現(xiàn)行的高中物理教材中，對(duì)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(duì)這一方面感性認(rèn)識(shí)的缺乏，無法較好地理解和掌握。筆者認(rèn)為：如果在教學(xué)過程中對(duì)于電磁場的物質(zhì)性略加以深入介紹的話，學(xué)生不但能更好地掌握這部分內(nèi)容，而且對(duì)于很多電磁現(xiàn)象尤其是電磁感應(yīng)現(xiàn)象會(huì)有一個(gè)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，在一個(gè)回路里產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因不同一般可歸納于以下兩種情形：

1.由回路邊界在磁場中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，如下圖一。

2.由回路中磁感應(yīng)強(qiáng)度變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為感生電動(dòng)勢(shì)，如下圖二。

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(dòng)勢(shì)，而且這兩種情形下所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與是否存在回路無關(guān)，即產(chǎn)生的實(shí)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?cè)诒举|(zhì)上是否也有聯(lián)系呢？筆者認(rèn)為：如果考慮磁場的物質(zhì)性，以及運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，那么就局部參考系上的觀察者而言，無論動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)還是感生電動(dòng)勢(shì)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(dòng)生電動(dòng)勢(shì)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(yùn)動(dòng)時(shí)，在ab上就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電場，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其原因可由狹義相對(duì)論解釋：當(dāng)在s系中存在電場E和磁場B時(shí)，那么在相對(duì)于s系以v運(yùn)動(dòng)的s′系中觀察時(shí)就能得到E′和B′，且滿足以下要求：

E′=γ（E+v×B）E′=γ（B- v×E）（1）

可見電磁場是一個(gè)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(shí)空轉(zhuǎn)換（即參考系變化）時(shí)相互轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)出完全不同的電場和磁場，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生正是源于這種轉(zhuǎn)化。

其中當(dāng)v?塏c時(shí)，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(duì)于導(dǎo)體棒靜止的參考系)s′系相對(duì)于磁場B所在系s系以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，在s′系中觀察時(shí)就不但會(huì)觀察到磁場B′（B′=B），而且會(huì)觀察到電場E′（即感應(yīng)電場）。

由此可知，一個(gè)磁場只在相對(duì)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(shí)具有E′和B′）。

那么這一現(xiàn)象對(duì)于s′系中的觀察者該如何解釋呢？根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，磁場B是以-v的速度相對(duì)于s′系運(yùn)動(dòng)的。所以，在s′系中的觀察者認(rèn)為同時(shí)觀察到的E′和B′正是由于磁場B以-v的速度相對(duì)于s′系運(yùn)動(dòng)引起的，而且由以上（2）式可知，在某點(diǎn)觀察到的B′與B同方向，E′和B′的方向和磁場B的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度-v的方向構(gòu)成右手螺旋系。這一點(diǎn)也可用過該點(diǎn)的能流密度矢量S的方向來說明：能流密度矢量S的方向可由S= E×B來確定，如圖三所示（詳見參考文獻(xiàn)1）。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(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生S，因此，在s′系中的觀察者同時(shí)觀察到的E′和B′就說明他觀察到了磁場的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖四所示即為在s′系中的觀察者所觀察到的結(jié)果。

可見，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因也可歸納為：

當(dāng)某一磁場對(duì)于某一觀察者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者就會(huì)同時(shí)觀察到磁場和感應(yīng)電場，由感應(yīng)電場進(jìn)一步產(chǎn)生了

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

二、感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生

如圖二中，當(dāng)磁鐵相對(duì)于線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其原因可由麥克斯韋方程組解釋。但實(shí)質(zhì)上，麥克斯韋方程組可作為狹義相對(duì)論的一個(gè)自然推論得到(詳見參考文獻(xiàn)2附錄)。因此，感生電動(dòng)勢(shì)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，在此不作具體介紹。以下只簡要說明一下感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生原因與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因在本質(zhì)上的聯(lián)系：

圖二中感生電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)。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(shí)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。

綜上所述，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生都是源于磁場相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電場。根據(jù)電磁場理論的對(duì)稱性，當(dāng)電場相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者也能觀察到感應(yīng)磁場。

三、其它電磁現(xiàn)象

以上結(jié)論還可以應(yīng)用在其它電磁現(xiàn)象上，例如可用來解釋電流周圍磁場的成因：如圖六所示，當(dāng)導(dǎo)體棒中有豎直向下的電流時(shí)，實(shí)際上電子是在向上運(yùn)動(dòng)的?？紤]電子所攜帶的電場，在導(dǎo)體棒足夠長時(shí)，根據(jù)豎直方向上的對(duì)稱性，導(dǎo)體棒周圍就會(huì)形成垂直于導(dǎo)體棒并指向?qū)w棒的電場（暫不考慮正電荷所帶的電場）。當(dāng)電子向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，電場也隨之向上運(yùn)動(dòng)，形成向上的能流S，此時(shí)對(duì)于相對(duì)于導(dǎo)體棒靜止的我們來說，就能同時(shí)觀察到E′和B′了，其方向也可由圖三來確定。

筆者認(rèn)為教師并不需要讓學(xué)生掌握以上所有的推導(dǎo)和結(jié)論，要做的只是提醒學(xué)生：電場、磁場都是一種物質(zhì)，它們運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)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。在這一過程中，既能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電磁場物質(zhì)性的認(rèn)識(shí)，又能把高中物理中各種電磁現(xiàn)象串聯(lián)起來，一舉多得。

參考文獻(xiàn)：

［1］郭碩鴻.電動(dòng)力學(xué).高等教育出版社.

［2］瓦.侖德勒.相對(duì)論精義.科學(xué)出版社.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”