淺談電磁場電磁波教學(xué)中的幾個問題

1、淺談電磁場電磁波教學(xué)中的幾個問題江蘇省蘇州市第一中學(xué)校物理組 （215006） 彭兆光電磁場理論是英國物理學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，從理論上進行了概括、總結(jié)和推廣，而建立起來的完整的、科學(xué)的理論體系但理論內(nèi)容比較抽象，在高中階段只能要求學(xué)生對電磁理論有一個初步的、定性的了解，而不要求進行較深刻的闡述因此，教學(xué)中如何講授才能做到既通俗、簡明、科學(xué)，又能把握好知識的深廣度，使學(xué)生便于理解和接受，自然就成為教學(xué)研究的一個重要課題本文只對教學(xué)中遇到的幾個問題，進行初步探討，僅供讀者參考 一、關(guān)于“變化的磁場產(chǎn)生電場”的教學(xué)探索 電磁場理論要點之一，變化的磁場產(chǎn)生電場，是麥克斯韋用場的觀點

2、研究了宏觀電磁感應(yīng)現(xiàn)象后，揭示出來的本質(zhì)內(nèi)涵，變化的磁場和電場的聯(lián)系在教學(xué)中要緊密結(jié)合學(xué)生已掌握的電磁感應(yīng)知識，充分挖掘示意圖的教學(xué)功能，示意圖既反映了規(guī)律的方向性關(guān)系，又反映了規(guī)律的半定量關(guān)系，示意圖是形象化了的場方程，具體講述分三步進行：i (E)圖1圖2 在變化的磁場中放一個閉合電路，電路里將會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流當(dāng)磁場增強時，根據(jù)楞次定律可知：感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向與反向，阻礙磁通量的增加，感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向，如圖所示 用場的觀點分析，可認(rèn)為電路里能產(chǎn)生感應(yīng)電流，是因為變化的磁場產(chǎn)生了一個電場，這個電場驅(qū)使導(dǎo)體中的自由電荷定向移動，產(chǎn)生了感應(yīng)電流 麥克斯韋進一步把這種用場來

3、描述電磁感應(yīng)現(xiàn)象的觀點，推廣到不存在閉合電路的情況他認(rèn)為，變化的磁場產(chǎn)生電場，是一種普遍的現(xiàn)象，跟閉合電路是否存在無關(guān)（如圖所示） 值得說明是：（1）變化的磁場產(chǎn)生的電場與靜電場不同，其電場線是閉合曲線，很像水的渦旋，故又叫做渦旋電場（）由電磁感應(yīng)定律：可知，磁感強度的變化率愈大，電路中產(chǎn)生的電場愈強（E 式中r為圓形電路的半徑）由楞次定律還可以得出磁感應(yīng)強度B和電場強度E相互垂直這是一個普遍性的結(jié)論，明確這一點，不會增加學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，只會給今后更高層次的學(xué)習(xí)奠定一定的基礎(chǔ) 二、關(guān)于“變化的電場產(chǎn)生磁場”的教學(xué)探索 電磁場理論要點之二，變化的電場產(chǎn)生磁場，是麥克斯韋引入位移電流而得出變化的電場和磁

4、場之間聯(lián)系的，是麥克斯韋對電磁場理論的最主要的貢獻現(xiàn)行教材全日制普通高級中學(xué)教科書（必修加選修）物理第二冊241頁在介紹麥克斯韋電磁場理論要點二時敘述道：“一個靜止的電荷，它產(chǎn)生的是靜電場，即空間各點的電場強度不隨時間而改變這個電荷一旦運動起來，電場就發(fā)生變化另一方面，運動電荷要產(chǎn)生磁場，用場的觀點來分析這個問題，就可以說：這個磁場是由變化的電場產(chǎn)生的”筆者認(rèn)為，這里用運動電荷產(chǎn)生磁場為例來說明電磁場理論的第二個要點是欠妥的，有必要對這個例子做進一步的分析我們知道傳導(dǎo)電流（由電荷運動引起）能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場，變化的電場（或“位移電流”）也能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場也就是說，產(chǎn)生磁場的途徑有兩種

5、：電流（傳導(dǎo)電流）或者變化的電場（或叫做“位移電流”）課本中的這個例子所講的“運動電荷要產(chǎn)生磁場，可以從兩個層次來理解 1把“運動電荷要產(chǎn)生磁場理解為電荷運動形成電流（傳導(dǎo)電流），這個電流要產(chǎn)生磁場，這是中學(xué)生所能理解的層次按照這種理解，這個磁場是由傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的，而不是由“位移電流”產(chǎn)生的，即不是由變化的電場產(chǎn)生的課本的論斷是錯誤的 2從較高的層次來理解“運動電荷要產(chǎn)生磁場這句話電荷的運動是任意的，由于既有速度，又有加速度，這個電荷產(chǎn)生的電場和磁場是非常復(fù)雜的，要用電動力學(xué)的方法才能處理，一般中學(xué)生不可能理解到這一層次，而且這時在運動電荷產(chǎn)生的磁場中，既有由變化的電場產(chǎn)生的，也有由傳導(dǎo)電流產(chǎn)

6、生的，到底哪一部分主要，要視電荷的運動情況及觀測點的位置而定在電荷附近（近場區(qū)）磁場主要由傳導(dǎo)電流產(chǎn)生，所以不能簡單地認(rèn)為“這個磁場是由變化的電場產(chǎn)生的” ii圖3如何在中學(xué)簡明、形象地講述電磁場理論的第二個要點，確實是教學(xué)中的一個難點困難的原因主要在于：第一，雖然電場的變化率可以達到很大（電場變化得很快），但產(chǎn)生的磁場卻很微弱，一般中學(xué)實驗條件下是無法測出來的，難以用實驗手段直接驗證第二，在以往的教學(xué)中，我們都是根據(jù)課本的思路講述的但教學(xué)反饋的信息表明，由于缺乏場的觀念，缺乏對稱性的觀念，學(xué)生對變化的電場產(chǎn)生磁場這個觀點總是半信半疑，而我們又找不到形象、簡明易懂的例子來闡述，教學(xué)效果總是不夠

7、理想怎樣才能突破這一教學(xué)難點呢？聯(lián)想到傳導(dǎo)電流和位移電流的磁效應(yīng)是相同的，LC振蕩電路中自由電荷定向移動形成振蕩電流，實質(zhì)是自由電荷受電場力推動的必然結(jié)果在此觀點的啟發(fā)下，我們采取如下的教學(xué)方案，具體思路分三步講述： 在LC振蕩電路中，當(dāng)電容器充放電的時候，電路中有周期性變化的電流（振蕩電流），用場的觀點分析，電路中有振蕩電流是由于電路中存在變化的電場，在這個變化電場的驅(qū)使下，導(dǎo)體中自由電荷定向移動產(chǎn)生了振蕩電流 ii圖4 另一方面，導(dǎo)體中的振蕩電流在空間產(chǎn)生磁場用場的觀點分析這個問題，可認(rèn)為變化的電場產(chǎn)生磁場，如圖所示 理論研究表明，這種用場來研究電磁振蕩現(xiàn)象的觀點可推廣到不存在導(dǎo)體和變化電

8、流的情況可以認(rèn)為，變化的電場產(chǎn)生磁場是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟是否存在導(dǎo)體和變化的電流無關(guān)例如，在LC振蕩電路中，電容器充放電時，不僅導(dǎo)體中的振蕩電流產(chǎn)生磁場，而且在電容器兩極板間周期性變化著的電場（位移電流）也產(chǎn)生磁場，且E和B的方向遵守右手螺旋關(guān)系，即E和B相互垂直，（值得一提的是課本第二冊241頁圖187中B的方向畫反了）如圖所示這就是麥克斯韋當(dāng)時根據(jù)電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的相似和聯(lián)系，從理論上預(yù)言的電磁場理論的第二個要點 綜上所述，任何隨時間而變化的電場，都要在鄰近空間激發(fā)磁場，因而變化的電場總是和磁場的存在相聯(lián)系。一般說來，隨時間變化的電場也是時間的函數(shù)，因而它所激發(fā)的磁場也隨時間變化。故充滿

9、變化電場的空間，同時也充滿變化的磁場，二者互為因果，形成電磁場。這說明變化的電場與變化的磁場并不是兩個可分離的實體，而是由它們形成了一個統(tǒng)一的物理實體。所以電與磁的交互作用不能說是分開的過程，僅能說是電磁交互作用的兩種形態(tài)。在電場和磁場之間存在著最緊密的聯(lián)系，不僅磁場的任何變化伴隨著電場的出現(xiàn)，而且電場的任何變化也伴隨著磁場的出現(xiàn)。所以在電磁場內(nèi)，電場可以不因為電荷而存在，而由于磁場的變化而產(chǎn)生，磁場也可以不是由于電流的存在而存在，而是由于電場變化所產(chǎn)生。因此，交變電磁場可以存在于這樣的空間范圍內(nèi)，該處既沒有電荷，也沒有電流，而且也沒有任何物體。電場與磁場之間的聯(lián)系，不僅使電磁場在沒有電荷和電

10、流時能夠存在，而且使這個場能夠在空間傳播。交變電場在相鄰空間范圍內(nèi)激勵起交變磁場，交變磁場又在毗鄰的空間范圍內(nèi)激勵起交變電場，交變的電磁場就是這樣在空間傳播。交變電磁場可以不通過導(dǎo)體而在空間傳播，人們就利用這個特點進行無線電通信。 三、關(guān)于“電磁波圖象中的電場強度矢量E和磁感應(yīng)強度矢量B總是同步變化且相互垂直”的教學(xué)探討關(guān)于電磁波的圖象，一些優(yōu)秀學(xué)生總是對電場強度矢量E和磁感應(yīng)強度矢量B同步變化感到不理解，甚至認(rèn)為是錯誤的。他們的理由是：1按照法拉第電磁感應(yīng)定律如果在按正弦規(guī)律變化的磁場中放一個閉合電路，電路中要產(chǎn)生按余弦規(guī)律變化的交流電，也就是當(dāng)磁感強度B達到最大值時，穿過該電路的磁通量最大

11、，磁通量的變化率最?。榱悖?，感應(yīng)電動勢為零，感應(yīng)電流為零，那么導(dǎo)體中的電場強度E也應(yīng)為零。為什么會最大呢？2按照LC回路中電磁振蕩的規(guī)律如果磁感強度B達到最大值時，磁場能最大，電場能為零，那么電場強度E也應(yīng)為零。為什么會最大呢？在中學(xué)階段要回答以上問題，首先要說明1問中“感應(yīng)電流為零時，電場強度也應(yīng)為零”這一結(jié)論是錯誤的。因為按照法拉第電磁感應(yīng)定律如果在按正弦規(guī)律變化的磁場中放一個閉合電路，那么電路中要產(chǎn)生按余弦規(guī)律變化的交流電，即電路中的自由電子要做簡諧振動，回復(fù)力是由電場力提供的。當(dāng)B最大時，B的變化率為零，這時電路中的電流為零，自由電子的定向運動速度為零，這時自由電子的加速度最大，故自

12、由電子受到的電場力最大，電路中的電場強度E最大。當(dāng)B為零時，B的變化率最大，這時電路中的電流最大，單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量最多，即自由電子定向運動的速度最大，這時自由電子的加速度為零，自由電子受到的電場力為零，電路中的電場強度E為零。所以“感應(yīng)電流為零時，電場強度也應(yīng)為零” 這一結(jié)論是錯誤的。按照麥克斯韋電磁場理論，磁場周圍如果沒有閉合電路，就沒有電流，但是電場仍然存在且電場的變化規(guī)律和有電路時完全一樣。故電磁波圖象中的電場強度矢量E和磁感應(yīng)強度矢量B總是同步變化的，且B和E也是相互垂直的（前面已說明）。其次2問中LC回路電磁振蕩的規(guī)律如果線圈中磁感強度B達到最大值時，磁場能最大，那么電容器中的電場能為零，電場強度E為零，這一結(jié)論是正確的。但是這里的磁感強度B是線圈中的，電場強度E是電容器中的。按照麥克斯韋電磁場理論當(dāng)電容器里的電場強度E最大時電容器周圍的