电磁学体系下电场与磁场的关联类比学习

刘芷荧　蒋樱

【摘 要】电磁学是物理学的重要组成部分，在日常生活、科学领域，很多问题都与电磁学存在密切联系。为了让学生更好的掌握电磁学的知识点，理解电磁学部分的核心概念、定理公式，本文通过对电场和磁场知识点的分析，采用关联类比学习的方式，将其两者有效地结合起来，培养学生的物理概念关联建构意识，促进学生更好地发展。

【关键词】电磁学；电场；磁场；关联类比

【中图分类号】G642.0 【文獻标识码】A

【文章编号】2095-3089（2019）04-0009-01

电磁学理论在现代物理学中占有重要地位，如何掌握电场和磁场的概念、规律、研究和处理问题的方法是教学中的难点，这两部分的概念十分抽象，学生对电场线和磁感线这种客观存在的事物，没有直接经验与感受，电场强度E和磁感应强度B以及相关定理公式的计算和运用，都有一定的难度，这就需要采用关联类比的学习方式将电场与磁场的知识点结合起来，进一步提高学生对该知识点的掌握程度。

一、电场和磁场分析

在爱因斯坦创立了相对论的基础上，发现从不同参考系观测，同一电磁场可以表现为或只是电场、或只是磁场，或电场和磁场并存，这说明电磁场是一个统一的整体。

1.电场。

19世纪30年代以前，人们普遍认为静电力与质点之间的万有引力一样，属于一种超距作用，后来近代物理的理论与实践证实了法拉第的观点，静电力同样是物质之间的相互作用，这种客观存在的特殊物质是由电荷产生的，叫作电场。进入电场中的电荷会受到电场的作用，产生电场力。在电场中，如果电荷发生位移，则表明电场力对电荷做功。电场的方向和正电荷受到作用力的方向一致。

2.磁场。

如果电荷相对于观察者运动，那么测得在它周围空间不仅存在电场，也存在磁场，产生磁力的场称为磁场。两运动电荷间不仅有电场力还有磁场力，磁场力的作用类似于电场，是通过磁场来传递的，运动电荷、传导电流和变化的电场都是产生磁场的源。

二、电场和磁场的关联类比学习

1.电场和磁场概念定义的类比。

电场和磁场是一种特殊形式的物质，电场性质是从电荷在电场中受力的特点来定量描述的，磁场的性质是磁场对运动电荷的作用来定量描述的。电场线和磁感线都是为了更加直观、形象地研究两种场而客观存在的曲线，在现实中并不存在，电场和磁场的强弱都可以依靠两种线的疏密程度来进行判断，但两者也有不同之处，其中，电场线是不封闭、不相交的，而磁感线是环绕电流的闭合曲线，用右手螺旋定则可以判断磁感线的环绕方向与电流方向，在此基础上，分别引入了电通量和磁通量，电通量是通过电场的任一给定面的电场线数，同理，磁通量就是穿过磁场中某一曲面的磁感线总数，两个概念类比性强，它们的表达式都是分别用矢量电场强度E和磁感应强度B点乘ds在闭合曲面S上的积分，这样将两个公式类比起来，进一步加强了公式的记忆，减弱了这一部分知识的难度。

当然，在电场和磁场的知识点中，还有可以类比的概念，比如电介质、磁介质，电介质的极化和磁介质的磁化，电矩和磁矩等。

2.电场强度E和磁感应强度B的类比迁移。

在静电场中，我们引入电场强度矢量E来描述电场的强弱，用电量很小的点电荷q0作为试验电荷，将试验电荷q0放在电场中，观察受力情况，同一个试验电荷放在电场中，会因为位置的不同，而受到不同的力，说明电场强弱不同；运用物理学中控制变量的方法，在相同的位置带不同电量的q0，发现它受到的力方向不变，但是力的大小会随着电量的改变而改变，所以用F和q的比值〖SX（〗F〖〗q0〖SX）〗这个恒矢量来反映q0所在点处电场的性质，称为电场强度。那么在稳恒磁场中用磁感应强度B来描述磁场强弱和方向时，在逻辑上应该遵循相同的法则，从引入概念的类比关联可知，为了避免运动电荷产生的电场，我们选取的电流元作为产生磁场的源，电流元和磁场中的试验电荷q0相同的意义，从电流元的相互作用为出发点，来得到磁感应强度B的定义式〖SX（〗F〖〗IL〖SX）〗，以此来反映磁场的强弱。

电场强度和磁感应强度的概念是电磁学中一个重难点，对于后续的实际应用有着不可或缺的作用，两个模块的知识一脉相承，使用“控制变量”、“比值定义”、“假设法”、“模拟法”等，将两部分知识巧妙地类比迁移在一起，帮助学生更系统地认识学习“场”这类特殊物质，具体的类比分析如图所示。

电场→电场力→试验电荷q0→〖SX（〗F〖〗q0〖SX）〗的比值反映电场强弱→电场强度

磁场→磁场力→电流元IL→〖SX（〗F〖〗IL〖SX）〗的比值反映磁场强弱→磁感应强度

3.定理公式的类比。

在反映静电场性质的基本规律时，通过高斯定理和环流定理来得出电场强度，类比到磁场中，磁场性质的基本规律也是通过磁场的高斯定理和环路定理来反映的，这个4个定理形式到内涵都有相似之处，学生学习过程中可以重点学习静电场的2个定理，得出静电场是有源无旋场的结论，在稳恒磁场的部分采用了类比的方法，就可以自主的分析出磁场是无源有旋场。运用关联类比的教学方法，不仅节约了学时，避免了枯燥而重复的数学推导，而且让学生学得轻松，学得主动，理解深刻而全面，能够实现通过获取知识、培养能力、提高素质的“知识、能力、素质”三位一体的根本教学目的。

三、结束语

电场与磁场的学习对于相关专业的学生来说特别重要，对学生的专业学习和全面发展也有着重要意义，如果按照传统模式，按部就班的学习，就不能更好地把这两部分知识以及数学知识融会贯通起来，限制了学生的发展。所以将电场和磁场的概念、规律、定理公式进行类比，促进学生对物理学科核心概念的理解，也能够使得学生在掌握理论知识的前提下，将该知识运用到实际生活当中去。

参考文献

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[4]田成良，李凯波.类比迁移建概念 相互关联成观念——以“磁感应强度”教学为例[J].物理教师，2018（39）：31-33.

作者简介：刘芷荧（1993-），性别：女，籍贯：辽宁省铁岭市，工作单位：广州大学松田学院，学历：大学本科，职称：无，研究方向：大学物理教学。

蒋樱（1984-），性别：女，籍贯：河南省淮阳县，工作单位：广州大学松田学院，学历：本科，职称：无，研究方向：高校管理。