cash and stock! “场”概念的发展与对中学“电场”“磁场”概念教学的思考 来源： 作者：方咸围/陈海英/陈志伟 时间：2009-08-25 点击： 125 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。
