電動力學在物理學課程中的地位和作用

苑仲元 張強

摘要:電動力學是研究電磁現象的經典的動力學理論。本文從電動力學的學科性質出發,明確了電動力學在物理學課程中的重要地位,闡述了掌握電動力學對物理學習的促進作用。

關鍵詞:電動力學電磁場物理學麥克斯韋方程組

中圖分類號:O442-4 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0176-01

電動力學是研究宏觀電磁場理論的闡述、從實驗定律中總結電磁場的普遍規律、建立Maxwells equations、討論電磁波傳播、電磁波輻射、狹義相對論、時空本質及其它物理規律本質問題的經典的動力學理論。這門學科與電磁學、近代物理學、量子力學等相關學科聯系緊密,因此在物理學課程中具有重要的地位和作用。

1 認識電動力學的學科性質

電動力學是研究電磁現象的經典的動力學理論,它主要研究電磁場的基本屬性、運動規律、狹義相對論以及電磁場和帶電物質的相互作用。

電磁場是物質世界的重要組成部分之一。在生產實踐和科學技術領域內,存在著大量和電磁場有關的問題,例如電力系統、凝聚態物理、光波導與光子晶體、等離子體、天體物理、粒子加速器等,都涉及不少宏觀電磁場的理論問題。在迅變情況下,電磁場以電磁波的形式存在,其應用更為廣泛。無線電波、熱輻射、光波、X射線和射線等都是在不同波長范圍內的電磁波,它們都有共同的規律。因此,掌握電磁場的基本理論對于生產實踐和科學實驗都有重大的意義。

電動力學是在人類對電磁現象的長期觀察和生產活動的基礎上發展起來的。18世紀中葉以后,在工業發展的推動下,開展了自然科學的實驗探索,電磁學得以快速發展。人們研究了靜電、靜磁和電流等現象,總結出一些實驗規律。但是電磁學的重大進展還是在人們認識到電現象和磁現象之間的深刻內在聯系以后才開始的。1820年,奧斯特發現電流的磁效應;1831年,法拉第發現電磁感應定律,并提出場的概念。至此,電現象和磁現象不再孤立,而是作為統一的整體開始被人們認識,因此從理論上總結電磁場普遍規律的條件已經具備。在此基礎上,1864年麥克斯韋把電磁規律總結為麥克斯韋方程組,并從理論上預言了電磁波的存在。這一基本規律的出現促進了電磁波的發現,而現代無線電技術的廣泛應用又進一步豐富了電磁場理論,使我們現在對于電磁場的認識有了堅實的基礎。20世紀以來,由于現代生產對認識物質微觀結構的迫切要求,人們又進一步研究電磁場的微觀性質,發展了量子電動力學。

在電動力學的發展過程中,人們發現經典力學的時空觀和電磁現象的新的實驗事實發生矛盾。矛盾的解決導致新時空觀的建立。狹義相對論就是在20世紀初由愛因斯坦建立起來的關于新時空觀的理論。電動力學只有在新時空觀的基礎上才發展成為完整的、適于任何慣性參考系的理論。相對論是現代物理學的重要基礎理論之一,它對物理學的發展有著深遠的影響,系統地闡述狹義相對論的基本理論是電動力學這門課程的重要內容之一。

2 明確電動力學在物理學課程中的地位

要明確電動力學在物理學課程中的地位,必須先認識物理學的知識脈絡。

物理學是研究物質結構和相互作用以及物質運動規律的科學。物質的結構按線度大小可分為微觀領域的原子、原子核與“基本”粒子、宏觀領域的各類物體和宇觀領域中的各種天體;從表現形式上又可分為實物與場。物質最基本、最普遍的運動形式包括機械運動、熱運動、電磁運動以及微觀粒子的運動等。以上這些都是物理學的研究對象和內容。根據不同的研究對象和內容,物理學目前可包括五種較成熟的基本理論,即經典力學、熱力學與統計物理、經典電磁場理論、相對論和量子力學。前兩種主要適用于物質處在宏觀低速(v《c)運動的情況,第三、四種主要適用于物質處在宏觀高速(v→c或v=c)運動的情況,第五種主要適用于物質處在微觀低速運動的情況,建立在這幾種基本理論基礎上的量子場論研究的是物質處在微觀高速狀態下的規律,目前正在發展之中。這五種基本理論中以第一種發展最早,在17世紀末已趨于成熟,第二、三種均于19世紀后半葉趨于成熟,第四、五種發展較晚,都是在20世紀初才提出來的,然而發展很迅速,成為現代物理學的兩大支柱。經典電磁場理論即電動力學,研究的是物質的電結構和電磁相互作用以及電磁場的運動規律,它在整個物理學中占有重要的地位。

不僅在物理學課程中,電動力學在生產實踐以及科學技術領域對人類社會的進步都起著重要的推動作用。電動力學推動了電機和無線電信工程的發展,使人類進入了應用電能的時代,這就是第三次工業革命;相對論和量子力學加深了對原子、原子核的認識,在此基礎上人類社會進入了核能以及其它許多新技術的時代。相信今后電動力學的進一步發展將會給人類社會帶來更巨大的影響。

3 電動力學對學習物理學課程的作用

(1)掌握電磁場的基本規律,加深對電磁場性質和時空概念的理解;(2)獲得本課程領域內分析和處理一些基本問題的初步能力,為以后解決實際問題打下基礎;(3)通過電磁場運動規律和狹義相對論的學習,更深刻領會電磁場的物質性,幫助我們加深辨證唯物主義的世界觀。普通物理電磁學是電動力學的先修課程,它更偏重于實驗方面,從電磁現象的觀察與實驗中提出電磁場的一些基本概念,總結出實驗定律,由實驗定律在特殊條件下推導出個別類型(靜態場、似穩場)的積分形式的場方程,最后歸納出麥克斯韋方程組的積分形式。它的邏輯體系是:實驗→定律→理論,是一種以歸納法為主線的知識結構。積分形式的場方程只能從一個空間區域的整體上對電磁場進行總體的描述,一般不能夠逐點地確定場的空間分布,只有借助于某些場的特殊對稱性才能解出這些場的空間局域分布。因此,電磁學的應用是有限的,只能解決一些簡單的電磁場問題。

電動力學是電磁學的后繼課程,它屬于理論物理范疇,是以麥克斯韋方程組(包括積分形式和微分形式)、洛倫茲力公式和物質的電磁性質方程為出發點,分別討論在靜態、時變態、含源區、自由空間、介質內部與表面處(包括導體與絕緣體)、有界空間(以導體為邊界)等不同條件下電磁場的空間分布和運動變化規律,其邏輯體系以演繹法為主。電動力學應用較復雜的數學工具求解電磁場的微分方程,能夠相當精確地描繪出較復雜的電磁場在空間中的局域分布與變化情況,因此在電力與電信技術中有重要的實際應用。

4 結語

正因為電動力學在物理學中有著如此重要的地位,對學好物理學課程起著至關重要的作用,所以廣大學習物理課程的大學生更應該充分重視電動力學、學好電動力學,這不僅需要學生牢固掌握和靈活運用歸納法、演繹法、類比法、理想模型和數學語言來求解各種問題,更要樹立嚴謹的學習態度和刻苦的學習作風、培養濃厚的學習興趣和良好的學習習慣,多學多練,只有這樣才能對電動力學有更好的掌握。

綜上所述,學習電動力學是一個艱苦的過程。廣大學生只有具有“衣帶漸寬終不悔”的精神,才能做到“獨上高樓,望斷天涯路”,站得高、看得遠。當你一旦掌握了這門課程并學會了研究它的科學方法時,便會產生“眾里尋他千百度,驀然回首,那人卻在燈火闌珊處”的那種發自內心的喜悅。

參考文獻

[1] 郭碩鴻.電動力學,高等教育出版社,2008,6(第三版).

[2] 俞允強.電動力學簡明教程.北京大學出版社,1999,7.

[3] 虞福春,鄭春開.電動力學,北京大學出版社,2003(修訂版).