循着麦克斯韦的思路脉络感受对称之美——“电磁场的发现”的教学实践与反思

彭小华

（衢州华茂外国语学校 浙江 衢州 324000）

1 教学设计思想

教学目标：“电磁场的发现”的内容对学生的认知发展有着重要的意义，是对学生进行科学臻美思想教育的良好素材.通过本课内容的学习能使学生了解电磁场理论中所包涵的和谐、对称与统一的科学美，并在课堂的师生对话中，让学生受到科学方法的教育和物理思想的熏陶 .

学生已有的认知水平：电流的磁效应、电磁感应现象、电磁振荡现象等电磁学知识.

教学媒体：多媒体课件、电磁波发生器、小电珠（带接收天线）.

2 教学实践

2.1 对比典型的电磁现象 感受对称与统一之美

师：我们已经学习了三种典型的电磁现象，即电流的磁效应、电磁感应、电磁振荡，下面我们一起来回顾相关内容（开展师生对话）.

师：奥斯特实验反映了什么物理本质？

生：电生磁.

师：电磁感应实验又反映了什么物理本质呢？

生：磁生电.

师：电磁振荡现象又反映了什么呢？

生：反映了电和磁的相互联系.

以上3个现象说明了电现象和磁现象的内在对称性和统一性.课件展示图1.

图1

如果我们能够在物理学习的过程中感受美的存在，感受对称与统一之美，那也一定能理解为什么寻求对称与统一是物理美学的追求.而更令人感到惊喜的是，这种对美的追求往往会带来物理学上的重大发现.

英国物理学家麦克斯韦正是根据这种朴素的对称思想，应用类比的研究方法，将数学分析和实验验证相结合，在法拉第、汤姆孙等人研究的基础上建立了完整的电磁场理论，并预言了电磁波的存在.让我们从“电生磁”与“磁生电”现象的对称统一性出发，循着前人的思路脉络，思考电与磁在更高水平上的对称和统一.

2.2 引入科学史 模拟科学研究过程

师：如图2，在一变化的磁场中放入闭合线圈，线圈中将产生感应电流，请同学们分析其产生原因.

图2

生甲：闭合回路中磁通量发生改变而产生了感应电动势.

生乙：有一种力量在推动自由电荷发生定向移动.

生丙：电荷通过运动来“抗议”磁通量的改变.

引入史料：麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流.

导线中的电场成漩涡形状，被称为涡旋电场.麦克斯韦还认为这一电场的存在与闭合线圈之间不存在相互依赖关系，即将闭合线圈撤走该涡旋电场照样存在，且其强度和方向不变（图3）.

图3

可见，存在涡旋电场是一种和闭合线圈无关的普遍现象.下面，我们以麦克斯韦的这一假设为基础，用对称性的分析方法来分析是否存在以下结论.课件展示如图4.

图4

得到学生的回应后，教师继续补充，变化磁场产生电场和变化电场产生磁场，很显然，这是相对称的一对物理现象.一个静止的电荷所产生的电场是静电场，其所在空间各点的场强是不变的.但如果电荷运动起来，空间各点的电场就发生变化.因此，奥斯特发现的电流周围的磁场，从场的角度分析，应该可以理解为是由运动电荷周围的变化电场所激发的.如图5所示，电容器在充电和放电的过程中，放置其周围的小磁针会发生摆动，说明小磁针所在处，除地磁场外产生了另一个磁场，这一磁场正是由于电容器在充、放电过程中变化的电场所激发的.

图5

从物理美学的思想观点看，统一性和对称性是紧密联系的，一定的对称性将产生相应的统一性.麦克斯韦正是发现了变化电场和变化磁场的对称性后，进一步预言了电磁场的存在，即变化电场和变化磁场相互激发而形成密不可分的统一体.课件展示如图6.

图6

根据以上两个基本论点，麦克斯韦进一步推断，如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么，它就在空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又引起新的周期性变化的电场……于是，变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向周围传播.课件展示电磁波的构想，如图7所示.

图7

2.3 演示实验 见证“奇迹”

以上构想是否正确，只能用实验来证实.下面，我们一起来见证“奇迹”的发生.如图8励磁线圈中通入高频交流电后，将能向其周围空间发射电磁波.用带天线的小电珠接收这一电磁波，发现靠近线圈的过程中，灯泡果然被点亮了（图9），远离线圈的过程中，小灯泡的亮度逐渐递减，说明了电磁波的分布情况.

图8

图9

3 教学反思

变化的电场能够在其周围空间激发磁场是麦克斯韦电磁场理论的重要观点.值得一提的是，这一观点所包含的物理学思想深入而又新鲜，在相当长的一段时间内，难以为物理学家们所接受，直到25年之后，赫兹用实验证实了电磁波的存在，从而证明麦克斯韦电磁场理论的精确性，这个理论才得到人们的普遍认可.对于初涉电磁场理论的中学生来讲，要理解这一理论，无疑存在着极大的困难.在本课的教学中为了让学生能够尽快接受这一观点，依据学生的认知水平提出“一个静止的电荷所产生的电场是静电场，其所在空间各点的场强是不变的，但如果电荷运动起来，其空间各点的电场就发生变化了，而电流周围的磁场正是这一变化电场所激发的”.学生理解了电流周围磁场的形成原因之后，再提出“由于正在充电或放电的电容器周围存在着变化的电场，根据麦克斯韦理论，其周围一定存在磁场，并可用小磁针加以检验”.通过以上两个例子，学生一般能够初步接受变化电场能产生磁场的观点.

其实，以一个运动电荷产生磁场为例，阐明电磁场理论的观点是欠妥的，而结论“这一磁场是由变化电场所激发的”也是不对的.产生磁场的途径有两种，即电流（传导电流）和变化的电场（或叫做“位移电流”）.电流周围产生磁场，是能用奥斯特实验加以验证的，也是中学生所能理解的.这一电场是由传导电流产生的，而不是由“位移电流”产生的，即不是由变化的电场产生的.从微观角度来理解“运动电荷周围所产生的磁场”，可以认为，电荷的运动是任意的，其速度的变化存在着诸多的偶然性，因此，电荷所激发的电场和磁场是非常复杂的.这时，在运动电荷产生的磁场中，既有由变化的电场产生的，也有由传导电流产生的，到底哪一部分重要，要视电荷的运动情况及观测点的位置而定.在电荷附近（近场区）磁场主要由传导电流所激发.总之，不能简单地认为“这个磁场是由变化的电场所激发的”.

1 夏放.美学简论.济南：山东人民出版社，2000

2 吴光中.物理学史.成都：电子科技大学出版社，2000

3 李艳平，申先甲.物理学史.北京：科学出版社，2007

4 许人伍.物理教学中的审美素质教育.大学物理，1999