張輝平

高中物理學中有些物理量概念性很強，相互之間又有著潛在聯(lián)系，學生經(jīng)過新授課的學習后依然對這類知識點感覺吃力。這些綜合性強、概念性強而且十分抽象的物理知識點，往往是高中物理學的難點和重點。比如，高中物理中的“電磁場論”。對于“場”這種物質(zhì)，我們即使將它放大一百億倍，甚至更大，你也不可能觀測到它們?nèi)魏蔚膬?nèi)部構(gòu)造，無論如何我們也不會看到“場”這種物質(zhì)任何內(nèi)部特征。學生對靜電場、渦旋電場的區(qū)別與聯(lián)系，還有電場與磁場及“電磁場”的關聯(lián)似懂非懂，感到很無助。對高中物理“電磁場論”的學習進行了探討。

高中物理“電磁場論”恒定電場靜電場為了讓學生們更好地找到學習物理的興趣，筆者對高中物理的“電磁場論”做一個簡單的總結(jié)，讓學生們找到“電磁場論”中本質(zhì)上起主要作用的因素，在此基礎上優(yōu)化學習抽象的物理量并加以概括。

一、靜電場

19世紀30年代，法拉第提出一種觀點，認為在電荷的周圍存在著有它產(chǎn)生的電場，處在電場中的其他電荷受到的作用力就是這個電場給予的。

靜電場是由靜止電荷在其周圍空間激發(fā)的電場。該靜止電荷被稱為場源電荷，簡稱為源電荷。靜電場是在電荷周圍存在的一種特殊的物質(zhì)，看不見摸不著，并非由分子、原子組成，但客觀存在。電荷與電荷之間的力的作用通過電場來實現(xiàn)。

靜電場的電場線起始于正電荷或無窮遠，終止于無窮遠或負電荷。靜電場的電場線方向和場源電荷有著密切的關系。當場源電荷為正電荷時，該電場的電場線成發(fā)散狀；當場源電荷為負電荷時，該電場的電場線成收斂狀。其電場力移動電荷做功具有與路徑無關的特點。用電勢差描述電場的能的性質(zhì)，或用等勢面形象地說明電場的電勢分布。

二、恒定電場

導線中的電場是恒定電場，不是靜電場。恒定電場是閉合回路中電源兩極上帶的電荷和導線和其他電學元件上堆積的電荷共同激發(fā)而形成的，其特點是電場線處處沿著導體方向，由于電荷的分布是穩(wěn)定的（即達到動平衡狀態(tài)），由這種穩(wěn)定分布的電荷形成的電場稱為恒定電場。導線內(nèi)的電場是在接通電源后的極短時間內(nèi)（以光速C）完成的。

恒定電場是自由電荷在導體中定向移動的原因。由于在恒定電場中，任何位置的電荷分布和電場強度都不隨時間變化，所以它的基本性質(zhì)與靜電場相同，因此會對處在其中的電荷有力的作用，也就會推動自由電荷發(fā)生定向移動形成電流，但自由電荷不會一直加速，會不斷的與不動的粒子發(fā)生頻發(fā)的碰撞（形成電阻的微觀本質(zhì)）受到不動的粒子對他運動的阻礙作用，自由電荷做的是平均勻速率不變的運動。

在靜電場中所講的電勢、電勢差及其與電場強度的關系等，在恒定電場中同樣適用。

三、渦旋電場

實驗表明，磁場變化時線圈產(chǎn)生的感應電動勢與導體的種類、形狀、性質(zhì)和構(gòu)成均無關，是由磁場本身的變化引起的。因此麥克斯韋提出了“變化的磁場會在其周圍的空間激發(fā)一種電場，正是這種電場使得閉合回路中產(chǎn)生了感應電動勢和感生電流”的理論，并將這種電場稱為渦旋電場。

隨時間變化的磁場在其周圍空間激發(fā)的電場稱為感應電場，由于這種電場具有渦旋性,所以又稱為渦旋電場。渦旋電場是一種非保守場，其電場線是無始無終的閉合曲線，沒有起點、終點。閉合的電場線包圍變化的磁場。

現(xiàn)行中學物理教學大綱對“渦旋電場”不作要求，但教材中卻有多處涉及“渦旋電場”：如在電磁感應現(xiàn)象中，為了對電磁感應現(xiàn)象有更深入的理解，根據(jù)磁通量變化原因不同，把感應電動勢分為動生電動勢與感生電動勢，同時針對感生電動勢，引人了渦旋電場的概念。

總之，渦旋電場與靜電場有著明顯的區(qū)別，靜電場是有源無旋場，電荷是場源；渦旋電場是無源有旋場。學生在學習高中物理遇到了三種電場：一種是由電荷激發(fā)的靜電場，一種是閉合回路中電源兩極上帶的電荷和導線和其他電學元件上堆積的電荷共同激發(fā)而形成的恒定電場，最后一種是由變化的磁場在其周圍激發(fā)的電場為感應電場，即渦旋電場。

四、磁場

磁場是電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)，一種看不見，而又摸不著的特殊物質(zhì)。磁鐵周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或電場的變化而產(chǎn)生的。

磁場的基本特征是能對其中的運動電荷施加作用力，磁場對電流、對磁體的作用力或力矩皆源于此。與電場相仿，磁場是在一定空間區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布的矢量場，描述磁場的基本物理量是磁感應強度矢量B，也可以用磁感線形象地圖示。然而，作為一個矢量場，磁場的性質(zhì)與電場頗為不同。運動電荷或變化電場產(chǎn)生的磁場，或兩者之和的總磁場，都是無源有旋的矢量場，磁力線是閉合的曲線族，不中斷，不交叉。換言之，在磁場中不存在發(fā)出磁力線的源頭，也不存在會聚磁力線的尾閭，磁力線閉合表明沿磁力線的環(huán)路積分不為零，即磁場是有旋場而不是勢場（保守場），不存在類似于電勢那樣的標量函數(shù)。

五、電磁場

1820年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)在通電的導體周圍存在著磁場，從而知道了電和磁相互依存的關系。電場、磁場是性質(zhì)不同的兩個場，電場是電荷存在于空間的證據(jù)，是電荷對空間的影響；磁場是電荷加速于空間的證據(jù)，是電流對空間的影響。但它們像一對孿生兄弟，經(jīng)常形影不離，相互依存。若電荷靜止則只有電場，若只有一個磁體，其磁場不隨時間變化，則只有磁場。變化的電場產(chǎn)生磁場,靜電場不能產(chǎn)生磁場；變化的磁場產(chǎn)生電場，靜止的磁場不能產(chǎn)生電場。

時變電磁場與靜態(tài)的電場和磁場有顯著的差別，出現(xiàn)一些由于時變而產(chǎn)生的效應。變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，電磁波是電磁場的一種運動形態(tài)。然而，在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部反回原振蕩電路。于是，電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去。

1864年，英國科學家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象的基礎上，建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導出電磁波與光具有同樣的傳播速度。1887年，德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。電磁波以有限的速度傳播，具有可交換的能量和動量，電磁波與實物的相互作用，電磁波與粒子的相互轉(zhuǎn)化，等等，都證明電磁場是客觀存在的物質(zhì)，它的“特殊”只在于沒有靜質(zhì)量。