是可以互相转化的，即“因”和“果”在一定的条件下是可以互相替代的。电磁学理论揭示出，变化电场可以产生磁场，变化磁场又可以产生电场，由此就产生了电磁场。正是在电磁场的传播过程中，电场和磁场两者之间存在着既是原因又是结果的新型逻辑关系，这是一种区别于经典力学的完全确定论“因果观”的更高层次上的新的“因果观”思想。

大学物理作为一门通识性的基础课程，使得它肩负着基础知识教育和素质教育的双重教育功能，而电磁学是物理学中非常重要的内容，在大学物理教学中占有重要地位。论文的主要内容是大学物理电磁学“从头开始”的物理思想及相关教学方法，经过分析和研究，笔者获得了一些清晰明确并且具有功用的结论，对于大学物理电磁学的学习和教学而言具有一定的积极意义和参考价值。论文仅就大学物理电磁学中的“从头开始”的物理思想及相关教学方法进行了研究，但仍有许多有意义和价值的问题值得研究和探讨，需要在今后的教学过程中继续开展此方面的工作。

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1673-0046（2012）6-0155-02