涡旋电场和静电场之比较教学内容

涡旋电场和静电场之比较

江苏省张家港市后塍高级中学薛超

人教版高二物理（必修加选修）第十九章第三节介绍了麦克斯韦的电磁场理论：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。并且在书的右侧附了一幅关于“变化的磁场产生电场（磁场增强时）”的情形图，如下图所示。

图 1

很多学生学到这里时就会产生疑问：电场里的电场线不是从正电荷发出，到负电荷终止的吗？怎么到了这里又变成闭合的了呢？

其实，这是由于学生对电场的了解不足所造成的。

在物理学中，电场有两种：静止电荷产生的静电场和随时间变化的磁场产生的涡旋电场（也叫感生电场）。那么，这两种电场又有什么异同点呢？下面，就让我们来共同比较一下它们的相同点和不同点。

一、相同点

（1）都对放入其中的电荷有作用力。

（2）电场强度的定义式是电场强度的普遍定义，它对这两种电场都适用。

二、不同点

（1）产生原因不同：

静电场──由静电荷产生

涡旋电场──由变化磁场产生

（2）电场线的分布不同：

静止电荷产生的静电场，其电场线起于正电荷终止于负电荷，不可能闭合。

变化磁场产生的涡旋电场，其电场线没有起点、终点，是闭合的。

（3）电场力做功情况不同：

静电场中电场力做功和路径无关，只和移动电荷初末位置的电势差有关。

涡旋电场中移动电荷时，电场力做功和路径有关，因此不能引用“电势”、“电势能”等概念。

下面我们来看一个具体的例子：

如右图2所示，在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球(重力不计），正以速率沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度随时间成正比例增加的变化磁场，设运动过程中小球带的电量不变，那么（）

A．小球对玻璃环的压力不断增大

B．小球受到的洛伦兹力不断增大

C．小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动

D．洛伦兹力对小球一直不做功

解析：

因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场，所以会在其周围产生稳定的涡旋电场，对带正电的小球做功。由楞次定律，可判断电场方向为顺时针方向，故在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动。

小球在水平面内沿轨道半径方向受两个力作用：环的弹力和磁场的洛伦兹力，而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力，考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化，弹力和洛伦兹力不一定始终在增大。

因洛伦兹力始终与圆周运动的线速度方向垂直，所以洛伦兹力对小球不做功。

正确选项：C、D

由以上分析可知，对于遇到的关于变化的电磁场的问题，要首先考虑到涡旋电场与静电场的联系和区别，要用联系的观点认识规律，从而作出正确的判断。

应该注意，对基本物理概念、物理规律的深刻理解不可能一次完成，它需要一个反复加深认识的过程。遇到的新现象、新问题、新领域，我们都需要重新认识、体会有关概念、规律的准确含义。这样我们就不断在越来越广泛的知识和背景上来把握概念、规律，从而对它们的理解就更全面、深入和准确。