場(chǎng)源與場(chǎng)和力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系在電磁學(xué)學(xué)習(xí)中的作用優(yōu)秀獲獎(jiǎng)科研論文

1、場(chǎng)源與場(chǎng)和力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系在電磁學(xué)學(xué)習(xí)中的作用優(yōu)秀獲獎(jiǎng)科研論文 摘 要：為了能更好地掌握電磁學(xué)中場(chǎng)的概念、性質(zhì)和荷電粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在學(xué)習(xí)中應(yīng)注意電磁中的“場(chǎng)源”與“場(chǎng)”的關(guān)系以及“力”與“運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系，這兩個(gè)基本關(guān)系有助于我們更系統(tǒng)地理解電磁學(xué)中的基本概念和理論，更全面地認(rèn)識(shí)電磁學(xué)和力學(xué)等學(xué)科之間的聯(lián)系。 關(guān)鍵詞：場(chǎng)源 場(chǎng) 力 運(yùn)動(dòng) 功 能量 由于已經(jīng)習(xí)慣了力學(xué)所描述的質(zhì)點(diǎn)等研究對(duì)象在力的作用下隨時(shí)間和空間運(yùn)動(dòng)的物理圖像，學(xué)生在剛開(kāi)始學(xué)習(xí)電磁學(xué)，特別是電場(chǎng)和磁場(chǎng)部分的內(nèi)容時(shí)，總感覺(jué)抓不住重點(diǎn)，物理圖像也顯得模糊，甚至混亂。在隨后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)深入思考，并在與教師和同學(xué)的交流中強(qiáng)化對(duì)電磁學(xué)

2、中的一些基本關(guān)系的認(rèn)識(shí)，可不斷深化對(duì)理論的理解，并有助于認(rèn)清電磁學(xué)與其他學(xué)科之間的關(guān)系。 一、“場(chǎng)源”與“場(chǎng)”的關(guān)系 理解“場(chǎng)源”與“場(chǎng)”之間的關(guān)系，可使我們更深入地認(rèn)識(shí)靜止的電荷與靜電場(chǎng)、穩(wěn)恒的電流與靜磁場(chǎng)、場(chǎng)與路以及變化的場(chǎng)作為場(chǎng)源時(shí)與其產(chǎn)生的場(chǎng)之間的種種必然關(guān)聯(lián)性。 1.靜止的或穩(wěn)恒的“場(chǎng)源”與“場(chǎng)” 通過(guò)實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，靜止電荷之間或穩(wěn)恒電流之間相互作用時(shí)，其間的作用力與它們之間是否存在介質(zhì)以及介質(zhì)的種類有關(guān)。而在理論方面，正如牛頓等人所認(rèn)為的那樣，不需要經(jīng)歷時(shí)間、超越空間而直接發(fā)生的超距作用總會(huì)讓人覺(jué)得難以理解。如果認(rèn)為靜止電荷或穩(wěn)恒電流這些“場(chǎng)源”是通過(guò)激發(fā)其周圍的某種媒介，即電場(chǎng)或磁

3、場(chǎng)等“場(chǎng)”而發(fā)生的相互作用，則上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到解釋，而理論上的不自洽也可得以消除。為了形象化地描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)放入其中的電荷和電流具有力的作用這種性質(zhì)，理論上可引入電場(chǎng)線或磁感線的概念。當(dāng)然，電場(chǎng)線或磁感線并不是電場(chǎng)和磁場(chǎng)本身，也不能據(jù)此證明“場(chǎng)”是真實(shí)存在的東西。 為了描述“場(chǎng)源”之間的相互作用，只要給出由它們激發(fā)出來(lái)的場(chǎng)的性質(zhì)即可。例如，為描述兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷1和點(diǎn)電荷2之間的相互作用，我們可先由電場(chǎng)強(qiáng)度的定義確定點(diǎn)電荷1在點(diǎn)電荷2處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的大小和方向。為此，要用庫(kù)侖定律求出場(chǎng)強(qiáng)，并進(jìn)一步利用場(chǎng)強(qiáng)和電荷求得它們之間的相互作用力。顯然，這樣做的結(jié)果是：在邏輯上轉(zhuǎn)了一圈，在形式上又回到了

4、庫(kù)侖定律所給出的兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的作用力公式上。在穩(wěn)恒電流和其激發(fā)的靜磁場(chǎng)部分也可發(fā)現(xiàn)類似的討論。因而，在靜止電荷和穩(wěn)恒電流的情況下，“場(chǎng)”概念的引入主要是描述“場(chǎng)源”之間相互作用的一種方法，而場(chǎng)本身的真實(shí)性并沒(méi)有得到直接體現(xiàn)。 2.“場(chǎng)”與“路” 在恒定電流和通常頻率的交流電路中，我們一般只需研究電壓、電流和電阻等與電路相關(guān)的物理量，就可研究系統(tǒng)中電磁能量的傳輸以及電磁能量與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)化問(wèn)題。實(shí)際上，由于電荷和電流與其激發(fā)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間存在著確定的制約關(guān)系，這些問(wèn)題不但可以用電路相關(guān)的量描述，同樣也可以用場(chǎng)的語(yǔ)言來(lái)描述?？梢?jiàn)，相關(guān)描述會(huì)出現(xiàn)在我們今后對(duì)電磁理論的學(xué)習(xí)中。 3.變化的

5、場(chǎng)作為“場(chǎng)源”與“場(chǎng)” “場(chǎng)源”激發(fā)了“場(chǎng)”，但“場(chǎng)”未必只有電荷、電流這些通常的“場(chǎng)源”才能激發(fā)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知：“變化的磁場(chǎng)”也可激發(fā)電場(chǎng)。麥克斯韋于是大膽地猜想：“如果電場(chǎng)和磁場(chǎng)具有對(duì)稱性，也許變化的電場(chǎng)還能激發(fā)磁場(chǎng)。”如果是這樣，“變化的電場(chǎng)”和“變化的磁場(chǎng)”也分別是磁場(chǎng)和電場(chǎng)的“場(chǎng)源”，且可相互激發(fā)。當(dāng)其中一種場(chǎng)呈周期性的變化，它就會(huì)在空間上引起周期性變化的另一種場(chǎng)，而第二種周期性變化的場(chǎng)又會(huì)引起新的周期性變化的第一種場(chǎng)這樣，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)交替激發(fā)，由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播，就可形成在空間傳播的電磁場(chǎng)，即電磁波。赫茲實(shí)驗(yàn)最終證實(shí)了電磁波的存在，證實(shí)了電場(chǎng)和磁場(chǎng)是客觀存

6、在的，而不僅僅是描述電荷之間和電流之間相互作用的一種方式。 二、“力”與“運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系 “場(chǎng)源”與“場(chǎng)”的關(guān)系主要討論了“由已知的場(chǎng)源如何確定其周圍產(chǎn)生的場(chǎng)的問(wèn)題”。如果場(chǎng)的分布知道了，就可進(jìn)一步討論其中的電荷或電流的受力情況和運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。在電磁學(xué)中，討論“力”與“運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系可使我們更深入地理解電荷或電流之間的相互作用，電勢(shì)能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化以及不同現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)等。 1.電磁學(xué)中的“力學(xué)”問(wèn)題 “力”與“運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系問(wèn)題并不是力學(xué)研究的專利，也是電磁學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。如果場(chǎng)的分布知道了，則電荷或電流的受力情況就確定了。這樣，就可適當(dāng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律來(lái)研究電荷或電流的運(yùn)動(dòng)情況了。因而，帶電體在

7、電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題可視為對(duì)力學(xué)問(wèn)題的擴(kuò)展。但在進(jìn)行受力分析時(shí)，除了要考慮力學(xué)中常見(jiàn)的重力、彈力和摩擦力外，還應(yīng)想到電場(chǎng)力或磁場(chǎng)力。對(duì)于電子、質(zhì)子和粒子等微觀粒子，由于其所受的重力遠(yuǎn)小于所受的電場(chǎng)力或磁場(chǎng)力，一般不考慮重力作用；而對(duì)于帶電小球、塵埃和液滴等帶電顆粒及通電導(dǎo)線等，它們所受的重力與所受的電場(chǎng)力或磁場(chǎng)力在大小上可以相比擬，這時(shí)就要考慮重力。根據(jù)受力情況和初始條件，利用牛頓第二定律可以確定物體的運(yùn)動(dòng)情況，而不同過(guò)程之間的“銜接”也常常成為研究較為復(fù)雜過(guò)程的關(guān)鍵。當(dāng)然，在某些特殊情況下也可根據(jù)研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)推測(cè)其受力的情況。比如，慣性系中處于靜止?fàn)顟B(tài)或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體一定受平

8、衡力的作用。 2.電磁學(xué)中“功和能”問(wèn)題 我們知道，由“力”與“運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系，還可以得到力的空間積累效應(yīng)（功）與系統(tǒng)動(dòng)能或勢(shì)能（能）的關(guān)系。在研究帶電粒子在重力場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題時(shí)，由于受所學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)的限制，我們利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律主要能處理的是瞬時(shí)和勻變速運(yùn)動(dòng)等簡(jiǎn)單問(wèn)題。對(duì)于大小和方向都隨時(shí)間變化的力的作用下的物體運(yùn)動(dòng)，我們則無(wú)法直接運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律來(lái)求解。考慮到力的空間積累效應(yīng)是對(duì)物體所做的功，而功是物體能量變化的量度，因此，有時(shí)候我們也可避開(kāi)物體運(yùn)動(dòng)變化的細(xì)節(jié)，直接運(yùn)用與牛頓運(yùn)動(dòng)定律相關(guān)的動(dòng)能定理來(lái)討論問(wèn)題，或許會(huì)更為方便。在運(yùn)用動(dòng)能定理時(shí)，電場(chǎng)力與重力類似，其做功只與初末位

9、置有關(guān)，而與路徑無(wú)關(guān)。洛倫茲力則由于與運(yùn)動(dòng)方向垂直，并不做功。 3.電磁現(xiàn)象與其他物理現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián) 力學(xué)中，由動(dòng)能定理和保守力做功等于勢(shì)能的減小，可得出機(jī)械能守恒定律，由此可進(jìn)一步推廣得到普遍的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。從能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的觀點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)物理過(guò)程，有助于我們認(rèn)清電磁現(xiàn)象與力學(xué)等不同物理現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)。例如，在恒定電流和交變電流電路問(wèn)題中，既涉及電荷在電路中定向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，也涉及能量的傳遞和轉(zhuǎn)化過(guò)程。由于能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在物理過(guò)程中的普遍性，我們應(yīng)認(rèn)識(shí)到：能量的不同形式實(shí)際上對(duì)應(yīng)著同一種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的不同狀態(tài)或不同物質(zhì)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。比如，在水利發(fā)電中，通過(guò)水與水輪機(jī)的作用，水的機(jī)械能首先轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)的機(jī)械能；通過(guò)電磁感應(yīng)，水輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電路中電荷系統(tǒng)的電磁能（電能）；通過(guò)電場(chǎng)力做功，進(jìn)一步將電能轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能等。在各種形式能量的轉(zhuǎn)化