电磁学在中学物理教学中的地位和作用

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（W．Gilbert，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”（Electricity）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（B．Franklin,1706～1790)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。

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（M．Faraday，1791～1867）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.S．Stoney，1826～1911）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（R．A．Millikan，1868～1953）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=1.60×10-19C.

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，如果没有净电荷出入其边界，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，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（A．Galvani，1737～1798）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（A．Volta，1745～1827）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（H．C．Oersted，1771～1851）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，1787～1854）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,1816～1892）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（J．C．Maxwe11，1831～1879）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（H．Hertz，1857～1894）1888年的实验所证实。从此，由波波夫（A.C.ΠΟΠΟΒ，1859～1906）、马可尼（G．Marconi，1874～1937）、布劳恩（F.Braun，1850～1918）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，1736～1806）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（A．M．Ampere，1775～1836）

做了一系列电流相互作用的出色实验；毕奥（J．B.Biot，1774～1862）和萨伐尔（F.Savart，1791～1841）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入的研究使他深信，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，1844～1906）称许道：“这种符号难道不是出自上帝之手吗？”

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性极大的弹性固体介质。然而，倘若真是这样的话，即如此坚硬的以太充满了整个宇宙空间，那我们又怎么能够在地球上跑来跑去，鸟儿又怎能在空中自由翱翔，行星如何能够千百万年地绕太阳转动而并不明显地遇到阻力呢？

在另一方面，物理规律都是相对于一定的参考系表达出来的。如果承认以太存在，而且确信电磁场不过是以太的某种振动，那就意味着麦克斯韦方程组是在相对以太静止的参考系中表述的。特别是由麦克斯韦方程组可以导出电磁波以光速c传播，因而也就只有在对以太静止的参考系中，电磁波的传播才是各向同性的。所以这一参考系便具有了特殊的地位，而在其他参考系中，电磁场量E和B以及相应的麦克斯韦方程组就将要变为另外的形式了。可是人们已经知道，以牛顿定律为核心的力学规律在不同的惯性系中却具有完全相同的形式。于是不禁要问，难道电磁运动的规律与机械运动的规律真会有这种原则性的

区别吗？

所有这些问题纠缠在一起，形成了一个似乎无法解开的“以太顽结”。传说古希腊国王考第耳斯用山莱英树皮打成了一个结，把自己的战车车轭绑在了柱子上。有一位圣人预言说：“谁要能解开这个考第耳斯结，他就会统治整个亚洲*。”亚历山大大帝挥剑砍断了这个结，达到了统治亚洲的目的.20世纪初，爱因斯坦（A.Einstein，1879～1955）以他慎密的思考和清晰的逻辑一举砍断了“以太顽结”，把宇宙以太拧碎并抛出了物理学的殿堂，从而成为近代物理学中的“亚历山大大帝”。

爱因斯坦在1905年发表了题为《论运动物体的电动力学》的论文，提出了物理学的相对性原理──一切物理规律，不仅是力学的，也包括电磁学的，在所有惯性系中都具有相同的形式；同时也指出光速不随参考系而改变的见解。由此，爱因斯坦不仅得出了以太是多余的结论，而且还扬弃了牛顿（I.Newton,1642～1727）的绝对时空的观念，建立了相对论时空观。

在上述的意义上，可以说爱因斯坦的成就是电磁理论研究的结果。然而，从另一方面来看，麦克斯韦方程组等又必须在新时空观的基础上予以分析，并赋予新的形式，从而能够成为更为简洁，也更为深刻地描述电磁场运动规律的科学体系。我们可以说，只是在这项工作完成之后，电磁场作为物质世界的重要组成部分的观念以及宏观电磁场理论在科学大家庭中的权威才算完满地建立起来了。

（4）电磁作用是自然界的基本相互作用之一

人类对自然界各种物质之间的相互作用的研究由来已久，但把这种研究引上科学舞台的则是17世纪牛顿对万有引力的研究。一切具有质量的物体之间都存在的吸引力称为万

有引力，它是一种长程力，在所有基本相互作用中它是最弱的。由于它与质量有关，因而在微观粒子相互作用的研究中通常可以忽略不计，但在天体物理研究中，引力却起着决定性的作用。倘若不存在引力，地球上的物体都将飞离地球，地球和其它行星也都将飞离太阳。甚至太阳和星系也将不复存在，那是一个怎样的“世界”呀？

带电物体或具有磁矩的物体之间的相互作用称为电磁作用，它的规律总结在麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式之中。电磁作用也是一种长程力，其强度要比引力大得多，而且也是目前人类研究得最为清楚的一种力。原子核和电子结合成原子，原子结合成分子，分子结合成凝聚态物质都是靠电磁作用。宏观的摩擦力、弹性力、粘滞力以及各种化学作用实质上也都是电磁作用的表现。因此可以想见，如果没有电磁作用，不要说原子、分子以及凝聚态物质将不复存在，就是以化学作用为基础的生命体，包括人类自身也都将化为乌有！

后来，物理学又在原子核衰变过程中发现一种仅在微观尺度上起作用的力程甚短的弱相互作用；在质子、中子以及其它一些亚核粒子的相互作用中发现一种力程也较短的强相互作用力。

近代物理学认为，这四种基本相互作用决定了物质世界中的一切过程。与此同时，构建一种能够对各种相互作用给予统一说明的理论，也是近代物理学继续研究的方向。在物理学发展史上，牛顿将天上的天体运动和地上物体的运动用万有引力定律和运动三定律统一起来；麦克斯韦将电作用和磁作用以电磁场理论统一起来，这曾诱发了爱因斯坦试图建立一个包括引力和电磁场力的统一场论的努力，为此他不屈不挠地奋斗了近40年，终因这项任务太超越于时代，致使像爱因斯坦这样巨大的智慧也只能抱憾而去。爱因斯坦逝世10多年之后，电磁作用与弱作用的统一理论获得成功，重又推动了统一场论的研究。人们不再为泡利（W.Paun,1900～1958）所说的那种“上帝拆散的东西，凡人永远结合不上”的信条所迷们，是坚信不应该以多样性反对统一性，这足以告慰爱因斯坦的在天之灵了。

* 20世纪下半叶，物理学家们从理论上预言多数微观粒子由若干夸克或反夸克可能带有的电量，夸克和反夸克的存在已经获得了比充分的实验证据，只是至今人们还不曾利用实验手段抉设单独存在夸克或反夸克。这种情况在物理学中称为“夸克禁闭”。

*实指今日欧、亚、非三大洲相毗邻的广大地区。