電磁學(xué)體系下電場與磁場的關(guān)聯(lián)類比學(xué)習(xí)

劉芷熒　蔣櫻

【摘 要】電磁學(xué)是物理學(xué)的重要組成部分，在日常生活、科學(xué)領(lǐng)域，很多問題都與電磁學(xué)存在密切聯(lián)系。為了讓學(xué)生更好的掌握電磁學(xué)的知識點，理解電磁學(xué)部分的核心概念、定理公式，本文通過對電場和磁場知識點的分析，采用關(guān)聯(lián)類比學(xué)習(xí)的方式，將其兩者有效地結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的物理概念關(guān)聯(lián)建構(gòu)意識，促進學(xué)生更好地發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】電磁學(xué)；電場；磁場；關(guān)聯(lián)類比

【中圖分類號】G642.0 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）04-0009-01

電磁學(xué)理論在現(xiàn)代物理學(xué)中占有重要地位，如何掌握電場和磁場的概念、規(guī)律、研究和處理問題的方法是教學(xué)中的難點，這兩部分的概念十分抽象，學(xué)生對電場線和磁感線這種客觀存在的事物，沒有直接經(jīng)驗與感受，電場強度E和磁感應(yīng)強度B以及相關(guān)定理公式的計算和運用，都有一定的難度，這就需要采用關(guān)聯(lián)類比的學(xué)習(xí)方式將電場與磁場的知識點結(jié)合起來，進一步提高學(xué)生對該知識點的掌握程度。

一、電場和磁場分析

在愛因斯坦創(chuàng)立了相對論的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)從不同參考系觀測，同一電磁場可以表現(xiàn)為或只是電場、或只是磁場，或電場和磁場并存，這說明電磁場是一個統(tǒng)一的整體。

1.電場。

19世紀(jì)30年代以前，人們普遍認為靜電力與質(zhì)點之間的萬有引力一樣，屬于一種超距作用，后來近代物理的理論與實踐證實了法拉第的觀點，靜電力同樣是物質(zhì)之間的相互作用，這種客觀存在的特殊物質(zhì)是由電荷產(chǎn)生的，叫作電場。進入電場中的電荷會受到電場的作用，產(chǎn)生電場力。在電場中，如果電荷發(fā)生位移，則表明電場力對電荷做功。電場的方向和正電荷受到作用力的方向一致。

2.磁場。

如果電荷相對于觀察者運動，那么測得在它周圍空間不僅存在電場，也存在磁場，產(chǎn)生磁力的場稱為磁場。兩運動電荷間不僅有電場力還有磁場力，磁場力的作用類似于電場，是通過磁場來傳遞的，運動電荷、傳導(dǎo)電流和變化的電場都是產(chǎn)生磁場的源。

二、電場和磁場的關(guān)聯(lián)類比學(xué)習(xí)

1.電場和磁場概念定義的類比。

電場和磁場是一種特殊形式的物質(zhì)，電場性質(zhì)是從電荷在電場中受力的特點來定量描述的，磁場的性質(zhì)是磁場對運動電荷的作用來定量描述的。電場線和磁感線都是為了更加直觀、形象地研究兩種場而客觀存在的曲線，在現(xiàn)實中并不存在，電場和磁場的強弱都可以依靠兩種線的疏密程度來進行判斷，但兩者也有不同之處，其中，電場線是不封閉、不相交的，而磁感線是環(huán)繞電流的閉合曲線，用右手螺旋定則可以判斷磁感線的環(huán)繞方向與電流方向，在此基礎(chǔ)上，分別引入了電通量和磁通量，電通量是通過電場的任一給定面的電場線數(shù)，同理，磁通量就是穿過磁場中某一曲面的磁感線總數(shù)，兩個概念類比性強，它們的表達式都是分別用矢量電場強度E和磁感應(yīng)強度B點乘ds在閉合曲面S上的積分，這樣將兩個公式類比起來，進一步加強了公式的記憶，減弱了這一部分知識的難度。

當(dāng)然，在電場和磁場的知識點中，還有可以類比的概念，比如電介質(zhì)、磁介質(zhì)，電介質(zhì)的極化和磁介質(zhì)的磁化，電矩和磁矩等。

2.電場強度E和磁感應(yīng)強度B的類比遷移。

在靜電場中，我們引入電場強度矢量E來描述電場的強弱，用電量很小的點電荷q0作為試驗電荷，將試驗電荷q0放在電場中，觀察受力情況，同一個試驗電荷放在電場中，會因為位置的不同，而受到不同的力，說明電場強弱不同；運用物理學(xué)中控制變量的方法，在相同的位置帶不同電量的q0，發(fā)現(xiàn)它受到的力方向不變，但是力的大小會隨著電量的改變而改變，所以用F和q的比值〖SX（〗F〖〗q0〖SX）〗這個恒矢量來反映q0所在點處電場的性質(zhì)，稱為電場強度。那么在穩(wěn)恒磁場中用磁感應(yīng)強度B來描述磁場強弱和方向時，在邏輯上應(yīng)該遵循相同的法則，從引入概念的類比關(guān)聯(lián)可知，為了避免運動電荷產(chǎn)生的電場，我們選取的電流元作為產(chǎn)生磁場的源，電流元和磁場中的試驗電荷q0相同的意義，從電流元的相互作用為出發(fā)點，來得到磁感應(yīng)強度B的定義式〖SX（〗F〖〗IL〖SX）〗，以此來反映磁場的強弱。

電場強度和磁感應(yīng)強度的概念是電磁學(xué)中一個重難點，對于后續(xù)的實際應(yīng)用有著不可或缺的作用，兩個模塊的知識一脈相承，使用“控制變量”、“比值定義”、“假設(shè)法”、“模擬法”等，將兩部分知識巧妙地類比遷移在一起，幫助學(xué)生更系統(tǒng)地認識學(xué)習(xí)“場”這類特殊物質(zhì)，具體的類比分析如圖所示。

電場→電場力→試驗電荷q0→〖SX（〗F〖〗q0〖SX）〗的比值反映電場強弱→電場強度

磁場→磁場力→電流元IL→〖SX（〗F〖〗IL〖SX）〗的比值反映磁場強弱→磁感應(yīng)強度

3.定理公式的類比。

在反映靜電場性質(zhì)的基本規(guī)律時，通過高斯定理和環(huán)流定理來得出電場強度，類比到磁場中，磁場性質(zhì)的基本規(guī)律也是通過磁場的高斯定理和環(huán)路定理來反映的，這個4個定理形式到內(nèi)涵都有相似之處，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中可以重點學(xué)習(xí)靜電場的2個定理，得出靜電場是有源無旋場的結(jié)論，在穩(wěn)恒磁場的部分采用了類比的方法，就可以自主的分析出磁場是無源有旋場。運用關(guān)聯(lián)類比的教學(xué)方法，不僅節(jié)約了學(xué)時，避免了枯燥而重復(fù)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，而且讓學(xué)生學(xué)得輕松，學(xué)得主動，理解深刻而全面，能夠?qū)崿F(xiàn)通過獲取知識、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)的“知識、能力、素質(zhì)”三位一體的根本教學(xué)目的。

三、結(jié)束語

電場與磁場的學(xué)習(xí)對于相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來說特別重要，對學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)和全面發(fā)展也有著重要意義，如果按照傳統(tǒng)模式，按部就班的學(xué)習(xí)，就不能更好地把這兩部分知識以及數(shù)學(xué)知識融會貫通起來，限制了學(xué)生的發(fā)展。所以將電場和磁場的概念、規(guī)律、定理公式進行類比，促進學(xué)生對物理學(xué)科核心概念的理解，也能夠使得學(xué)生在掌握理論知識的前提下，將該知識運用到實際生活當(dāng)中去。

參考文獻

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作者簡介：劉芷熒（1993-），性別：女，籍貫：遼寧省鐵嶺市，工作單位：廣州大學(xué)松田學(xué)院，學(xué)歷：大學(xué)本科，職稱：無，研究方向：大學(xué)物理教學(xué)。

蔣櫻（1984-），性別：女，籍貫：河南省淮陽縣，工作單位：廣州大學(xué)松田學(xué)院，學(xué)歷：本科，職稱：無，研究方向：高校管理。