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電動(dòng)力學(xué)對(duì)于數(shù)學(xué)不好的文科生有多難?

 漫步之心情 2017-10-04

電動(dòng)力學(xué)對(duì)于數(shù)學(xué)不好的文科生,難度相當(dāng)大,第一是文科生很難理解梯度、散度、旋度,第二是文科生很難理解泊松方程和拉普拉斯方程,第三文科生也很難理解麥克斯韋方程組解決電磁場(chǎng)問(wèn)題的過(guò)程,最后文科生理解相對(duì)論困難就更大了。

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首先,要學(xué)會(huì)電動(dòng)力學(xué),你必須了解電動(dòng)力學(xué)是研究穩(wěn)定電場(chǎng)、穩(wěn)定磁場(chǎng)及時(shí)變電磁場(chǎng)的變化規(guī)律,而了解這些場(chǎng)的空間變化規(guī)律,你就必須從它的位的梯度、場(chǎng)的散度和旋度出發(fā),因此文科生就會(huì)遇到第一道大山要翻越。其實(shí),梯度就是標(biāo)量場(chǎng)中空間變化較快方向的變化率,看起來(lái)似乎不困難,但是難就難在它雖然是研究標(biāo)量場(chǎng)的,但是它的結(jié)果是一個(gè)矢量,而矢量對(duì)于文科生難度較大。散度是指所研究的閉合曲面內(nèi)是否存在點(diǎn)源,如果散度不為零,則存在點(diǎn)源。如點(diǎn)電荷建立的電場(chǎng),就可以在其擴(kuò)散的區(qū)域,測(cè)得散度。散度計(jì)算也是求導(dǎo)數(shù),但是是把矢量在求散度后變?yōu)闃?biāo)量,要想理解這一概念,需要理解矢量點(diǎn)乘的概念,沒(méi)學(xué)過(guò)矢量分析的文科生困難不小。而旋度是否為零直接對(duì)應(yīng)是否在研究的閉合曲線內(nèi)是否存在渦旋源。相對(duì)來(lái)說(shuō)旋度最難,要想理解這一概念,不僅需要掌握矢量分析的知識(shí),而且需要線性代數(shù)的基本知識(shí)。

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其次,電動(dòng)力學(xué)解決的電磁場(chǎng)問(wèn)題,不是普通物理要解決的由源求場(chǎng)的正演問(wèn)題,而是由場(chǎng)求源的反演問(wèn)題,這就需要解關(guān)于電磁場(chǎng)的泊松方程或拉普拉斯方程,沒(méi)有常微分方程和數(shù)理方程知識(shí)的文科生,難度指數(shù)大幅度上升。電動(dòng)力學(xué)中可以由穩(wěn)定電場(chǎng)、穩(wěn)定磁場(chǎng)及時(shí)變電磁場(chǎng)中位的梯度及場(chǎng)的散度、旋度的微分形式導(dǎo)出泊松方程或拉普拉斯方程,再由由穩(wěn)定電場(chǎng)、穩(wěn)定磁場(chǎng)及時(shí)變電磁場(chǎng)中位的梯度及場(chǎng)的散度、旋度的積分形式和極限情況可以得到邊界條件,從而可以求解場(chǎng)的方程得到源的情況。這些過(guò)程,文科生要想理解,難度要比理解三個(gè)度又大大提高。

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再次,電磁場(chǎng)中最重要的規(guī)律——麥克斯韋方程組,對(duì)于文科生難度就更大了,位移電流和渦旋電場(chǎng)的概念都是抽象性極強(qiáng)的新概念,沒(méi)有一定的電子電路知識(shí)和普通物理思維理解起來(lái),難度大到不可想象。穩(wěn)定電場(chǎng)中只有電荷定向移動(dòng)才能產(chǎn)生電流,但是麥克斯韋創(chuàng)造性的指出其實(shí)時(shí)變電磁場(chǎng)中,電容極板上的堆積的電荷也是一種電流——位移電流。這個(gè)概念理解起來(lái),就和常規(guī)的認(rèn)識(shí)有較大差別,對(duì)文科生就是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

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最后,至于相對(duì)論,雖然有的學(xué)者聲稱(chēng)狹義相對(duì)論就是幾個(gè)公式,難度不大,但是就拿上面那個(gè)涉及到坐標(biāo)變換的情況,相信很多物理專(zhuān)業(yè)本科生都不一定能說(shuō)清楚,何況沒(méi)有任何高等數(shù)學(xué)和普通物理基礎(chǔ)的文科生,可以負(fù)責(zé)任的說(shuō),不認(rèn)真把物理專(zhuān)業(yè)必需的數(shù)學(xué)、物理知識(shí)學(xué)會(huì),想理解相對(duì)論是難于上晴天的。

總之,文科生理解電動(dòng)力學(xué)中關(guān)于穩(wěn)定電場(chǎng)、穩(wěn)定磁場(chǎng)及時(shí)變電磁場(chǎng)中位的梯度及場(chǎng)的散度、旋度,泊松方程、拉普拉斯方程及麥克斯韋方程組等會(huì)面臨越來(lái)越大的困難,更不用說(shuō)是相對(duì)論了。基本上對(duì)于大多數(shù)數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)薄弱的文科生來(lái)說(shuō),電動(dòng)力學(xué)基本上就是天書(shū)。

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