摘要：本文对电磁学理论建立过程的物理方法和物理思想进行了探究，并将探究成果应用于教学实践，最后总结了引入电磁学理论建立过程的作用意义。
关键词：电磁学；电磁学理论；建立过程；教学实践
中图分类号：O441.1 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）03-0107-02
电磁学史不仅反映了电磁学概念、定理、定律等酝酿、产生和发展的过程，而且再现了科学家在科学发现和创造过程中的物理研究方法以及物理思想等，表现了科学家们求真务实、勇于探索的科学精神。从场的观点看，电磁学发展史主要体现在库仑定律、毕-萨定律、安培定律、电磁感应定律以及麦克斯韦电磁场理论的建立过程中，而著名的奥斯特实验和赫兹实验，前者打开了电磁学“一直是黑暗的大门”，后者为电磁学理论大厦完美封顶。在电磁学教学中，结合教学内容有计划地引入典型的建立过程或实验过程进行学习和研究，对学员丰富知识、开拓视野、提高科学素养等方面具有重要的作用和意义。
一、电磁学理论建立过程的探究
1.物理方法探究。纵观电磁学发展史，科学家们运用实验、假说、类比、逻辑方法和数学方法等常规方法以及想象、猜测、对称等非常规方法，取得了重大发现和突破。①实验方法。实验是建立电磁学规律的基础，又是检验电磁学理论的最终标准。1785年库仑利用扭秤实验测量了同种电荷的斥力，又利用电摆实验测量了异种电荷的引力，得出电力的平方反比律。库仑定律的建立使电磁学进入了定量研究阶段，使电磁学真正成为一门科学。1820年奥斯特通过实验发现电流的磁效应，“他突然打开了科学中一个一直是黑暗的领域的大门，使其充满光明”[1]。此后，物理学家们通过实验相继建立起毕-萨定律、安培定律、电磁感应定律，直到1865年麦克斯韦建立了电磁场理论，并预言电磁波的存在。但该理论到1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在之后，才得到广泛的承认。赫兹利用精心设计的感应天平进行实验，证明介质中位移电流的存在，利用驻波测量波长的方法，发现电磁作用以有限速度传播，而且还实验观察到电磁波的偏振、反射和折射。②类比方法。类比方法在电磁学理论体系的建立过程中应用最普遍。如：库仑定律是类比万有引力定律而发现与建立起来的。实际上，整个静电学的发展都是在借鉴和利用引力理论已有成果的基础上取得的。又如，在毕-萨定律建立过程中，拉普拉斯设定电流元施加在磁极上的作用力与距离的平方成反比，从而激励毕奥设计了十分巧妙的第二个实验，并确定了定律的具体函数形式[1]。安培在推导安培定律时，“无论在思想上还是行动上都采用了牛顿路线”[2]。1856年，麦克斯韦在他的第一篇论文《论法拉第力线》中，把法拉第力线与不可压缩流体进行类比，把流体中的通量和环流移植到电磁学，提出由流体力学表达式对应建立电磁表达式。他还与力学中“动量的变化产生力”，即■=d■/dt（■是动量），进行类比得到，“电应力状态的变化产生电磁感应现象”，即■=-d■/dt（■是电磁场动量）。经过分析，它提出了“感生电场”的假设，区别了感生和动生。③对称方法。当奥斯特发现电流的磁效应之后，年轻的法拉第在对称思想指导下，于1822年在笔记中给自己提出一个目标“把磁变成电”。1831年他终于取得了突破性进展——发现电磁感应现象。然而，麦克斯韦首先发现奥斯特和法拉第的实验并不对称，即奥斯特实验思想是电流产生磁，而法拉第实验思想是磁（的时间变化率）-？鄣■/？鄣t产生电。换句话说，法拉第利用对称性思想发现了一种不对称性[3]。麦克斯韦经过仔细分析，大胆补充了法拉第的对称性，他认为变化的磁能产生电，那么变化的电也能产生磁，提出了“位移电流”的概念。很多学者根据自然界对称性思想坚信必定存在对应电荷和电流的磁荷和磁流，但直到现在还没有被科学界承认的发现。
亥维赛在对称原理启发下，将由20个方程组成的较完备的麦氏方程组，对称简化为更简单的两个散度方程和两个旋度方程，成为现代形式的麦氏方程组。④数学方法。数学方法为物理学研究提供简明精确的形式化语言、数量分析、计算方法和逻辑推理等内容，还把物理规律、物理图像等与数学形式紧密联系起来。除了实验方法之外，数学方法是物理学理论发展、建立和完善的根本方法。库仑定律的提出，使电磁学进入了定量研究的时代。安培的电动力学体系是建立在大量的数学运用基础之上的。麦克斯韦更是把数学工具发挥到了极致，他凭借自己深厚的数学功底和娴熟的数学技巧，用偏微分方程的形式，将法拉第及他本人的思想、模型和图像最终表达为一组优美的方程。麦氏方程组不但概括了实验发现的库仑定律、高斯定律、安培定律和法拉第定律，而且预言了电磁波的存在。
2.物理思想探究。在电磁学理论建立过程中，重大物理思想主要体现在自然力统一、近距作用取代超距作用这两种思想，它们对建立电磁场理论发挥了巨大作用，对物理学的发展也具有深远影响。①自然力统一思想。19世纪20年代以前，人们认为电和磁是两种完全不同的实体。奥斯特深受康德哲学关于自然力统一观点的影响，坚信电与磁是密切相关的。经过多年的不懈探索，终于在1820年4月的一次实验中敏锐地发现了电流的磁效应，之后，他又进行了3个月的连续实验，通过60多个实验的深入研究，于1820年7月21日发表了《关于磁体周围电冲突的实验》论文。电流磁效应的发现，是电磁学领域物理思想的一个重大突破，具有重大意义。电流磁效应的发现突破了牛顿和库仑等人的非接触物体之间只存在有心力的观念，电流对磁针的作用力是横向力，拓宽了作用力的类型；电流磁效应的发现，揭示了电现象与磁现象的联系，宣告电磁学作为一个统一学科诞生了，开创了电磁学研究的新纪元。②近距作用取代超距作用的思想。在电磁学领域，库仑、泊松、毕奥、安培、韦伯、诺埃曼等一大批名声显赫的科学家都坚持超距作用观点。从1820年以后，法拉第多次重复奥斯特的电流磁效应的实验，他坚信既然电能生磁，那么磁也能生电，他坚持不懈做了多年的实验研究。1831年11月和1832年1月，法拉第提出了“电紧张状态”和“磁力线”概念，之后，他又引入了“电力线”概念。法拉第认为，“电紧张状态”是存在于带电体或磁体周围空间中的某种特殊的张力状态，他用电力线和磁力线来描述这种状态。他在广泛的实验研究基础上，提出“场”的概念和力线图像，导致近距作用的场论思想，这是电磁学领域物理思想又一个重大突破。爱因斯坦把法拉第关于场的思想看作是“牛顿时代以来物理学基础所经历的最深刻的变化”[4]。
二、电磁学理论建立过程的教学实践
1、课堂讲授。在电磁学教学过程中，把电磁学理论建立过程以历史故事的方式呈现给学员，使学员在生动、形象地教学过程中了解有关概念、规律、实验的形成过程。在内容的教学设计上，做到从历史背景、实际过程、遇到困难、解决方法、意义启示、物理思想等方面进行剖析。在教学过程中，利用现代化教学手段，借助多媒体，通过实验、文字、图片、视频、讲解、演示直观地展示出动态的过程，同时融入科学家精巧的设计、多次失败的经历、对问题的种种猜测，以及科学家的趣闻轶事等，会给学员以直观的历史感。应该注意的是，讲解不能停留在表面，也不能变成科普，要从深度和广度上深入挖掘，使学员真正学有所获。例如，毕-萨定律在所有教材中都没有涉及其建立过程，而且它是实验定律不能逻辑推导证明。我们参考一些文献整理出其建立过程，整个建立过程表现出毕奥和萨伐尔巧妙设计实验的智慧、拉普拉斯大胆惊人的猜测及其精妙的物理思想，学员们听后都为之折服，深受教育。
2.学员自学。针对电磁学史的个案可以安排学员自行查阅书籍和文献资料，如物理学史书籍、校园网上的各种学术期刊数据库。课上安排学员讨论或课后撰写小论文。如，某学员就“磁性本质”展开了研究，他通过校园网查阅了大量文献，对磁荷模型和安培分子电流假说进行了详尽分析，完成了一篇小论文。在讲到电磁感应定律时，教员介绍了法拉第的实验，由学员对法拉第的5类产生感应电流的情况进行讨论并概括总结，得出产生电磁感应现象的条件及规律，激发了学员兴趣，提高了教学效果。
三、引入电磁学理论建立过程的作用意义
电磁学理论建立过程的教学有助于学员了解具体的概念、定理、定律的来龙去脉和具体的发展过程，可以使学员对相应知识有更深层的理解和掌握，对整个电磁学知识体系有个正确的建构；可以使学员领悟正确的研究方法、物理思想；还可以培养学员学习物理学家实事求是、尊重科学、坚持真理、勇于创新的科学态度，培养学员学习物理学家们锲而不舍、百折不挠、勇于探索和不畏牺牲的科学精神。
参考文献：
[1]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].北京：清华大学出版社，1993.
[2]陈毓芳，邹廷肃.物理学史简明教程[M].北京：北京师范大学出版社，1986.
[3]梁昌洪，陈曦.电磁理论之美[J].电气电子教学学报，2011，33（6）.
[4]王稼军.麦克斯韦建立电磁场理论的三篇论文[J].物理与工程，2005，15（2）.