現(xiàn)行的高中物理教材對電磁場的物質(zhì)性作了簡要的介紹，講到了電場、磁場都是一種物質(zhì)，是統(tǒng)一的電磁場的不同表現(xiàn)方向，并可以相互轉(zhuǎn)化。但高中生對這一方面缺乏感性認識，無法較好地理解和掌握。筆者認為：如果在教學(xué)過程中對于電磁場的物質(zhì)性略加以深入介紹，學(xué)生不但能更好地掌握這部分內(nèi)容，而且對于很多電磁現(xiàn)象尤其是電磁感應(yīng)現(xiàn)象會有一個更全面、更簡明的了解。

我們知道：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，一個回路里產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其根本的原因是穿過回路的磁通量發(fā)生了變化。在高中物理教學(xué)中，根據(jù)感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的原因不同一般可歸納為以下兩種情形：

1.由回路邊界在磁場中運動而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為動生電動勢，如下圖一；

在上圖中的導(dǎo)體棒ab和線圈中產(chǎn)生了方向如箭頭所示的感應(yīng)電動勢，而且這兩種情形下所產(chǎn)生的電動勢與是否存在回路無關(guān)，即產(chǎn)生的實際上是感應(yīng)電場。既然這兩種情形同樣都能產(chǎn)生感應(yīng)電場，那么它們在本質(zhì)上是否也有聯(lián)系呢？筆者認為：如果考慮磁場的物質(zhì)性及運動的相對性，那么就局部參考系上的觀察者而言，無論動生電動勢還是感生電動勢的產(chǎn)生都是基于同樣的原因。接下來分別分析這兩種情形：

一、動生電動勢的產(chǎn)生

如圖一所示，當(dāng)導(dǎo)體棒ab在磁場中做切割磁感線的運動時，在ab上就會出現(xiàn)感應(yīng)電場，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。其原因可用狹義相對論解釋：當(dāng)在s系中存在電場E和磁場B時，那么在相對于s系以v運動的s′系中觀察時就能得到E′和B′，且滿足以下要求：

可見電磁場是一個統(tǒng)一體，而電場與磁場只是它表現(xiàn)出的不同側(cè)面，而且可以在時空轉(zhuǎn)換（即參考系變化）時相互轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)出完全不同的電場和磁場，動生電動勢的產(chǎn)生正是源于這種轉(zhuǎn)化。

其中當(dāng)v?塏c時，γ近似于1，根據(jù)上述圖一中情形就有：

E′=v×BB′=B（2）

所以當(dāng)導(dǎo)體棒所在參考系(即相對于導(dǎo)體棒靜止的參考系)s′系相對于磁場B所在系s系以速度v運動時，在s′系中觀察時就不但能觀察到磁場B′（B′=B），還能觀察到電場E′（即感應(yīng)電場）。

由此可知，一個磁場只在相對于它靜止的參考系（s系）中表現(xiàn)為磁場（只有B），而在其它參考系（s′系）中則表現(xiàn)為既有電場又有磁場（同時具有E′和B′）。

那么這一現(xiàn)象對于s′系中的觀察者該如何解釋呢？根據(jù)運動的相對性，磁場B是以-v的速度相對于s′系運動的。所以，在s′系中的觀察者認為同時觀察到的E′和B′正是由于磁場B以-v的速度相對于s′系運動引起的，而且由以上（2）式可知，在某點觀察到的B′與B同方向，E′和B′的方向和磁場B的相對運動速度-v的方向構(gòu)成右手螺所示。（詳見參考文獻）易知S的方向就是-v的方向。由于任何物質(zhì)（包括磁場）都含有能量，發(fā)生移動時就會產(chǎn)生S，因此，在s′系中的觀察者同時觀察到的E′和B′就說明他觀察到了磁場的相對運動，如圖四所示即為在s′可見，動生電動勢產(chǎn)生的原因可歸納為：

當(dāng)某一磁場對于某一觀察者發(fā)生相對運動時，觀察者就會同時觀察到磁場和感應(yīng)電場，由感應(yīng)電場進一步產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。

根據(jù)以上結(jié)論，運動的磁場在靜止的導(dǎo)體棒上也能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

二、感生電動勢的產(chǎn)生

如圖二所示，當(dāng)磁鐵相對于線圈運動時，線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其原因可由麥克斯韋方程組解釋。但實質(zhì)上，麥克斯韋方程組可作為狹義相對論的一個自然推論得到(詳見參考文獻附錄)。因此，感生電動勢的產(chǎn)生也應(yīng)可以用上面的結(jié)論來解釋。由于該證明比較復(fù)雜，此中不作具體介紹。以下只簡要說明一下感生電動勢的產(chǎn)生原因與動生電動勢產(chǎn)生的原因在本質(zhì)上的聯(lián)系：

圖二中感生電動勢是由于線圈內(nèi)的磁通量發(fā)生了變化，以磁通量增大為例，將出現(xiàn)圖中所示的感生電動勢。設(shè)想靜止于線圈上一段足夠短導(dǎo)體上的觀察者所觀察到的情形：根據(jù)楞次定律，他同時觀察到了如圖五所示的磁場和感應(yīng)電場，根據(jù)圖三所示方向關(guān)系，即有自外向內(nèi)的能流方向。

但如果考慮到磁場也是一種物質(zhì)，那么根據(jù)物質(zhì)和能量守恒定律，線圈內(nèi)磁場的增加和向內(nèi)的能流方向必然是由于外磁場進入線圈而引起的，也就是說磁場有相對于線圈向內(nèi)的運動。這與圖一中導(dǎo)體棒ab上的觀察者所得結(jié)果完全相同。此處，兩種感應(yīng)電動勢的成因就完全相同了，都是由于磁場相對于觀察者運動而引起的。由此可見，動生電動勢與感生電動勢的區(qū)分并不是絕對的，在一定的參考系變換下，兩者可以相互轉(zhuǎn)化。

但需要指出的是，由于不存在某一參考系可同時將線圈上所有點的感生電動勢轉(zhuǎn)化為動生電動勢，所以在全局參考系下，兩種電動勢還是有所不同的。（詳見參考文獻）

綜上所述，動生電動勢和感生電動勢的產(chǎn)生都是源于磁場相對于觀察者運動時所產(chǎn)生的感應(yīng)電場。根據(jù)電磁場理論的對稱性，當(dāng)電場相對于觀察者運動時，觀察者也能觀察到感應(yīng)磁場。

三、實際應(yīng)用

可能有讀者會覺得以上推導(dǎo)和結(jié)論對高中生而言過于復(fù)雜、難懂，不適合向?qū)W生傳授。的確，筆者也如此認為。但筆者認為并不需要讓學(xué)生掌握以上這所有推導(dǎo)和結(jié)論，我們要做的只是提醒學(xué)生：電場、磁場都是一種物質(zhì)，它們運動時會分別產(chǎn)生感應(yīng)磁場和感應(yīng)電場，并讓他們注意物質(zhì)和能量的守恒定律。筆者相信能力較強的學(xué)生能夠獨立完成對各種電磁現(xiàn)象的解釋。在這一過程中，學(xué)生既能加強對電磁場物質(zhì)性的認識，又能把高中物理中各種電磁現(xiàn)象串聯(lián)起來，一舉而多得。

參考文獻：

［1］郭碩鴻.電動力學(xué).高等教育出版社.

［2］瓦·侖德勒.相對論精義.科學(xué)出版社.