苑仲元 張強(qiáng)

摘要:電動(dòng)力學(xué)是研究電磁現(xiàn)象的經(jīng)典的動(dòng)力學(xué)理論。本文從電動(dòng)力學(xué)的學(xué)科性質(zhì)出發(fā),明確了電動(dòng)力學(xué)在物理學(xué)課程中的重要地位,闡述了掌握電動(dòng)力學(xué)對(duì)物理學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞:電動(dòng)力學(xué)電磁場(chǎng)物理學(xué)麥克斯韋方程組

中圖分類號(hào):O442-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(b)-0176-01

電動(dòng)力學(xué)是研究宏觀電磁場(chǎng)理論的闡述、從實(shí)驗(yàn)定律中總結(jié)電磁場(chǎng)的普遍規(guī)律、建立Maxwells equations、討論電磁波傳播、電磁波輻射、狹義相對(duì)論、時(shí)空本質(zhì)及其它物理規(guī)律本質(zhì)問題的經(jīng)典的動(dòng)力學(xué)理論。這門學(xué)科與電磁學(xué)、近代物理學(xué)、量子力學(xué)等相關(guān)學(xué)科聯(lián)系緊密,因此在物理學(xué)課程中具有重要的地位和作用。

1 認(rèn)識(shí)電動(dòng)力學(xué)的學(xué)科性質(zhì)

電動(dòng)力學(xué)是研究電磁現(xiàn)象的經(jīng)典的動(dòng)力學(xué)理論,它主要研究電磁場(chǎng)的基本屬性、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、狹義相對(duì)論以及電磁場(chǎng)和帶電物質(zhì)的相互作用。

電磁場(chǎng)是物質(zhì)世界的重要組成部分之一。在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi),存在著大量和電磁場(chǎng)有關(guān)的問題,例如電力系統(tǒng)、凝聚態(tài)物理、光波導(dǎo)與光子晶體、等離子體、天體物理、粒子加速器等,都涉及不少宏觀電磁場(chǎng)的理論問題。在迅變情況下,電磁場(chǎng)以電磁波的形式存在,其應(yīng)用更為廣泛。無(wú)線電波、熱輻射、光波、X射線和射線等都是在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波,它們都有共同的規(guī)律。因此,掌握電磁場(chǎng)的基本理論對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)都有重大的意義。

電動(dòng)力學(xué)是在人類對(duì)電磁現(xiàn)象的長(zhǎng)期觀察和生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。18世紀(jì)中葉以后,在工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下,開展了自然科學(xué)的實(shí)驗(yàn)探索,電磁學(xué)得以快速發(fā)展。人們研究了靜電、靜磁和電流等現(xiàn)象,總結(jié)出一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律。但是電磁學(xué)的重大進(jìn)展還是在人們認(rèn)識(shí)到電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的深刻內(nèi)在聯(lián)系以后才開始的。1820年,奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng);1831年,法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律,并提出場(chǎng)的概念。至此,電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象不再孤立,而是作為統(tǒng)一的整體開始被人們認(rèn)識(shí),因此從理論上總結(jié)電磁場(chǎng)普遍規(guī)律的條件已經(jīng)具備。在此基礎(chǔ)上,1864年麥克斯韋把電磁規(guī)律總結(jié)為麥克斯韋方程組,并從理論上預(yù)言了電磁波的存在。這一基本規(guī)律的出現(xiàn)促進(jìn)了電磁波的發(fā)現(xiàn),而現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用又進(jìn)一步豐富了電磁場(chǎng)理論,使我們現(xiàn)在對(duì)于電磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)以來(lái),由于現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)認(rèn)識(shí)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的迫切要求,人們又進(jìn)一步研究電磁場(chǎng)的微觀性質(zhì),發(fā)展了量子電動(dòng)力學(xué)。

在電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展過程中,人們發(fā)現(xiàn)經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀和電磁現(xiàn)象的新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)發(fā)生矛盾。矛盾的解決導(dǎo)致新時(shí)空觀的建立。狹義相對(duì)論就是在20世紀(jì)初由愛因斯坦建立起來(lái)的關(guān)于新時(shí)空觀的理論。電動(dòng)力學(xué)只有在新時(shí)空觀的基礎(chǔ)上才發(fā)展成為完整的、適于任何慣性參考系的理論。相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基礎(chǔ)理論之一,它對(duì)物理學(xué)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響,系統(tǒng)地闡述狹義相對(duì)論的基本理論是電動(dòng)力學(xué)這門課程的重要內(nèi)容之一。

2 明確電動(dòng)力學(xué)在物理學(xué)課程中的地位

要明確電動(dòng)力學(xué)在物理學(xué)課程中的地位,必須先認(rèn)識(shí)物理學(xué)的知識(shí)脈絡(luò)。

物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和相互作用以及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)按線度大小可分為微觀領(lǐng)域的原子、原子核與“基本”粒子、宏觀領(lǐng)域的各類物體和宇觀領(lǐng)域中的各種天體;從表現(xiàn)形式上又可分為實(shí)物與場(chǎng)。物質(zhì)最基本、最普遍的運(yùn)動(dòng)形式包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)以及微觀粒子的運(yùn)動(dòng)等。以上這些都是物理學(xué)的研究對(duì)象和內(nèi)容。根據(jù)不同的研究對(duì)象和內(nèi)容,物理學(xué)目前可包括五種較成熟的基本理論,即經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、經(jīng)典電磁場(chǎng)理論、相對(duì)論和量子力學(xué)。前兩種主要適用于物質(zhì)處在宏觀低速(v《c)運(yùn)動(dòng)的情況,第三、四種主要適用于物質(zhì)處在宏觀高速(v→c或v=c)運(yùn)動(dòng)的情況,第五種主要適用于物質(zhì)處在微觀低速運(yùn)動(dòng)的情況,建立在這幾種基本理論基礎(chǔ)上的量子場(chǎng)論研究的是物質(zhì)處在微觀高速狀態(tài)下的規(guī)律,目前正在發(fā)展之中。這五種基本理論中以第一種發(fā)展最早,在17世紀(jì)末已趨于成熟,第二、三種均于19世紀(jì)后半葉趨于成熟,第四、五種發(fā)展較晚,都是在20世紀(jì)初才提出來(lái)的,然而發(fā)展很迅速,成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。經(jīng)典電磁場(chǎng)理論即電動(dòng)力學(xué),研究的是物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)和電磁相互作用以及電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,它在整個(gè)物理學(xué)中占有重要的地位。

不僅在物理學(xué)課程中,電動(dòng)力學(xué)在生產(chǎn)實(shí)踐以及科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)θ祟惿鐣?huì)的進(jìn)步都起著重要的推動(dòng)作用。電動(dòng)力學(xué)推動(dòng)了電機(jī)和無(wú)線電信工程的發(fā)展,使人類進(jìn)入了應(yīng)用電能的時(shí)代,這就是第三次工業(yè)革命;相對(duì)論和量子力學(xué)加深了對(duì)原子、原子核的認(rèn)識(shí),在此基礎(chǔ)上人類社會(huì)進(jìn)入了核能以及其它許多新技術(shù)的時(shí)代。相信今后電動(dòng)力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)更巨大的影響。

3 電動(dòng)力學(xué)對(duì)學(xué)習(xí)物理學(xué)課程的作用

(1)掌握電磁場(chǎng)的基本規(guī)律,加深對(duì)電磁場(chǎng)性質(zhì)和時(shí)空概念的理解;(2)獲得本課程領(lǐng)域內(nèi)分析和處理一些基本問題的初步能力,為以后解決實(shí)際問題打下基礎(chǔ);(3)通過電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和狹義相對(duì)論的學(xué)習(xí),更深刻領(lǐng)會(huì)電磁場(chǎng)的物質(zhì)性,幫助我們加深辨證唯物主義的世界觀。普通物理電磁學(xué)是電動(dòng)力學(xué)的先修課程,它更偏重于實(shí)驗(yàn)方面,從電磁現(xiàn)象的觀察與實(shí)驗(yàn)中提出電磁場(chǎng)的一些基本概念,總結(jié)出實(shí)驗(yàn)定律,由實(shí)驗(yàn)定律在特殊條件下推導(dǎo)出個(gè)別類型(靜態(tài)場(chǎng)、似穩(wěn)場(chǎng))的積分形式的場(chǎng)方程,最后歸納出麥克斯韋方程組的積分形式。它的邏輯體系是:實(shí)驗(yàn)→定律→理論,是一種以歸納法為主線的知識(shí)結(jié)構(gòu)。積分形式的場(chǎng)方程只能從一個(gè)空間區(qū)域的整體上對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行總體的描述,一般不能夠逐點(diǎn)地確定場(chǎng)的空間分布,只有借助于某些場(chǎng)的特殊對(duì)稱性才能解出這些場(chǎng)的空間局域分布。因此,電磁學(xué)的應(yīng)用是有限的,只能解決一些簡(jiǎn)單的電磁場(chǎng)問題。

電動(dòng)力學(xué)是電磁學(xué)的后繼課程,它屬于理論物理范疇,是以麥克斯韋方程組(包括積分形式和微分形式)、洛倫茲力公式和物質(zhì)的電磁性質(zhì)方程為出發(fā)點(diǎn),分別討論在靜態(tài)、時(shí)變態(tài)、含源區(qū)、自由空間、介質(zhì)內(nèi)部與表面處(包括導(dǎo)體與絕緣體)、有界空間(以導(dǎo)體為邊界)等不同條件下電磁場(chǎng)的空間分布和運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律,其邏輯體系以演繹法為主。電動(dòng)力學(xué)應(yīng)用較復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具求解電磁場(chǎng)的微分方程,能夠相當(dāng)精確地描繪出較復(fù)雜的電磁場(chǎng)在空間中的局域分布與變化情況,因此在電力與電信技術(shù)中有重要的實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

正因?yàn)殡妱?dòng)力學(xué)在物理學(xué)中有著如此重要的地位,對(duì)學(xué)好物理學(xué)課程起著至關(guān)重要的作用,所以廣大學(xué)習(xí)物理課程的大學(xué)生更應(yīng)該充分重視電動(dòng)力學(xué)、學(xué)好電動(dòng)力學(xué),這不僅需要學(xué)生牢固掌握和靈活運(yùn)用歸納法、演繹法、類比法、理想模型和數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)求解各種問題,更要樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和刻苦的學(xué)習(xí)作風(fēng)、培養(yǎng)濃厚的學(xué)習(xí)興趣和良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣,多學(xué)多練,只有這樣才能對(duì)電動(dòng)力學(xué)有更好的掌握。

綜上所述,學(xué)習(xí)電動(dòng)力學(xué)是一個(gè)艱苦的過程。廣大學(xué)生只有具有“衣帶漸寬終不悔”的精神,才能做到“獨(dú)上高樓,望斷天涯路”,站得高、看得遠(yuǎn)。當(dāng)你一旦掌握了這門課程并學(xué)會(huì)了研究它的科學(xué)方法時(shí),便會(huì)產(chǎn)生“眾里尋他千百度,驀然回首,那人卻在燈火闌珊處”的那種發(fā)自內(nèi)心的喜悅。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭碩鴻.電動(dòng)力學(xué),高等教育出版社,2008,6(第三版).

[2] 俞允強(qiáng).電動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)明教程.北京大學(xué)出版社,1999,7.

[3] 虞福春,鄭春開.電動(dòng)力學(xué),北京大學(xué)出版社,2003(修訂版).