高中物理“电磁场论”的优化学习

张辉平

高中物理学中有些物理量概念性很强，相互之间又有着潜在联系，学生经过新授课的学习后依然对这类知识点感觉吃力。这些综合性强、概念性强而且十分抽象的物理知识点，往往是高中物理学的难点和重点。比如，高中物理中的“电磁场论”。对于“场”这种物质，我们即使将它放大一百亿倍，甚至更大，你也不可能观测到它们任何的内部构造，无论如何我们也不会看到“场”这种物质任何内部特征。学生对静电场、涡旋电场的区别与联系，还有电场与磁场及“电磁场”的关联似懂非懂，感到很无助。对高中物理“电磁场论”的学习进行了探讨。

高中物理“电磁场论”恒定电场静电场为了让学生们更好地找到学习物理的兴趣，笔者对高中物理的“电磁场论”做一个简单的总结，让学生们找到“电磁场论”中本质上起主要作用的因素，在此基础上优化学习抽象的物理量并加以概括。

一、静电场

19世纪30年代，法拉第提出一种观点，认为在电荷的周围存在着有它产生的电场，处在电场中的其他电荷受到的作用力就是这个电场给予的。

静电场是由静止电荷在其周围空间激发的电场。该静止电荷被称为场源电荷，简称为源电荷。静电场是在电荷周围存在的一种特殊的物质，看不见摸不着，并非由分子、原子组成，但客观存在。电荷与电荷之间的力的作用通过电场来实现。

静电场的电场线起始于正电荷或无穷远，终止于无穷远或负电荷。静电场的电场线方向和场源电荷有着密切的关系。当场源电荷为正电荷时，该电场的电场线成发散状；当场源电荷为负电荷时，该电场的电场线成收敛状。其电场力移动电荷做功具有与路径无关的特点。用电势差描述电场的能的性质，或用等势面形象地说明电场的电势分布。

二、恒定电场

导线中的电场是恒定电场，不是静电场。恒定电场是闭合回路中电源两极上带的电荷和导线和其他电学元件上堆积的电荷共同激发而形成的，其特点是电场线处处沿着导体方向，由于电荷的分布是稳定的（即达到动平衡状态），由这种稳定分布的电荷形成的电场称为恒定电场。导线内的电场是在接通电源后的极短时间内（以光速C）完成的。

恒定电场是自由电荷在导体中定向移动的原因。由于在恒定电场中，任何位置的电荷分布和电场强度都不随时间变化，所以它的基本性质与静电场相同，因此会对处在其中的电荷有力的作用，也就会推动自由电荷发生定向移动形成电流，但自由电荷不会一直加速，会不断的与不动的粒子发生频发的碰撞（形成电阻的微观本质）受到不动的粒子对他运动的阻碍作用，自由电荷做的是平均匀速率不变的运动。

在静电场中所讲的电势、电势差及其与电场强度的关系等，在恒定电场中同样适用。

三、涡旋电场

实验表明，磁场变化时线圈产生的感应电动势与导体的种类、形状、性质和构成均无关，是由磁场本身的变化引起的。因此麦克斯韦提出了“变化的磁场会在其周围的空间激发一种电场，正是这种电场使得闭合回路中产生了感应电动势和感生电流”的理论，并将这种电场称为涡旋电场。

随时间变化的磁场在其周围空间激发的电场称为感应电场，由于这种电场具有涡旋性,所以又称为涡旋电场。涡旋电场是一种非保守场，其电场线是无始无终的闭合曲线，没有起点、终点。闭合的电场线包围变化的磁场。

现行中学物理教学大纲对“涡旋电场”不作要求，但教材中却有多处涉及“涡旋电场”：如在电磁感应现象中，为了对电磁感应现象有更深入的理解，根据磁通量变化原因不同，把感应电动势分为动生电动势与感生电动势，同时针对感生电动势，引人了涡旋电场的概念。

总之，涡旋电场与静电场有着明显的区别，静电场是有源无旋场，电荷是场源；涡旋电场是无源有旋场。学生在学习高中物理遇到了三种电场：一种是由电荷激发的静电场，一种是闭合回路中电源两极上带的电荷和导线和其他电学元件上堆积的电荷共同激发而形成的恒定电场，最后一种是由变化的磁场在其周围激发的电场为感应电场，即涡旋电场。

四、磁场

磁场是电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质，一种看不见，而又摸不着的特殊物质。磁铁周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。

磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力，磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B，也可以用磁感线形象地图示。然而，作为一个矢量场，磁场的性质与电场颇为不同。运动电荷或变化电场产生的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢量场，磁力线是闭合的曲线族，不中断，不交叉。换言之，在磁场中不存在发出磁力线的源头，也不存在会聚磁力线的尾闾，磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零，即磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标量函数。

五、电磁场

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现在通电的导体周围存在着磁场，从而知道了电和磁相互依存的关系。电场、磁场是性质不同的两个场，电场是电荷存在于空间的证据，是电荷对空间的影响；磁场是电荷加速于空间的证据，是电流对空间的影响。但它们像一对孪生兄弟，经常形影不离，相互依存。若电荷静止则只有电场，若只有一个磁体，其磁场不随时间变化，则只有磁场。变化的电场产生磁场,静电场不能产生磁场；变化的磁场产生电场，静止的磁场不能产生电场。

时变电磁场与静态的电场和磁场有显著的差别，出现一些由于时变而产生的效应。变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁波是电磁场的一种运动形态。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部反回原振荡电路。于是，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。

1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。电磁波以有限的速度传播，具有可交换的能量和动量，电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化，等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的“特殊”只在于没有静质量。