浅谈高中物理中的静电场和磁场

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摘 要：电场和磁场是电磁学的核心内容。这两部分内容是高中阶段基础的内容之一，是高考的主要考点，又是光学等其他物理学知识的重要基础。这两部分涉及的思想和方法对学习高中物理至关重要，对学生物理思维的发展与创新能力的培养起到一定作用。

关键词：场；静电场；电场强度；磁场；磁感应强度；比值法

在高中物理学习中场的概念是一个非常抽象的不易理解的概念之一，我们多采用对比、类比等思想和比值法定义的物理量。下面对电场和磁场作如下介绍。

一、场的简单认识

法拉第提出场的概念，场指物体在空间中的分布情况。场是用空间位置函数来表征的。在物理学中，经常要研究某种物理量在空间的分布和变化规律。如果物理量是标量，那么空间每一点都对应着该物理的一个确定数值，则称此空间为标量场。如电势场、温度场等。如果物理量是矢量，那么空间每一点都存在着它的大小和方向，则称此空间为矢量场。如电场、速度场等。场是一种特殊物质，看不见摸不着，但它确实存在，十分抽象，难于理解。比如引力场（重力场）、电场、磁场等等。

二、静电场（electrostatic field）

静电场是继引力场之后，教学中又一次面临场的问题，电场的概念及其特性的描述一直是教学的难点。

静电场，是指观察者与电荷相对静止时所观察到的电场。它是电荷周围空间存在的一种特殊形态的物质，其基本特征是对置于其中的静止电荷有力的作用。电荷间的作用都是通过电场进行的。场是物质存在的形式之一。

为了表示电场的强弱和方向，电场中引入了一个物理量电场强度，简称场强常用E表示。按照定义，电场中某一点的电场强度的方向可用试探点电荷（正电荷）在该点所受电场力的电场方向来确定；电场强弱可由试探电荷所受的力与试探点电荷带电量的比值确定。实验表明，在电场中某一点，试探点电荷（正电荷）在该点所受电场力与其所带电荷的比值是一个与试探点电荷无关的量。于是以试探点电荷（正电荷）在该点所受电场力的方向为电场方向。

电场强度是个矢量，和以前讲过的加速度、位移等物理量一样，遵循平行四边形定则。电场强度满足叠加原理。试探点电荷应该满足两个条件：（1）它的线度必须小到可以被看作点电荷（理想化的物理模型），以便研究场中每个点的性质；（2）它的电量要足够小，使它不影响场源电荷的电场。电场强度的实用单位为V/m 或N/C。要注意的是，只要有电荷存在就有静电场存在，电场的存在与否是客观的，与是否引入试探点电荷无关。引入试探点电荷只是为了检验电场的存在和讨论电场的性质而已。正像人们使用天平可以称量出物体的质量，如果不用天平去称量物体，物体的质量仍然是客观存在的一样。点电荷如同力学中的质点。

静电场还有一个性质就是能的性质，为了描述能的性质引入电势、电势差等概念。为了形象描述电场物理上引入电场线的概念。电场线不相交、不相切，疏密表示电场的强弱，切线方向代表场强方向。静电场的电场线起于正电荷或无穷远，终止于负电荷或无穷远，说明电场线不闭合。表明静电场中沿任意闭合路径移动电荷，电场力所做的功都为零，与重力做功一样，因此静电力是保守力，静电场是保守场。静电场中有一种理想的场就是匀强电场，电场中各点的电场强度相同。

三、磁场（magnetic field）

简易定义：对放入其中的磁体有磁力的作用的物质叫做磁场，磁体和电流周围都存在磁场，地球周围有地磁场。磁场的基本性质是对放入在其中的磁体和电流有磁场力的作用。磁场的基本性质微观解释是能对其中的运动电荷施加力的作用力（洛伦兹力）。

磁场和电场一样也有强弱和方向，为此引入磁感应强度。

磁感应强度的定义：在匀强磁场中垂直方向放置的通电直导线，所受到的安培力F跟电流强度I和导线长度L的乘积之比，叫做通电导线所在处的磁感应强度。表达式B=F/IL，B只由磁场本身决定，与I，L均无关。在非匀强磁场中只适用于电流元（很短的导线中的电流I和长度L的乘积叫电流元）。磁场中还有一个重要的概念磁通量，所谓磁通量就是通过某一截面积的磁感线总数，用Φ表示，单位为韦伯（Weber），符号是Wb。通过一线圈的磁通的表达式为：Φ=B・S（其中B为磁感应强度，S为垂直磁场方向的面积）1Wb=1T・m2。磁感应强度也可以看成与磁感线方向垂直的单位面积上所通过的磁感线数目，又叫磁感线的密度，也叫磁通密度，单位为特斯拉（T）。

为了形象描述磁场物理上引入磁感线的概念。磁感线：在磁场中画一些曲线，用（虚线或实线表示）使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同（且磁感线互不交叉），这些曲线叫磁感线。磁感线是闭合曲线。规定小磁针静止时北极所指的方向（或北极的受力方向）为磁感线的方向。磁铁周围的磁感线都是从N极出来进入S极或传向无穷远处，在磁体内部磁感线从S极到N极。磁感线是为了形象地研究磁场而人为假想的曲线，并不是客观存在于磁场中的真实曲线。但可以根据磁感线的疏密，判断磁性的强弱。磁感线密集，则磁性强，稀疏，则弱。磁场中有一种理想的场就是匀强磁场，磁场中各点的磁感应强度相同。

四、电磁场（electromagnetic field）

电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。（高中物理对这部分内容要求不高）

综上我们发现电场和磁场都是客观存在的，为了定量描述场的强弱和方向引入场强和磁感应强度，他们采用的方法都是比值法。比值法定义的物理量只是定义式、度量式，并非决定式。从方向上来看，静电力的方向与电场强度的方向同向或者反向，这与电荷的正负有关；在电场中不管运动电荷还是静止电荷都会受到电场力的作用。磁场力的方向一定和磁感应强度垂直（左手定则可以说明）。从大小上看，某试探电荷在电场中某位置受静电力大小是一定的，但某电流元受到的磁场力不确定。同一位置受力不一定相同，这与导线的放置有关，平行放置最小为零，垂直放置最大。在磁场中只对运动电荷可能有力（同样与磁感应强度B的夹角有关）的作用和静止电荷无洛伦兹力的作用。电场中引入点电荷，磁场中引入电流元（IL）。为了形象描述引入电场线和磁感线，但这些曲线都是假象的，共同点是不相交、不相切，不同点磁感线是闭合的。静电场的电场线是不闭合的。

这部分内容中涉及了一种试探法，比值法定义的物理量（E，B），一种理想化的模型（点电荷和电流元）。希望在教学中让学生认真仔细体会。