从麦克斯韦方程研究麦克斯韦的科学思想.doc

班级：105班? ? ? ? 姓名：李丽花? ? ? ? 学号：102020078? ? ? ? 座号：37号 从麦克斯韦方程研究麦克斯韦的科学思想 摘要：麦克斯韦的成就主要是将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组可以与牛顿运动定律媲美，它与经典物理学完全不同，但另一方面，它与以相对论、量子力学等全新的现代物理学相比，又被看成是具有古典意义的，这种特殊的地位，使它具有一种历史性意义。它所包含的类比、思想实验、位移电流等思想对我们有很大的启示作用。所以，本文将从麦克斯韦方程入手，研究麦克斯韦的科学研究方法。 关键词：麦克斯韦方程组 类比思想 数学形式 思想实验 引言 与数学演绎方法不同，麦克斯韦方程是在电学实验中发现和总结出来的思想提出的，但又完全用数学语言来表达。麦克斯韦方程组以一种公理关系的方程组形式表达了电磁场的本质，使物理学得到了发展。麦克斯韦用类比研究的方法。为法拉第力线做了精确的数学描述，并以电磁学实验力学原理为依据，在前人的成果基础上通过自己的艰苦努力，最终建立起电磁场方程，为我们建立了丰富的方法的教益和启迪。 一、伟大的物理学家麦克斯韦 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，英国物理学家、数学家。科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合，麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此应与牛顿齐名。1873年出版的《论电和磁》，也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明 爱因斯坦曾深刻地阐述了麦克斯韦对物理实在观念发展的影响。他说：“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切自然科学的基础。” 但是人们对于物理实在的观念决不是不变的。事实上，他在历史进程中已经经历了影响深远的变化。爱因斯坦指出：在牛顿的观点中，质点是我们表示实在的唯一形式，是实在的唯一代表。这种观点本质上是原子论的和机械论的。一切时间都要用机械的方式来解释——也就是说，完全要被解释为按照牛顿运动定律的质点运动。然而，在法拉弟和麦克斯韦的观点中，物理实在是由连续的场来表示的，不能对它作机械论的解释。实在概念这一变革，是物理学自牛顿以来的一次最深刻和最富有成效的变革。爱因斯坦还评述道：“自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理学的公理基础——换句话说，就是我们关于实在的结构的概念的最伟大的变革，是由法拉弟和麦克斯韦在电磁现象方面的工作而引起的。” 电磁理论问世后，在相当长的时间里，并未得到科学界和社会的承认。最初，只有一些剑桥大学的青年科学家支持他。麦克斯韦的晚年相当不幸。他的学说没有人理解妻子又旧病不愈。但他的演讲，他的实验工作，却从来没有中断过。甚至于在他生命的最后一年，他的讲座只有两名听众。直到他死后多年，在赫兹证明了电磁波的存在后，人们才意识到他是自牛顿以来最伟大的理论物理学家。 2、物理学史上的麦克斯韦方程组 1、麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组是一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。它由四个方程组成：描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律 麦克斯韦方程组的积分形式： 这是1873年前后，麦克斯韦提出的表述电磁场普遍规律的四个方程。其中： （1）描述了电场的性质。在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。 （2）描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁感应线都是闭合线，对封闭曲面的通量无贡献。 （3）描述了变化的磁场激发电场的规律。 （4）描述了变化的电场激发磁场的规律。 2、麦克斯韦方程组的科学意义 (一)经典场论是19世纪后期麦克斯韦在总结电磁学三大实验定律并把它与力学模型进行类比的基础上创立起来的。但麦克斯韦的主要功绩恰恰使他能够跳出经典力学框架的束缚：在物理上以"场"而不是以"力"作为基本的研究对象，在数学上引入了有别于经典数学的矢量偏微分运算符。这两条是发现电磁波方程的基础。这就是说，实际上麦克斯韦的工作已经冲破经典物理学和经典数学的框架，只是由于当时的历史条件，人们仍然只能从牛顿的经典数学和力学的框架去理解电磁场理论。 现代数学，Hilbert空间中的数学分析是在19世纪与20世纪之交的时候才出现的。而量子力学的物质波的概念则在更晚的时候才被发现，特别是对于现代数学与量子物理学之间的不可分割的数理逻辑联系至今也还没有完全被人们所理解和接受。从麦克斯韦建立电磁场理论到现在，人们一直