摘 要:电动力学是研究电磁现象的经典的动力学理论。本文从电动力学的学科性质出发,明确了电动力学在物理学课程中的重要地位,阐述了掌握电动力学对物理学习的促进作用。
关键词:电动力学 电磁场 物理学 麦克斯韦方程组
中图分类号:O442-4文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0176-01
电动力学是研究宏观电磁场理论的阐述、从实验定律中总结电磁场的普遍规律、建立Maxwell’s equations、讨论电磁波传播、电磁波辐射、狭义相对论、时空本质及其它物理规律本质问题的经典的动力学理论。这门学科与电磁学、近代物理学、量子力学等相关学科联系紧密,因此在物理学课程中具有重要的地位和作用。
1 认识电动力学的学科性质
电动力学是研究电磁现象的经典的动力学理论,它主要研究电磁场的基本属性、运动规律、狭义相对论以及电磁场和带电物质的相互作用。
电磁场是物质世界的重要组成部分之一。在生产实践和科学技术领域内,存在着大量和电磁场有关的问题,例如电力系统、凝聚态物理、光波导与光子晶体、等离子体、天体物理、粒子加速器等,都涉及不少宏观电磁场的理论问题。在迅变情况下,电磁场以电磁波的形式存在,其应用更为广泛。无线电波、热辐射、光波、X射线和射线等都是在不同波长范围内的电磁波,它们都有共同的规律。因此,掌握电磁场的基本理论对于生产实践和科学实验都有重大的意义。
电动力学是在人类对电磁现象的长期观察和生产活动的基础上发展起来的。18世纪中叶以后,在工业发展的推动下,开展了自然科学的实验探索,电磁学得以快速发展。人们研究了静电、静磁和电流等现象,总结出一些实验规律。但是电磁学的重大进展还是在人们认识到电现象和磁现象之间的深刻内在联系以后才开始的。1820年,奥斯特发现电流的磁效应;1831年,法拉第发现电磁感应定律,并提出场的概念。至此,电现象和磁现象不再孤立,而是作为统一的整体开始被人们认识,因此从理论上总结电磁场普遍规律的条件已经具备。在此基础上,1864年麦克斯韦把电磁规律总结为麦克斯韦方程组,并从理论上预言了电磁波的存在。这一基本规律的出现促进了电磁波的发现,而现代无线电技术的广泛应用又进一步丰富了电磁场理论,使我们现在对于电磁场的认识有了坚实的基础。20世纪以来,由于现代生产对认识物质微观结构的迫切要求,人们又进一步研究电磁场的微观性质,发展了量子电动力学。
在电动力学的发展过程中,人们发现经典力学的时空观和电磁现象的新的实验事实发生矛盾。矛盾的解决导致新时空观的建立。狭义相对论就是在20世纪初由爱因斯坦建立起来的关于新时空观的理论。电动力学只有在新时空观的基础上才发展成为完整的、适于任何惯性参考系的理论。相对论是现代物理学的重要基础理论之一,它对物理学的发展有着深远的影响,系统地阐述狭义相对论的基本理论是电动力学这门课程的重要内容之一。
2 明确电动力学在物理学课程中的地位
要明确电动力学在物理学课程中的地位,必须先认识物理学的知识脉络。
物理学是研究物质结构和相互作用以及物质运动规律的科学。物质的结构按线度大小可分为微观领域的原子、原子核与“基本”粒子、宏观领域的各类物体和宇观领域中的各种天体;从表现形式上又可分为实物与场。物质最基本、最普遍的运动形式包括机械运动、热运动、电磁运动以及微观粒子的运动等。以上这些都是物理学的研究对象和内容。根据不同的研究对象和内容,物理学目前可包括五种较成熟的基本理论,即经典力学、热力学与统计物理、经典电磁场理论、相对论和量子力学。前两种主要适用于物质处在宏观低速(v《c)运动的情况,第三、四种主要适用于物质处在宏观高速(v→c或v=c)运动的情况,第五种主要适用于物质处在微观低速运动的情况,建立在这几种基本理论基础上的量子场论研究的是物质处在微观高速状态下的规律,目前正在发展之中。这五种基本理论中以第一种发展最早,在17世纪末已趋于成熟,第二、三种均于19世纪后半叶趋于成熟,第四、五种发展较晚,都是在20世纪初才提出来的,然而发展很迅速,成为现代物理学的两大支柱。经典电磁场理论即电动力学,研究的是物质的电结构和电磁相互作用以及电磁场的运动规律,它在整个物理学中占有重要的地位。
不仅在物理学课程中,电动力学在生产实践以及科学技术领域对人类社会的进步都起着重要的推动作用。电动力学推动了电机和无线电信工程的发展,使人类进入了应用电能的时代,这就是第三次工业革命;相对论和量子力学加深了对原子、原子核的认识,在此基础上人类社会进入了核能以及其它许多新技术的时代。相信今后电动力学的进一步发展将会给人类社会带来更巨大的影响。
3 电动力学对学习物理学课程的作用
(1)掌握电磁场的基本规律,加深对电磁场性质和时空概念的理解;(2)获得本课程领域内分析和处理一些基本问题的初步能力,为以后解决实际问题打下基础;(3)通过电磁场运动规律和狭义相对论的学习,更深刻领会电磁场的物质性,帮助我们加深辨证唯物主义的世界观。普通物理电磁学是电动力学的先修课程,它更偏重于实验方面,从电磁现象的观察与实验中提出电磁场的一些基本概念,总结出实验定律,由实验定律在特殊条件下推导出个别类型(静态场、似稳场)的积分形式的场方程,最后归纳出麦克斯韦方程组的积分形式。它的逻辑体系是:实验→定律→理论,是一种以归纳法为主线的知识结构。积分形式的场方程只能从一个空间区域的整体上对电磁场进行总体的描述,一般不能够逐点地确定场的空间分布,只有借助于某些场的特殊对称性才能解出这些场的空间局域分布。因此,电磁学的应用是有限的,只能解决一些简单的电磁场问题。
电动力学是电磁学的后继课程,它属于理论物理范畴,是以麦克斯韦方程组(包括积分形式和微分形式)、洛伦兹力公式和物质的电磁性质方程为出发点,分别讨论在静态、时变态、含源区、自由空间、介质内部与表面处(包括导体与绝缘体)、有界空间(以导体为边界)等不同条件下电磁场的空间分布和运动变化规律,其逻辑体系以演绎法为主。电动力学应用较复杂的数学工具求解电磁场的微分方程,能够相当精确地描绘出较复杂的电磁场在空间中的局域分布与变化情况,因此在电力与电信技术中有重要的实际应用。
4 结语
正因为电动力学在物理学中有着如此重要的地位,对学好物理学课程起着至关重要的作用,所以广大学习物理课程的大学生更应该充分重视电动力学、学好电动力学,这不仅需要学生牢固掌握和灵活运用归纳法、演绎法、类比法、理想模型和数学语言来求解各种问题,更要树立严谨的学习态度和刻苦的学习作风、培养浓厚的学习兴趣和良好的学习习惯,多学多练,只有这样才能对电动力学有更好的掌握。
综上所述,学习电动力学是一个艰苦的过程。广大学生只有具有“衣带渐宽终不悔”的精神,才能做到“独上高楼,望断天涯路”,站得高、看得远。当你一旦掌握了这门课程并学会了研究它的科学方法时,便会产生“众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处”的那种发自内心的喜悦。
参考文献
[1]郭硕鸿.电动力学,高等教育出版社,2008,6(第三版).
[2]俞允强.电动力学简明教程.北京大学出版社,1999,7.
[3]虞福春,郑春开.电动力学,北京大学出版社,2003(修订版).
