从物理学史看电磁感应定律

陈亚琦[1]，姚敏



从物理学史看电磁感应定律

陈亚琦[1]，姚敏

（湘南学院 电子信息与电气工程学院，湖南 郴州 423000）

从物理学史的角度，详细分析电磁感应规律形成的物理思维过程，引导学生挖掘科学的思想和方法，使学生潜移默化地受到感染，逐步掌握物理思想和物理方法，建立正确的思维过程．同时，对电磁感应定律也有更深层次地理解．

电磁感应定律；物理思想；定量表述；物理学史

电磁感应定律是大学物理电磁学部分的核心内容，它深刻揭示了电、磁现象之间的相互联系[1-3]．学生在学习大学物理电磁学部分时，由于在中学打下了一定基础，对教材中的电磁感应现象、电磁感应规律都比较熟悉．因此，在讲授大学物理中的电磁感应定律时，学生有点掉以轻心，但在应用电磁感应定律解决实际问题时，学生又感到力不从心，这表明学生对电磁感应定律的内涵和外延理解不透切．本文将从物理学史的角度来分析电磁感应定律形成的物理思维过程，这不仅可以让学生全面了解电磁感应定律的发展历程，开拓眼界，还可以有效地培养学生的物理思维能力和创新能力[4-6]．

1 借助直觉思维，实现新的突破

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应，这一重大发现第一次揭示了电与磁的联系，突破了长期以来电与磁互不相干的僵固观念．

电流磁效应的发现在当时的科学界掀起了巨大浪潮，凭借直觉思维，人们认为电能生磁，那么磁应该也能生电．1821年，法拉第通过观察磁铁之间的相互作用，电流与电流之间的作用等一系列电磁现象，经类比分析，猜测：既然磁铁可以使近旁的铁块感应具有磁性，电荷可以使近旁的导体感应带有电荷，那么电流也应当可以使近旁的线圈因感应而生出电流．

1822年，法拉第在他的日记中写下了“磁能生电”的思想印记，并在这一思想的坚持下开始了漫长的探索．1824年，英国物理学家法拉第把强磁铁放在线圈内，在线圈附近放小磁针，结果小磁针并不偏转，表明线圈并未因其中放了强磁铁而产生感应电流．

1825年，法拉第把导线回路放在另一通以强电流的回路附近，期望在导线回路中能感应出电流，但没有任何结果．

1828年，法拉第又设计了专门的装置，使导线回路和磁铁处于不同位置，仍然未见导线回路中产生电流．

在这一段时间里，法国物理学家安培、美国科学家亨利等人也都曾做过一些尝试，但都没有结果．

图1 电磁感应实验装置——软铁环

2 抓住本质形象，建立电磁感应规律

法拉第是一位有深刻物理思想的实验物理学家．在发现产生电磁感应现象的规律后，他紧接着做了几十个电磁感应实验，并把产生感应电流实验的情形归纳为5类：变化着的电流、运动的恒定电流、变化的磁场、运动的磁铁和在磁场中运动的导体．并对这一系列的电磁感应现象进行了深入分析和研究，1832年，法拉第发现，在相同条件下，不同的金属导体中产生的感应电流与导体的导电能力成正比．这表明，在一定条件下形成了一定的感应电动势，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，感应电动势是在各种情形下产生感应电流的原因．

变化的电流、运动的恒定电流、变化的磁场、运动的磁铁和在磁场中运动的导体，这5种情形都可以产生感应电动势，使闭合导体中的自由电荷产生定向移动．法拉第认为产生感应电动势的原因是磁铁或电流能产生存在于物质或空间中的张力状态，这种状态的出现、消失以及变化过程，均能产生感应电动势，法拉第把这种张力状态称为电紧张状态．为直观形象地描述电紧张状态，法拉第凭借着他丰富的想象力，创造性地引入力线来描述电紧张状态，他用力线的多寡描述电紧张状态的强弱，用力线数量的增减描述电紧张状态变化的程度．法拉第认为力线是物质的，充满了整个空间，磁极之间的相互作用力是通过力线来传递的．力线的源不变，则力线分布不变；力线的源变化，则力线的图案也相应地改变．当通过导体回路的磁力线数目发生变化时，回路中就会产生感应电动势，相应就会有感应电流．变化的电流、运动的恒定电流、变化的磁场、运动的磁铁和在磁场中运动的导体，虽然不能使非闭合导体产生感应电流，但仍然可以产生感应电动势．

1851年，法拉第在《论磁力线》一文中指出：无论导线是垂直地还是倾斜地跨过磁力线，也无论它是沿某一方向或另一方向，该导线都把它所跨过的力线所表示的力汇总起来，形成电流的力，即感应电动势正比于导线所切割的磁力线数．

3 利用数学语言，抽象定量表达电磁感应规律

1833年，俄国物理学家楞次指出，感应电流使线圈受到的作用力与线圈在磁场中运动的方向相反．1845年，德国物理学家纽曼考虑2个载流线圈的相互作用：其一叫施感线圈，电流为，半径为，施感线圈在运动；其二叫做被感线圈，电流，半径为，被感线圈静止．施感线圈中任意线元与被感线圈中任意线元之间的距离为．

由于施感线圈在运动，使两线圈的相互作用能发生变化．纽曼认为，被感线圈中的感应电动势应与相互作用能的变化率成正比[8]．被感电流在施感电流激发的磁场中所具有的势能（即两载流线圈的相互作用能），等于把被感线圈从无限远处移近施感线圈磁场力所做的功．若被感线圈所处位置近似为均匀磁场，那么被感线圈的势能为

把载流线圈从无限远处移入均匀磁场中（见图2），磁场力所做的功等同于载流线圈从1位置移到2位置磁场力做的功．以线元为研究对象，其所受磁场力为，发生的位移为，所以．

图2 被感线圈的势能计算分析示意图

根据纽曼的想法，被感线圈中的感应电动势，为了写成等式时，两边的量纲相同，纽曼舍弃了数学推理中的非本质属性和特征（除去了右边中的），抽出本质属性和特征（如感应电流方向的判定），最后可以得出

这表明，由纽曼的物理思想所导出的电磁感应规律的定量表达式实际上是把法拉第的想法（通过回路的磁力线根数变化时，回路中产生感应电动势，引起感应电流）具体化和定量化了，这种表述形式也是教科书中电磁感应定律的定量表述形式．

4 结论

物理学是一门以实验为基础的学科，直觉思维可以指导物理实验，突出主要矛盾．电磁感应规律的建立过程中，物理学前辈凭借直觉思维坚持不懈地寻找“磁生电“现象．同时，物理学家又从多次失败试验中总结经验，不断变换研究方法，终于突破思维局限，发现电磁感应现象是一种运动变化的暂态过程．归纳分析各种电磁感应现象，从现象揭示本质，法拉第创造性地引入力线的概念来描述磁铁或电流周围的电紧张状态，提出电磁感应现象更本质的原因是力线数量的增减产生了感应电动势．同时，物理学也是一门精确的定量科学，基于学生的物理基础，从物理学史的角度详细推导电磁感应定律的定量表述式形成过程，这样能让学生更深层次地理解电磁感应定律．

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

[2] 陈秉乾．电磁学专题研究[M]．北京：高等教育出版社，2004：60-106

[3] 弗·卡约里．物理学史[M]．戴念祖，译．南宁：广西师范大学出版社，2002

[4] 葛墨林．物理教学的思考[J]．大学物理，2013，32（9）：1-8

[5] 李玲．物理学史在大学物理课堂教学中的应用[J]．中国电力教育，2014（8）：122-123

[6] 张瑶，单长吉．物理学史对培养学生科学素养的作用[J]．高师理科学刊，2010，30（6）：94-96

[7] 阎金铎．物理思维论[M]．南宁：广西教育出版社，1996

[8] 陈秉乾，王稼军．电磁感应定律的定量表达式是怎样得出的？[J]．大学物理，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

湖南省教育厅教改项目（湘教通[2015]291-487，湘教通[2012]401号）

陈亚琦（1980-），女，湖南衡阳人，讲师，硕士，从事物理教学研究．E-mail：chenyaqi_0@163.com

姚敏（1963-），男，湖南邵阳人，教授，从事非线性光学研究．E-mail：369084915@qq.com