“场”概念的发展与对中学“电场”“磁场”概念教学的思考，本文主要内容关键词为：概念论文,电场论文,磁场论文,中学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
场概念是物理学中重要的概念之一。随着科学的发展，人们对场的认识也在逐步的深入。初中科学、物理和高中物理课程中，电场、磁场概念是教学的重点和难点。对这两个概念的理解又是理解其他相关内容的基础。然而，国内外的相关教材对于这两概念的叙述是有差别的。
一、“场”概念的提出
人们早就发现了带电体之间、磁石之间具有相互作用。对于这种现象，历代科学家都提出了不同的解释。在很长一段时间里，人们认为，电磁相互作用不需要任何媒介，也不需要时间，就能够由一个物体立即作用到相隔一定距离的另一个物体上。这就是超距作用观点。[1-2]然而法拉第(M.Faraday)却在实验和理性思维相结合的基础上，首先提出了“力线”和“场”模型的思想。1821年，法拉第关于载流导线绕磁极转动的研究，能用于电磁现象的解释。电磁感应现象的发现，使“力线”概念成了法拉第思想的核心。1831年，法拉第在向英国皇家学会宣读电磁感应的论文中，首次使用“磁力线”这个词。随着实验的进展，法拉第对磁力线的概念和认识也逐步深入。1832年，他指出，与磁力线类似，在带电体之间有“电力线”。法拉第通过一系列的研究坚信，电和磁的作用不是没有中介地从一个物体传到另一个物体。他认为这类力也是近距作用的，电力和磁力是通过一种充满在空间的弹性媒质——“以太”(ether)来传递的。这实际上是“场”概念的萌芽。1845年他第一次使用了“磁场”这个词，两年后他又单独使用“场”这个词，这是物理学中第一次提出的作为近距作用的“场”的概念。
二、“场”概念的演化和发展
随着科学的发展和人们认识水平的提高，人们对“场”的概念的认识在逐步深化。麦克斯韦(J.C.Maxwell)在总结了电磁现象的一些实验规律的基础上，预言了电磁波的存在。麦克斯韦引进了一个电磁场能量方程。他指出，在超距作用理论中，能量只能存在于带电体、电路和磁体中，而根据新的理论，能量则存在于电磁场和这些物体中，从而深刻地显示了电磁场的物质实在性。[3-4]
但是，由于时代和科学水平的局限，麦克斯韦对场的认识只是所谓电磁以太模型。到了二十世纪初，随着科学的发展，对场的认识进一步深化。1900年前后，俄国科学家列别捷夫首先从实验上观察到了光压这一现象，间接证明了电磁场具有动量。狭义相对论的创立，使人们开始抛弃场的电磁以太模型，认识到场和实物物质一样是物质存在的一种形式，它不仅具有能量，而且具有动量和质量，把场看成了一种特殊的物质。量子理论的提出和发展，又使人们进一步认识到场不仅具有波动性，而且具有粒子性。为了更好地认清这种二象性，在量子电动力学中将电磁场量子化，并用波函数来描述电磁场的量子状态，根据电磁场的量子理论，组成电磁场的基本粒子是光子，在一定的条件下，光子和正、负电子对可以互相转化，从理论上说明了场和实物物质的相互转化和统一，大大丰富了场的物质性的内涵。但是，电磁场究竟是一种什么样的物质也远远没有弄清楚。
三、场和实物的比较
场和实物都是客观实在，是物质存在的形式，它们有许多共同性。[5-6]场和实物不仅有能量、动量，而且也有质量（光压实验即证明了这一点），实物的粒子有静质量和动质量（根据爱因斯坦狭义相对论）之分，场粒子（如光子）只有一个不变的运动质量，但是没有静质量。场和实物也具有波粒二象性，实物粒子的粒子性较强，场的波动性较强。标志波动性的频率v、波长λ和标志微粒性的能量E、动量p通过普朗克常量h定量地联系起来，即关系式：
场和实物都遵从质量守恒、能量守恒、动量守恒、动量矩守恒以及质能关系
。因此，场的产生必定是以物质的某种形态消失为前提，即场和实物是可以相互转换的，如光子产生电子偶；电子偶湮没产生光子。实物粒子有带电和不带电（中性）之分，而场微粒光子则永远是中性的。
实物具有空间局域性，场具有空间的弥散性。实物的质量和能量高度集中在有限空间内，场的质量和能量一般是弥散分布在无限空间内，如对电磁场，即是以电磁波的形式向周围空间扩散传播开的。实物粒子有极限速度（真空中为光速），而光子速度是不变的。
场空间是兼容的，即一个空间可以同时容纳几种场，如电磁场可以在同一个空间内存在，而且通常它们确实就存在于同一个空间内，而实物所占空间不能同时容纳其他实物。场和实物可以同时占有一个空间。如带电粒子在电场里要受到电场力的作用，粒子与场处于同一个空间。
四、不同教科书对“电场”“磁场”概念的解释
(1)朱清时主编的《科学》（8年级）教科书认为：当磁体接近小磁针时，小磁针会转动起来。原来，磁体的周围存在磁场(magnetic field)，而小磁针在磁场中会受到磁力的作用，所以小磁针是在磁力的作用下转动起来的。［浙江教育出版社，2003:p.130.］
(2)全日制普通高级中学《物理（必修、第2册）》教科书认为：电荷周围存在着一种叫做电场的物质，电荷通过电场与其他电荷发生作用。电荷之间的静电力是通过电场发生的。与此类似，磁极之间的相互作用是通过磁场发生的。磁极在空间产生磁场，磁场对其中的磁极有磁场力的作用。［人民教育出版社，2003:p.63、89］
(3)蔚道环等人编写的《物理教与学》认为：磁体周围空间存在着磁场，磁场是一种看不到、摸不着而又确实存在的一种特殊形态的物质。［测绘出版社，1992:p.399.］
(4)王谦编写的《中学物理课程简要》认为：电场是存在于电荷周围的一种物质，电荷间的相互作用是通过电场来进行的。磁场是存在于磁体和电流周围的一种物质，它对磁体和电流都有力的作用。［商务印书馆（香港分馆），1978:p.328、380］
(5)［西德］塞尔肖夫－乌劳贝尔认为：磁力作用的空间叫做磁场，电力所作用的空间叫做电场。［（西德）塞尔肖夫—乌劳贝尔著，安文铸译，物理5-9(10)（国民学校），文化教育出版社，1981:p.173，252］
(6)Tom Duncan认为：电场(electric field)就是电荷在其中将会受力作用的一个区域。在磁铁的周围的空间有磁力的作用，我们称这样的空间为磁场(magnetic field)。［Tom Duncan著，刘一贯、周显光译，高级物理学（下册），导师出版社（香港），1993:p10、78］
(7)吴百诗编写的《大学物理（第2次修订本）》（上册）认为：电荷周围空间都存在着一种“特殊”的物质，这种物质称为电场。［西安交通大学出版社，2004，p.238］
(8)梁绍荣等人编写的《普通物理学（第2分册）》认为：电荷之间的相互作用的媒介物的东西就叫做电场。场是一种特殊的物质，这种物质形式和常见的由原子、分子组成的实物形式不同。磁铁或电流（或运动电荷）周围存在磁场。磁场是一种特殊的物质，磁力是通过磁场传递的。［高等教育出版社，2005:p.13、171］
五、对中学“电场”“磁场”概念教学的思考
关于“电场”“磁场”概念的多样化，已经列举了许多。基本上可以分成两类，国内倾向于认为“电场”“磁场”是“一种物质”，“一种特殊的物质”。国外倾向于认为“电场”“磁场”是“电荷、磁体周围的区域或空间”。这两类概念在一定程度上都可以说是正确的，只是以不同的角度在不同的层面上讨论问题。阐明“电场”“磁场”的本质在教学中是非常重要的。但是，在中学是没有必要对“电场”“磁场”下一个定义，再从定义出发，来讲解电场、磁场的一系列性质。中学教材中，是从描述性的概念入手，通过电场强度、电场力、电力线等操作型定义来加强学生对电场的理解（对于磁场也是如此）。教材做这样的处理是必要的，也是合适的。但如果从定义出发就有困难了。因为在逻辑学上最常用的揭示一个事物本质的方法就是给它下定义。最为常用的定义方法就是“属”加“种差”的方法。从这种方法出发考察，“电场”“磁场”的属是“物质”还是“空间”，这是首要的问题。
在教“电场”“磁场”概念的时候，结合与“场”有关的科学史，有利于学生对“电场”“磁场”概念的深入理解。在科学课程教学中结合科学史可以使学生更好地把握科学本质。体现科学本质是科学教育的基本理念之一。与“场”的有关科学史能够促进学生理解科学究竟是什么，“电场”“磁场”等知识是怎样产生的。这段科学史能真实地反映“电场”“磁场”等科学概念、理论的发现和演变过程，从而，有利于学生领悟科学的本质，有利于学生形成正确的科学观。有利于培养学生的批判精神。同时，学生从科学形成过程的历史中可以感受到前人在科学研究中所遇到的艰辛，表现出的智慧和奋斗精神，因而科学史也具有很大的教育价值。