陳亞琦[1]，姚敏

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從物理學(xué)史看電磁感應(yīng)定律

陳亞琦[1]，姚敏

（湘南學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 郴州 423000）

從物理學(xué)史的角度，詳細(xì)分析電磁感應(yīng)規(guī)律形成的物理思維過程，引導(dǎo)學(xué)生挖掘科學(xué)的思想和方法，使學(xué)生潛移默化地受到感染，逐步掌握物理思想和物理方法，建立正確的思維過程．同時，對電磁感應(yīng)定律也有更深層次地理解．

電磁感應(yīng)定律；物理思想；定量表述；物理學(xué)史

電磁感應(yīng)定律是大學(xué)物理電磁學(xué)部分的核心內(nèi)容，它深刻揭示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系[1-3]．學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理電磁學(xué)部分時，由于在中學(xué)打下了一定基礎(chǔ)，對教材中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象、電磁感應(yīng)規(guī)律都比較熟悉．因此，在講授大學(xué)物理中的電磁感應(yīng)定律時，學(xué)生有點掉以輕心，但在應(yīng)用電磁感應(yīng)定律解決實際問題時，學(xué)生又感到力不從心，這表明學(xué)生對電磁感應(yīng)定律的內(nèi)涵和外延理解不透切．本文將從物理學(xué)史的角度來分析電磁感應(yīng)定律形成的物理思維過程，這不僅可以讓學(xué)生全面了解電磁感應(yīng)定律的發(fā)展歷程，開拓眼界，還可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力和創(chuàng)新能力[4-6]．

1 借助直覺思維，實現(xiàn)新的突破

1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，這一重大發(fā)現(xiàn)第一次揭示了電與磁的聯(lián)系，突破了長期以來電與磁互不相干的僵固觀念．

電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時的科學(xué)界掀起了巨大浪潮，憑借直覺思維，人們認(rèn)為電能生磁，那么磁應(yīng)該也能生電．1821年，法拉第通過觀察磁鐵之間的相互作用，電流與電流之間的作用等一系列電磁現(xiàn)象，經(jīng)類比分析，猜測：既然磁鐵可以使近旁的鐵塊感應(yīng)具有磁性，電荷可以使近旁的導(dǎo)體感應(yīng)帶有電荷，那么電流也應(yīng)當(dāng)可以使近旁的線圈因感應(yīng)而生出電流．

1822年，法拉第在他的日記中寫下了“磁能生電”的思想印記，并在這一思想的堅持下開始了漫長的探索．1824年，英國物理學(xué)家法拉第把強磁鐵放在線圈內(nèi)，在線圈附近放小磁針，結(jié)果小磁針并不偏轉(zhuǎn)，表明線圈并未因其中放了強磁鐵而產(chǎn)生感應(yīng)電流．

1825年，法拉第把導(dǎo)線回路放在另一通以強電流的回路附近，期望在導(dǎo)線回路中能感應(yīng)出電流，但沒有任何結(jié)果．

1828年，法拉第又設(shè)計了專門的裝置，使導(dǎo)線回路和磁鐵處于不同位置，仍然未見導(dǎo)線回路中產(chǎn)生電流．

在這一段時間里，法國物理學(xué)家安培、美國科學(xué)家亨利等人也都曾做過一些嘗試，但都沒有結(jié)果．

圖1 電磁感應(yīng)實驗裝置——軟鐵環(huán)

2 抓住本質(zhì)形象，建立電磁感應(yīng)規(guī)律

法拉第是一位有深刻物理思想的實驗物理學(xué)家．在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律后，他緊接著做了幾十個電磁感應(yīng)實驗，并把產(chǎn)生感應(yīng)電流實驗的情形歸納為5類：變化著的電流、運動的恒定電流、變化的磁場、運動的磁鐵和在磁場中運動的導(dǎo)體．并對這一系列的電磁感應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析和研究，1832年，法拉第發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，不同的金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與導(dǎo)體的導(dǎo)電能力成正比．這表明，在一定條件下形成了一定的感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電流是由與導(dǎo)體性質(zhì)無關(guān)的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的，感應(yīng)電動勢是在各種情形下產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因．

變化的電流、運動的恒定電流、變化的磁場、運動的磁鐵和在磁場中運動的導(dǎo)體，這5種情形都可以產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使閉合導(dǎo)體中的自由電荷產(chǎn)生定向移動．法拉第認(rèn)為產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原因是磁鐵或電流能產(chǎn)生存在于物質(zhì)或空間中的張力狀態(tài)，這種狀態(tài)的出現(xiàn)、消失以及變化過程，均能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，法拉第把這種張力狀態(tài)稱為電緊張狀態(tài)．為直觀形象地描述電緊張狀態(tài)，法拉第憑借著他豐富的想象力，創(chuàng)造性地引入力線來描述電緊張狀態(tài)，他用力線的多寡描述電緊張狀態(tài)的強弱，用力線數(shù)量的增減描述電緊張狀態(tài)變化的程度．法拉第認(rèn)為力線是物質(zhì)的，充滿了整個空間，磁極之間的相互作用力是通過力線來傳遞的．力線的源不變，則力線分布不變；力線的源變化，則力線的圖案也相應(yīng)地改變．當(dāng)通過導(dǎo)體回路的磁力線數(shù)目發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，相應(yīng)就會有感應(yīng)電流．變化的電流、運動的恒定電流、變化的磁場、運動的磁鐵和在磁場中運動的導(dǎo)體，雖然不能使非閉合導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，但仍然可以產(chǎn)生感應(yīng)電動勢．

1851年，法拉第在《論磁力線》一文中指出：無論導(dǎo)線是垂直地還是傾斜地跨過磁力線，也無論它是沿某一方向或另一方向，該導(dǎo)線都把它所跨過的力線所表示的力匯總起來，形成電流的力，即感應(yīng)電動勢正比于導(dǎo)線所切割的磁力線數(shù)．

3 利用數(shù)學(xué)語言，抽象定量表達(dá)電磁感應(yīng)規(guī)律

1833年，俄國物理學(xué)家楞次指出，感應(yīng)電流使線圈受到的作用力與線圈在磁場中運動的方向相反．1845年，德國物理學(xué)家紐曼考慮2個載流線圈的相互作用：其一叫施感線圈，電流為，半徑為，施感線圈在運動；其二叫做被感線圈，電流，半徑為，被感線圈靜止．施感線圈中任意線元與被感線圈中任意線元之間的距離為．

由于施感線圈在運動，使兩線圈的相互作用能發(fā)生變化．紐曼認(rèn)為，被感線圈中的感應(yīng)電動勢應(yīng)與相互作用能的變化率成正比[8]．被感電流在施感電流激發(fā)的磁場中所具有的勢能（即兩載流線圈的相互作用能），等于把被感線圈從無限遠(yuǎn)處移近施感線圈磁場力所做的功．若被感線圈所處位置近似為均勻磁場，那么被感線圈的勢能為

把載流線圈從無限遠(yuǎn)處移入均勻磁場中（見圖2），磁場力所做的功等同于載流線圈從1位置移到2位置磁場力做的功．以線元為研究對象，其所受磁場力為，發(fā)生的位移為，所以．

圖2 被感線圈的勢能計算分析示意圖

根據(jù)紐曼的想法，被感線圈中的感應(yīng)電動勢，為了寫成等式時，兩邊的量綱相同，紐曼舍棄了數(shù)學(xué)推理中的非本質(zhì)屬性和特征（除去了右邊中的），抽出本質(zhì)屬性和特征（如感應(yīng)電流方向的判定），最后可以得出

這表明，由紐曼的物理思想所導(dǎo)出的電磁感應(yīng)規(guī)律的定量表達(dá)式實際上是把法拉第的想法（通過回路的磁力線根數(shù)變化時，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，引起感應(yīng)電流）具體化和定量化了，這種表述形式也是教科書中電磁感應(yīng)定律的定量表述形式．

4 結(jié)論

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，直覺思維可以指導(dǎo)物理實驗，突出主要矛盾．電磁感應(yīng)規(guī)律的建立過程中，物理學(xué)前輩憑借直覺思維堅持不懈地尋找“磁生電“現(xiàn)象．同時，物理學(xué)家又從多次失敗試驗中總結(jié)經(jīng)驗，不斷變換研究方法，終于突破思維局限，發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象是一種運動變化的暫態(tài)過程．歸納分析各種電磁感應(yīng)現(xiàn)象，從現(xiàn)象揭示本質(zhì)，法拉第創(chuàng)造性地引入力線的概念來描述磁鐵或電流周圍的電緊張狀態(tài)，提出電磁感應(yīng)現(xiàn)象更本質(zhì)的原因是力線數(shù)量的增減產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢．同時，物理學(xué)也是一門精確的定量科學(xué)，基于學(xué)生的物理基礎(chǔ)，從物理學(xué)史的角度詳細(xì)推導(dǎo)電磁感應(yīng)定律的定量表述式形成過程，這樣能讓學(xué)生更深層次地理解電磁感應(yīng)定律．

[1] 程守珠．普通物理學(xué)（上冊）[M]．６版．北京：高等教育出版社，2006：393-397

[2] 陳秉乾．電磁學(xué)專題研究[M]．北京：高等教育出版社，2004：60-106

[3] 弗·卡約里．物理學(xué)史[M]．戴念祖，譯．南寧：廣西師范大學(xué)出版社，2002

[4] 葛墨林．物理教學(xué)的思考[J]．大學(xué)物理，2013，32（9）：1-8

[5] 李玲．物理學(xué)史在大學(xué)物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J]．中國電力教育，2014（8）：122-123

[6] 張瑤，單長吉．物理學(xué)史對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的作用[J]．高師理科學(xué)刊，2010，30（6）：94-96

[7] 閻金鐸．物理思維論[M]．南寧：廣西教育出版社，1996

[8] 陳秉乾，王稼軍．電磁感應(yīng)定律的定量表達(dá)式是怎樣得出的？[J]．大學(xué)物理，1987（3）：31-34

Discussion on electromagnetic induction law from an historical perspective

CHEN Ya-qi，YAO Min

（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Xiangnan University，Chenzhou 423000）

Discusses on deeply electromagnetic induction law from an historical perspective to guide the students to dig up the scientific ideas and methods，and infect students subtly，gasp gradually the physical thought and physical methods，establish the correct thinking process．At the same time，have a deeper understanding for the law of electromagnetic induction.

electromagnetic induction law；physics thought；quantification；historical perspective

1007-9831（2016）02-0034-03

O441.3

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.02.010

2015-12-10

湖南省教育廳教改項目（湘教通[2015]291-487，湘教通[2012]401號）

陳亞琦（1980-），女，湖南衡陽人，講師，碩士，從事物理教學(xué)研究．E-mail：chenyaqi_0@163.com

姚敏（1963-），男，湖南邵陽人，教授，從事非線性光學(xué)研究．E-mail：369084915@qq.com