首页 -> 2007年第6期
两个常见电磁学问题的探讨
作者：曾 铁 赵谊伶
1.课本介绍、定义“电势”时，常用的两种方式
(1)用U=E/q(q为正电荷，E为电势能)定义，相应的文字有：①放在电场中某点的正电荷具有的电势能跟它电量的比值，叫做电场中这一点的电势。②单位正电荷在电场中某点所具有的电势能，叫做电场中这一点的电势。
(2)电场中某点的电势在数值上等于单位正电荷从该点移到零电势点的过程中电场力所做的功;其定义式为U=W/q(W为电场力的功，q为正电荷)。
中等物理学如何科学地介绍、定义“电势”?这是一个很实际的问题，值得进一步地思考。
用U=E/q(q>0)或U=W/q(q>0)定义电势，电势总是正的，其中的q必须是正电荷(电量)。我们知道，电势是静电场的一个重要物理量，它是静电场本身的一种特性。静电场中各点的电势是客观存在的，它反映了静电场的能的性质等。对一个电场而言，其中电势的大小只和场源电荷Q的正负性、电量大小和所考查的点的位置以及零电势点的选择有关。同一个静电场中某点的电势可正、可负，也可以为零。静电场中某点电势的大小不是绝对的，它和电势的零点选择有关。零电势点选择以后，静电场中某点电势的大小既可用q>0，也可用q<0的检验电荷及相关的电势能来探测、计算，无须设限。用上述方式定义电势，人为地设置了障碍或限定。理解、使用它们时会出现一些问题。
用U=E/q(q>0)定性或定量地处理涉及q<0的电势能或电势等问题会有麻烦，往往不能自圆其说。这种定义会让学生误认为电场中某点的电势，只能用q>0的检验电荷及相关的电势能来探测、计算，q<0则不行;也会让学生误解为涉及电势能、电势等电学问题，只能借助于q>0的检验电荷分析、处理，q<0不行。这种定义还会产生歧义，即涉及q<0的电势能、电势等电学问题，都不能用公式U=E/q(q>0)处理，因为它强调q是正电荷(电量)。
用U=W/q(q>0)定性或定量地处理涉及q<0的电势能或电势等问题，也会有麻烦，学生会产生疑问或不解，使用这一公式时还会不放心，感到有些别扭，因为此公式中使用或要求的也是正电荷(电量)。
总之，用U=E/q(q>0)或U=W/q(q>0)解决涉及q<0的电势能或电势等问题时，心中不踏实，道理上也说不清、说不通，有些勉强或强人所难。
定义是对事物本质或范围的确切而扼要的说明，所以，电势的定义理应完整、严密，并具有普遍性和科学性，不能以偏概全和留下隐患。既然正、负电荷及相关的电势能都可以探测，处理电势及相关的问题，定义电势时就不要人为地限定，仅仅使用或涉及q>0的检验电荷，不提或排除q<0的检验电荷。
综上可见，用U=E/q(q>0)或U=W/q(q>0)定义电势均有不妥，应当予以修正，以避免理解和使用中出现的因定义本身所带来的问题及留下的后患。
2.较为科学的两种电势定义
这类定义具有普适性、科学性，使用效果良好。它们没有规定q必须是正电荷，q>0或q<0均适用、成立。建议中等物理学课本及教学参考、选用。
(1)对于电场中某点来说，放在该点的电荷具有的电势能和电荷的电量之比是一个常量;这个常量的大小跟电荷无关，它反映了电场的一种性质;这个常量叫做电场中该点的电势。定义式为U=E/q。
(2)电场力将检验电荷从电场中某点移到零电势点所做的功与检验电荷电量的比值，叫做该点的电势。定义式为U=W/q。
用U=E/q或U=W/q定义电势，q既可为正电荷，也可为负电荷(电量)，相应的U也会有正、有负，这样就避免了U只会是正值的现象。事实上，静电场中的U不可能总是正的。U有正、有负全面、真实地反映了静电场的实际情况。U总是正值则是片面、残缺的和不真实的，也违背了客观事实。用U=E/q或U=W/q定性或定量地分析、处理电势能或电势等问题(习题)，上述担心和思维障碍没有了，可以用它们大胆、合理地解决所有的相关问题。这样定义“电势”既合理、科学，又有说服力，适应面也很宽;使用它时，学生不再茫然或不知所措。
电势的定义中，q为正电荷和q既可是正电荷，又可是负电荷，虽然差别不大，但差之毫厘，谬以千里。
二、 磁场没有强弱和方向
翻开物理课本，涉及磁场内容及其问题等，都会有磁场强弱和磁场方向这类说法，物理类科普书刊、物理教辅书和物理教学中也经常使用这种行话。但是，细细琢磨和认真地思考后，我们发现这类说法有点问题，值得反思。现谈谈对这种司空见惯说法的“另类思考”与“奇谈怪论”。
磁场和电场一样，是物质客观存在的形态，且是物质存在的两种基本形式之一。磁场和电场均具有一定的质量、能量和动量等物质属性;磁场和电场是弥漫在空间的无形无边的物质，它们看不见、摸不着。物质(实物与场)没有强弱和方向性，不能说物质(实物与场)具有强弱和方向。所以，磁场和电场这类物质不存在强弱和方向，也不能有强弱和方向之说。这就如同桌子、石块等物质没有强弱和方向一样，我们不会说桌子、石块具有强弱和方向。若说磁场有方向，那么磁场方向向东或向西，怎样说明、理解?匀强磁场的磁场方向只有一个;非匀强磁场的磁场方向则有许多个，这又如何理解?若说磁场有强弱或大小，那么磁场强或磁场大怎么理解?
大家知道，研究磁场的力的性质的物理量——磁感应强度B有大小，方向;描述、研究磁场分布及性质等的磁感应线有方向，而且磁感应线上某点的切线方向就是磁场中该点的磁感应强度方向;研究磁介质中磁场分布及相关问题的辅助物理量——磁场强度H也有大小、方向。然而，这些物理量等的大小、方向都不能说是磁场的大小(强弱)、方向，不能因为前者具有大小、方向，就说磁场有大小、方向，更不能因而认定磁场具有大小、方向。磁场和研究、反映磁场性质的物理量(矢量)等是不同的概念与问题，不能混淆等同，它们的内涵、外延均不一样，它们不相同、也不相等。磁场是研究对象，是磁感应强度B、磁场强度H等物理量的载体;前者和后者有着一种宏观与微观、整体与局部的关系。
磁感应强度B等有大小、方向，不代表也不说明磁场就有大小、方向。从语言学和物理学的角度分析，磁场大小、方向和磁感应强度B等大小、方向意思是不同的，前者不能代替后者，前者也非后者的简称，也不能认为前者就是后者的省略语。介绍、处理磁场及其问题时，该说的话要说完整，不能省略，也不应该省略。否则，会产生歧义、混淆视听。
磁场某点的磁感应强度B或磁场强度H有大小、方向，但不能由此派生、衍生或简化、泛化出磁场的大小、方向这类似是而非或想当然的说法。
同理，电场的大小、方向这种习以为常的说法也不妥，它的语意不明、不详，概念混乱，而且不准确、不科学。
总之，物质(实物与场)是没有大小(强弱)和方向的，磁场大小(强弱)和磁场方向等这类约定俗成的说法，不宜再使用。它们的内涵不清、外延不明。
基于上面的分析，物理课本和物理教学中的上述流行说法，应做修改，以保证物理课本和物理教学的准确性、科学性。下列的说法可参考：
1.磁感线上某点的切线方向就是磁场中该点的磁感应强度的方向。
2.磁场中任意一点，小磁针静止时其北极所指的方向，就是该点磁感应强度的方向。
这样，物理课本的有关内容，其前后顺序和组合，要相应地做点调整，以保证物理课本和物理教学的内在逻辑性和科学性。
(责任编辑 孙晓雯)