彭小華

（衢州華茂外國語學校 浙江 衢州 324000）

1 教學設計思想

教學目標：“電磁場的發(fā)現(xiàn)”的內(nèi)容對學生的認知發(fā)展有著重要的意義，是對學生進行科學臻美思想教育的良好素材.通過本課內(nèi)容的學習能使學生了解電磁場理論中所包涵的和諧、對稱與統(tǒng)一的科學美，并在課堂的師生對話中，讓學生受到科學方法的教育和物理思想的熏陶 .

學生已有的認知水平：電流的磁效應、電磁感應現(xiàn)象、電磁振蕩現(xiàn)象等電磁學知識.

教學媒體：多媒體課件、電磁波發(fā)生器、小電珠（帶接收天線）.

2 教學實踐

2.1 對比典型的電磁現(xiàn)象 感受對稱與統(tǒng)一之美

師：我們已經(jīng)學習了三種典型的電磁現(xiàn)象，即電流的磁效應、電磁感應、電磁振蕩，下面我們一起來回顧相關內(nèi)容（開展師生對話）.

師：奧斯特實驗反映了什么物理本質(zhì)？

生：電生磁.

師：電磁感應實驗又反映了什么物理本質(zhì)呢？

生：磁生電.

師：電磁振蕩現(xiàn)象又反映了什么呢？

生：反映了電和磁的相互聯(lián)系.

以上3個現(xiàn)象說明了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的內(nèi)在對稱性和統(tǒng)一性.課件展示圖1.

圖1

如果我們能夠在物理學習的過程中感受美的存在，感受對稱與統(tǒng)一之美，那也一定能理解為什么尋求對稱與統(tǒng)一是物理美學的追求.而更令人感到驚喜的是，這種對美的追求往往會帶來物理學上的重大發(fā)現(xiàn).

英國物理學家麥克斯韋正是根據(jù)這種樸素的對稱思想，應用類比的研究方法，將數(shù)學分析和實驗驗證相結(jié)合，在法拉第、湯姆孫等人研究的基礎上建立了完整的電磁場理論，并預言了電磁波的存在.讓我們從“電生磁”與“磁生電”現(xiàn)象的對稱統(tǒng)一性出發(fā)，循著前人的思路脈絡，思考電與磁在更高水平上的對稱和統(tǒng)一.

2.2 引入科學史 模擬科學研究過程

師：如圖2，在一變化的磁場中放入閉合線圈，線圈中將產(chǎn)生感應電流，請同學們分析其產(chǎn)生原因.

圖2

生甲：閉合回路中磁通量發(fā)生改變而產(chǎn)生了感應電動勢.

生乙：有一種力量在推動自由電荷發(fā)生定向移動.

生丙：電荷通過運動來“抗議”磁通量的改變.

引入史料：麥克斯韋認為變化的磁場在線圈中產(chǎn)生電場，正是這種電場在線圈中驅(qū)使自由電子做定向的移動，引起了感應電流.

導線中的電場成漩渦形狀，被稱為渦旋電場.麥克斯韋還認為這一電場的存在與閉合線圈之間不存在相互依賴關系，即將閉合線圈撤走該渦旋電場照樣存在，且其強度和方向不變（圖3）.

圖3

可見，存在渦旋電場是一種和閉合線圈無關的普遍現(xiàn)象.下面，我們以麥克斯韋的這一假設為基礎，用對稱性的分析方法來分析是否存在以下結(jié)論.課件展示如圖4.

圖4

得到學生的回應后，教師繼續(xù)補充，變化磁場產(chǎn)生電場和變化電場產(chǎn)生磁場，很顯然，這是相對稱的一對物理現(xiàn)象.一個靜止的電荷所產(chǎn)生的電場是靜電場，其所在空間各點的場強是不變的.但如果電荷運動起來，空間各點的電場就發(fā)生變化.因此，奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流周圍的磁場，從場的角度分析，應該可以理解為是由運動電荷周圍的變化電場所激發(fā)的.如圖5所示，電容器在充電和放電的過程中，放置其周圍的小磁針會發(fā)生擺動，說明小磁針所在處，除地磁場外產(chǎn)生了另一個磁場，這一磁場正是由于電容器在充、放電過程中變化的電場所激發(fā)的.

圖5

從物理美學的思想觀點看，統(tǒng)一性和對稱性是緊密聯(lián)系的，一定的對稱性將產(chǎn)生相應的統(tǒng)一性.麥克斯韋正是發(fā)現(xiàn)了變化電場和變化磁場的對稱性后，進一步預言了電磁場的存在，即變化電場和變化磁場相互激發(fā)而形成密不可分的統(tǒng)一體.課件展示如圖6.

圖6

根據(jù)以上兩個基本論點，麥克斯韋進一步推斷，如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，那么，它就在空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又引起新的周期性變化的電場……于是，變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠地向周圍傳播.課件展示電磁波的構想，如圖7所示.

圖7

2.3 演示實驗 見證“奇跡”

以上構想是否正確，只能用實驗來證實.下面，我們一起來見證“奇跡”的發(fā)生.如圖8勵磁線圈中通入高頻交流電后，將能向其周圍空間發(fā)射電磁波.用帶天線的小電珠接收這一電磁波，發(fā)現(xiàn)靠近線圈的過程中，燈泡果然被點亮了（圖9），遠離線圈的過程中，小燈泡的亮度逐漸遞減，說明了電磁波的分布情況.

圖8

圖9

3 教學反思

變化的電場能夠在其周圍空間激發(fā)磁場是麥克斯韋電磁場理論的重要觀點.值得一提的是，這一觀點所包含的物理學思想深入而又新鮮，在相當長的一段時間內(nèi)，難以為物理學家們所接受，直到25年之后，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，從而證明麥克斯韋電磁場理論的精確性，這個理論才得到人們的普遍認可.對于初涉電磁場理論的中學生來講，要理解這一理論，無疑存在著極大的困難.在本課的教學中為了讓學生能夠盡快接受這一觀點，依據(jù)學生的認知水平提出“一個靜止的電荷所產(chǎn)生的電場是靜電場，其所在空間各點的場強是不變的，但如果電荷運動起來，其空間各點的電場就發(fā)生變化了，而電流周圍的磁場正是這一變化電場所激發(fā)的”.學生理解了電流周圍磁場的形成原因之后，再提出“由于正在充電或放電的電容器周圍存在著變化的電場，根據(jù)麥克斯韋理論，其周圍一定存在磁場，并可用小磁針加以檢驗”.通過以上兩個例子，學生一般能夠初步接受變化電場能產(chǎn)生磁場的觀點.

其實，以一個運動電荷產(chǎn)生磁場為例，闡明電磁場理論的觀點是欠妥的，而結(jié)論“這一磁場是由變化電場所激發(fā)的”也是不對的.產(chǎn)生磁場的途徑有兩種，即電流（傳導電流）和變化的電場（或叫做“位移電流”）.電流周圍產(chǎn)生磁場，是能用奧斯特實驗加以驗證的，也是中學生所能理解的.這一電場是由傳導電流產(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.從微觀角度來理解“運動電荷周圍所產(chǎn)生的磁場”，可以認為，電荷的運動是任意的，其速度的變化存在著諸多的偶然性，因此，電荷所激發(fā)的電場和磁場是非常復雜的.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，也有由傳導電流產(chǎn)生的，到底哪一部分重要，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)）磁場主要由傳導電流所激發(fā).總之，不能簡單地認為“這個磁場是由變化的電場所激發(fā)的”.

1 夏放.美學簡論.濟南：山東人民出版社，2000

2 吳光中.物理學史.成都：電子科技大學出版社，2000

3 李艷平，申先甲.物理學史.北京：科學出版社，2007

4 許人伍.物理教學中的審美素質(zhì)教育.大學物理，1999