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期刊类别:纯教育、G4
国际标准刊号 ISSN 2095-3089
国内统一刊号 CN 15-1362/G4
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我刊投稿论文
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2020-04-15 | 所属栏目:我刊投稿论文 | 阅读次数:

作者:王波
  【摘要】大学物理课程中的电磁学教学中出现的两个常见重点和难点,也就是高斯定理和电磁波的形成和传播,讨论了学生难以理解的原因,提出了相应的教学建議。
  【关键词】电磁学  高斯定理  电磁波  传播
  【中图分类号】G446  【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2019)51-0170-01
  1.引言
  电磁学是大学理工科专业重要的基础课,主要讲解电磁场的基本现象和规律,,从静电场、稳恒磁场,到电磁感应定律、位移电流,最后总结归纳出麦克斯韦方程组。在教学中不仅要深入浅出析地讲解并分析电磁现象,更需要阐明其背后的物理意义和实质,从而帮助学生在充分理解的前提下学好这门课程。
  电磁学所涉内容宠大、理论严谨,在教学中学生难免会出现一些困惑、模糊、甚至错误的理解。本文以下针对电磁学课程教学中常见的两个问题进行讨论,供师生参考。
  2.库仑定律与高斯定理
   库仑定律是静电场的一个基本定律,也是电磁学的第一个定量定律,描述了真空中两个静止点电荷之间的相互作用力。借助库仑定律,可以引入“场”的概念并推导出静电场高斯定理。相比库仑定律,高斯定理在数学形式上具备更普遍的适用性,可用于描述所有平方反比律,如引力、点光源等;同时,它不受点电荷的限制,在带电体或运动电荷时也有效;另外,避免了r→0时的矛盾。大部分教科书在说明高斯定理的意义时,明确指出在库仑定律不成立时,高斯定理仍然有效,因此高斯定理是关于电场的更普遍的基本规律。结论是正确的,但未免过于抽象,因为在一般大学电磁学课程中只讲授了积分形式的高斯定理,并未引入场的旋度和散度等相关概念,不涉及运动电荷或随时间变化的电场,也没有这方面的例证,因此学生在对比理解上有很大的困难。
  3.电磁波的激发与传播
   大学的电磁学课程中一般不涉及方程的微分形式和波动方程,因此在讲解电磁波的激发时,只能定性地解释变化电场与变化磁场的关系,但往往说不清、道不明。例如有些教材在讨论变化的磁场激发电场时,通常采用“附近”或“邻近”等字眼来描述被激发电场与变化磁场的空间相互位置,但这种解释比较模糊。根据麦克斯韦方程及电磁波的波动方程,如果在 处的磁场随时间变化,则仅激发 处的电场,其邻近或附近的电场是由 处电场传播而来,而不是由 处的磁场所激发;对于电场激发磁场亦如此。更一般地说,在非静场情况时,有电场的地方就有磁场,有磁场的地方就有电场,它们相互激发,共同传播,构成电磁波这一整体。
  4.教学建议
   简单的做法是回避对这两个问题的讨论,这样的好处是不会让学生感到抽象和困惑,但缺少了统一性与完整性。可以根据学生的学识水平,在不额外增加教学时数的情况下,考虑适当地引入部分运动电荷所激发的电场、磁场内容,通过运动电荷来说明场的运动,说明高斯定理的普适性,并进而解释电磁波的形成和传播机理,这对学生进一步理解电磁场的基本理论,活跃学生思想是有益的。


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