科学假设在电磁学中的应用 Microsoft Word 文档.doc

科学假设在电磁学中的应用 09物理教育 徐培莱 090804118 09物理教育 郑治超 090804129摘要：科学假设是电磁学许多科学理论的基础，是连接未知与已知的桥梁。我们通过对法拉第的电磁感应现象与麦克斯韦的电磁场理论的研究，发现电磁学中的许多科学理论都是建立在科学假设的基础上，经过实践的不断检验和完善而发展起来的。科学假设开辟了人类探索未知领域的道路，缩短了形成正确科学理论的进程，在人类科学研究中起着巨大作用。关键词：科学假设；电磁场理论；电磁感应一、前言人类生活在自然界中，与自然息息相关。为了生存，人类一直在与自然界进行斗争，并且把探索自然界获取的知识总结归纳成一门科学自然科学。一代代人用自己的智慧丰富着自然科学的宝库，使之日趋完善。尽管科学研究的过程是漫长而曲折的，但是人们所从事的科学研究活动却具有一定的规律性。一般说来，人类科学研究的步骤大体为：对现象的一般观察提出科学假设运用逻辑和数学推理实验检验形成理论，其中“提出科学假设”是很重要的一环。电磁学体系中的许多科学理论都是在提出科学假设的基础上，经过实践的不断检验和完善而逐步发展起来的。在人们从感性认识到理性认识的升华过程中，科学假设是连接未知和已知的桥梁。2、 科学假设1（一）、什么是科学假设实践之初，由于知识和能力的限制，人们往往不可能一下子就完全掌握事物的本质，揭示出各种事实之间的互相联系和各种规律。此时只能根据已经掌握的部分事实和理论，对于未知的事物提出一种推测性的看法，这种看法在自然科学方法论中就称科学假设纵观物理学的发展历史，科学假设方法一直贯穿在物理学的科学探索中，许多理论都是通过科学假设的方法建立起来的。1、科学假设要以客观实践事实为依据 科学假设是建立在一定的实验资料和检验事实基础上，并且经过了一定的科学论证后才形成的，因此而具有一定的科学事实依据，而并非出自主管臆造的假想。2、科学假设是一个不断完善的过程 科学假设是建立和发展科学理论的途径，那些开始并不妥当，然而几经修正，最终变成恰当、合理并且经得住实验检验的假设才能形成科学理论的基础。3、科学假设是超脱常规思维的设想 研究者依据科学假设确立自己的研究方向，避免了盲目性和被动型，充分发挥主观能动性和理论思维的作用，因此也往往能够作出惊人的科学预见。（二）、科学假设的形成1、抓住假设赖以建立的基本事实科学理论发展到一定的阶段，往往会出现原有理论体系无法克服的困难，这成了科学假设赖以建立的基本事实，只有抓住这些基本事实，才有可能恰当的、适时的提出科学假设。2、提出科学假设的基本观念 人们在已经掌握的科学事实和材料的基础上，经过长时间的慎密思考，预先在自己头脑中作出一些假定性的解释，然后付诸文字，这样就形成了科学假设的基本内容。3、论证科学假设的的基本观念 科学假设形成伊始，由于它毕竟是对客观规律的一种假定性的说明，尚未得到实践的验证。其科学性和可靠性难以知晓，这样就势必要求我们进行令人信服的论证，以增加它的科学成分，提出更加合理的科学假设。4、引申科学假设的的基本观念 科学假设的形成，并非以能够解释部分或绝大部分事实而告终。这就进一步要求在具体实践中要不断的提出更加合理，正确的科学假设，从而使科学假设日趋完善，并且向切实可靠的理论转化。（三）、科学假设的重大作用 科学假设是连接已知领域和未知领域的桥梁。它开辟了人类探索未知领域的道路，缩短了形成正确科学理论的进程，在人类科学研究中起着重大作用。1、科学假设促进了新的科学积累。科学假设能够有效地扩大人类的思维空间，启发研究者不断寻求新的理论和规律，去填补未知领域的空白，从而间接的科学研究工作提供了物质和思想方面的积累。2、科学假设是发现客观规律的有效途径。 当旧的理论体系无法解释新的事实或现象时，人们往往利用科学假设，以期待打破原有的僵局，并且有所突破。作为中间环节的科学假设无疑便成了发现新规律的重要途径之一。3、恰当的科学假设能够使研究工作事半功倍 在进行研究探索的过程中，人们往往对未知领域知之甚少，如果仅仅靠漫无目的的而寻找规律会浪费许多不必要的经理和时间。如果从一开始就做出合理的科学假设，然后依据这个假设又能有目的、有计划地进行探索和研究，那样将可能大大加快科学研究的进程。科学假设作为人类科学研究中常用的一种方法，他无论在过去、现在还是将来，都会一如既往地为人类的研究工作架起通往成功的桥梁。三、法拉第发现电磁感应现象23 1820年奥斯特发现电流的磁效应，受到科学界的关注，促进了科学的发展。1821年英国哲学年鉴的主编约戴维撰写一篇关于自奥斯特的发现以来电磁学实验的理论发展状况的文章，戴维把这一工作交给了当时正在英国皇家研究院的化学助理实验员的法拉第，法拉第在收集整理电磁学文献资料的过程中，对电磁现象产生了极大的热情，并从此开始了电磁学的研究，他仔细地分析了电流的磁效应等现象后，认真思考了一个问题：既然电流能产生磁场，那么磁场能不能产生电流呢？认为既然电能够产生磁，反过来，磁也能产生电，这个假设为日后人类利用电能奠定了基础。法拉第认为既然磁铁可以使临近的铁块感应带磁，静电荷可以使临近的导体感应出电荷，那么电流也应当可以在邻近的线圈中感应出电流。他本着这种信念，在发现电磁感应现象之前6年的日记中就记下了他的光辉思想：“磁能转化为电：，并使用了“感应”的存在是坚信不移的。但如何从实验中去发现这种感应现象，却非易事。刚开始，法拉第也简单地认为用磁铁靠近导线，导线就会产生稳定的电流，或者在一根导线里通以强大的电流，那么在邻近的导线中也会产生稳定的电流，她做了大量的实验，但是努力失败了，经过近十年的实验、失败、再实验、再失败的不断努力，于1831年，法拉第终于发现，一个通电线圈的电流刚接通或中断的时候，另一个线圈中的电流计指针有微小偏转。法拉第眼前一亮，经过反复实验，都证实了当磁作用力发生时，另一个线圈中就有电流产生。他又设计了各种各样的实验，比如两个线圈发生相对运动，磁作用力的变化同样也让能产生电流，法拉第前后一共做了上百个类似的实验，最终认识到感应现象的暂态性，提出只有在变化时，静止导线中的电流才能在另一根静止导线中感应出电流，而导线中的恒定电流不可能在另一根静止导线感应出电流的。这样法拉第终于用实验发现了电磁感应现象。确立了电磁感应定律，这个发现扫清了探索电磁本质道路上的拦路虎，开通了在电池之外大量产生电流的新道路。实验原理：根据变压器的工作原理,当交流电通过原线圈时,铁芯中将产生峰值稳定、交流变化的磁通量的变化率/t,如果水平抽动变压器上端的横轭,铁芯不再完全闭合,部分磁感应线外泄,造成铁芯中的磁通量的变化率/t变小(如图1所示),依照上述操作,便可改变磁通量的变化率/t的大小。若抽动横轭到某一固定位置,就能获得比较稳定的磁通量的变化率/t.图1/t随横轭抽动的变化图 图2随横轭抽动的变化图四、麦克斯韦电磁场理论45 静磁现象和静电现象很早就受到人类注意。公元前六、七世纪发现磁石吸铁、磁针指南以及摩擦生电等现象。系统地对这些现象进行研究则始于十六世纪，此时，人类只是把电与磁分开来研究，经过漫长的三个世纪才把它们联系起来，开始了电磁学的新阶段。十九世纪二、三十年代成了电磁学发展的时期。首先对电磁作用力进行研究的是法国科学家安培，他在得知奥斯特发现了电流的磁效应之后，重复了奥斯特的实验，提出了右手定则，并用电流绕地球内部流动解释地磁的起因。建立了电流元之间的相互作用规律安培定律。与此同时，比奥沙伐定律也得到发现。英国物理学家法拉第对电磁学的贡献尤为突出，他在大量实验的基础上创建了力学思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。麦克斯韦是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家。他全面地总结了电磁学研究的全部成果，并在此基础上提出了“感生电场”和“位移电流”的假说，建立了完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。1865年，麦克斯韦发表了电磁场理论的第三篇重要论文电磁场的动力学理论。最早明确地提出了电磁场的概念。他在评价韦伯和纽曼的超距作用的电磁理论时写道：“在依赖于粒子速度的力超距作用在另一些粒子上的假设中包含着力学上的困难，阻止我认为这一理论是最终的理论。”“所以，我宁愿从另一方面去寻找对这一事实的解释，假设它们是被周围媒质以及在激发物体中所发生的作用而产生，而不需要假定它相当距离上直接作用的力存在就可以解释远距离物体之间的作用。”“所以，我提出的理论可以称为电磁场理论，因为它与带电体或磁体附近的空间有关；它也可以称为动力学理论，因为它假定在该空间中有运动的物质，从而产生了我们所观察到的电磁现象。”麦克斯韦认为电磁场既可在物体内存在，也可在真空中存在。在论文的第三部分麦克斯韦建立了电磁场的普遍方程，它与我们今天所熟悉的麦克斯韦方程组已经非常接近，一共有八组方程，他把前六组矢量方程写成直角坐标分量式，所以这是一组包括20个变量由20个方程构成的方程组。在这篇文章中，麦克斯韦直接根据电磁学的实验事实和普遍原理给出这些方程。我们用今天使用的术语和符号，把这些方程表示如下： (一)、全电流方程：式中j为真实的传导电流密度,j为总电流密度,即位移电流密度。这个方程是麦克斯韦电磁理论的核心，它把麦克斯韦关于位移电流的思想定量了（二）、磁力方程： 式中H为磁场强度，为磁导率，H即磁感应强度B。为电磁动量，麦克斯韦把它定义为 ，这里是与法拉第称为的电紧张态相同的量。上式表明了在磁场中沿任意闭合回路的电磁动量的总和等于穿过回路的磁力线数。对此式两边取散度，即得现代形式的方程divB=0。（三）、电流方程: 根据实验可知，当磁极在磁场中移动的闭合回路未绕过电流时不产生功，而磁极沿绕过电流的回路移动时所产生的功与绕过的电流有关，由此得出电流方程.将它与A式结合起来，即为 ，写成现代形式(高斯制，以下同此)的方程为 。 1 8 7 3年，麦克斯韦在他的电学和磁学通论这部经典著作中，叙述了引入位移电流概念这一思想过程。他评述道：“只有很少的实验证明介质中位移电流的改变与电流的电磁作用相联系。但是协调电磁定律与不闭合电流存在的极大困难使我们必须接受瞬变电流的存在是由于位移变化产生的。这是许多理由中的一个理由。” 对安培环路定律的微分形式有 ，这就要求divj=0。也就是说该定律只能在闭合回路中成立。为了克服这一困难，麦克斯韦引进了全电流思想。麦克斯韦通过理论研究和实验探索，对安培全电流定理：电流流过导体，在其周围产生磁场，如果右手大拇指与电流方向一致，则右手四指方向就是磁场方向，安培全电流定理实验证明，磁场强度H沿任一闭合回路l的线积分等于穿过回路1所包围面积的电流IT，即全电流。I在导电媒质中叫传导电流Ic，它由导体中自由电子的定向运动引起；在气体或真空中叫运流电流Iv，它由真空或气体中荷电粒子的运动引起。所以I包括传导电流与运流电流两部分，即I=Ic+Iv。另外一项Id叫位移电流，它并不代表电荷的运动，因而与传导电流,运流电流不同。传导电流、运流电流和位移电流之和叫全电流.因为 ，所以 如果假设 这项象j一样具有电流的性质，于是 （四）、电动力方程： 式中E为电动力，即电场强度。第一项表示导体本身运动产生的电动力。麦克斯韦指出这个电动力与运动方向和力线垂直。如果以速度v和磁感应强度H为平行四边形的两个邻边，则这个力的大小等于平行四边形的面积，力的方向垂直平行四边形的平面。第二项表示在场中由于磁体或电流强度的改变，或位置的变化而引起的电动力。第三项表示电势j引起的电动力。将此式两边取旋度并与B式结合起来，即得 ，写成现代形式的方程为 。（五）、电弹性方程：E=KD 电动力作用于电介质，使它的每一部分极化，它的相对的面上出现相反的电荷，这个电量取决于电动力和电介质的性质。对各向同性的电介质电动力E与电位移D方向相同，其大小成正比，比例系数为K。写成现代形式的方程为。（六）、电阻方程：电动力作用在导体上产生通过导体的电流。式中为单位体积导体中的电阻，写成现代形式为j=E，为电导率。（七）、自由电荷方程：e+divD=0 式中E是单位体积内的正的自由电荷量。写成现代形式的方程。麦克斯韦在电学和磁学通论一书中对上式说明如下：“如果电荷e均匀地分布在一个球面上，在介质中与球心距离r处的任何点的电动力强度正比于e/r2，因此介质中的电位移将正比于e/r 2，如果我们画出半径为r的同心球面，通过这个面的总电位移将正比于e，而与r无关。如果U1和U2分别是内球面和外球面的电势，则增加电位移D E所作的功将为(U1-U2)DE。如果取外球面在无限远，则U1成为带电球的势，而U2就变为零，于是这个功就为。但是这个功也是Ude，在这里de是球的电荷的增加。如果我们承认电能存在于介质中，则De=de，即穿过任何同心球面的电位移等于球上的电荷。由此得出结论：位移电流给任何其它有限长的电流提供了一个连续的，等同于闭合环路中的电流。”（八）、连续性方程 这就是电荷守恒定律。 以上八个方程就是麦克斯韦最早提出的电磁场方程组。这是一套完备的电磁场方程组。这个方程组概括了各个电磁学的实验规律，是能够完整和充分地反映电磁场客观运动规律的理论。从麦克斯韦方程组可以看出两个旋度方程表示变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。麦克斯韦方程组中两个散度方程，一个表示磁通的连续性，即磁力线既没有起始点也没有终点。这意味着空间不存在自由磁荷，或者说在人类研究所能达到的空间