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电动力学对于数学不好的文科生有多难?

 thchen0103 2017-10-04

电动力学对于数学不好的文科生,难度相当大,第一是文科生很难理解梯度、散度、旋度,第二是文科生很难理解泊松方程和拉普拉斯方程,第三文科生也很难理解麦克斯韦方程组解决电磁场问题的过程,最后文科生理解相对论困难就更大了。

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首先,要学会电动力学,你必须了解电动力学是研究稳定电场、稳定磁场及时变电磁场的变化规律,而了解这些场的空间变化规律,你就必须从它的位的梯度、场的散度和旋度出发,因此文科生就会遇到第一道大山要翻越。其实,梯度就是标量场中空间变化较快方向的变化率,看起来似乎不困难,但是难就难在它虽然是研究标量场的,但是它的结果是一个矢量,而矢量对于文科生难度较大。散度是指所研究的闭合曲面内是否存在点源,如果散度不为零,则存在点源。如点电荷建立的电场,就可以在其扩散的区域,测得散度。散度计算也是求导数,但是是把矢量在求散度后变为标量,要想理解这一概念,需要理解矢量点乘的概念,没学过矢量分析的文科生困难不小。而旋度是否为零直接对应是否在研究的闭合曲线内是否存在涡旋源。相对来说旋度最难,要想理解这一概念,不仅需要掌握矢量分析的知识,而且需要线性代数的基本知识。

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其次,电动力学解决的电磁场问题,不是普通物理要解决的由源求场的正演问题,而是由场求源的反演问题,这就需要解关于电磁场的泊松方程或拉普拉斯方程,没有常微分方程和数理方程知识的文科生,难度指数大幅度上升。电动力学中可以由稳定电场、稳定磁场及时变电磁场中位的梯度及场的散度、旋度的微分形式导出泊松方程或拉普拉斯方程,再由由稳定电场、稳定磁场及时变电磁场中位的梯度及场的散度、旋度的积分形式和极限情况可以得到边界条件,从而可以求解场的方程得到源的情况。这些过程,文科生要想理解,难度要比理解三个度又大大提高。

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再次,电磁场中最重要的规律——麦克斯韦方程组,对于文科生难度就更大了,位移电流和涡旋电场的概念都是抽象性极强的新概念,没有一定的电子电路知识和普通物理思维理解起来,难度大到不可想象。稳定电场中只有电荷定向移动才能产生电流,但是麦克斯韦创造性的指出其实时变电磁场中,电容极板上的堆积的电荷也是一种电流——位移电流。这个概念理解起来,就和常规的认识有较大差别,对文科生就是一个巨大的挑战。

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最后,至于相对论,虽然有的学者声称狭义相对论就是几个公式,难度不大,但是就拿上面那个涉及到坐标变换的情况,相信很多物理专业本科生都不一定能说清楚,何况没有任何高等数学和普通物理基础的文科生,可以负责任的说,不认真把物理专业必需的数学、物理知识学会,想理解相对论是难于上晴天的。

总之,文科生理解电动力学中关于稳定电场、稳定磁场及时变电磁场中位的梯度及场的散度、旋度,泊松方程、拉普拉斯方程及麦克斯韦方程组等会面临越来越大的困难,更不用说是相对论了。基本上对于大多数数学物理基础薄弱的文科生来说,电动力学基本上就是天书。


数学不好的文科生是很难学好电动力学的,因为电动力学对数学的要求比较高。

电动力学的基础是麦克斯韦方程组,这个方程组是一系列偏微分方程,如果你连偏微分方程都不知道是什么,那么就无法理解麦克斯韦方程组。当然,因为麦克斯韦方程组是线性的,所以这个方程相对于爱因斯坦的引力场方程这种非线性的偏微分方程组来说还是要简单一些。但对文科生来说,一般只学过文科微积分,是没有偏微分方程的知识背景的。因此,文科生无法理解麦克斯韦方程组。

不了解麦克斯韦方程组,但文科生可以知道一些基本的结论,有些知识是可以记住的:比如说,光也是电磁波,可以从麦克斯韦方程组得到电磁波的波动方程,还可以看出电磁波是以光速传播的。

电动力学还有一部分内容是狭义相对论,这部分内容说明:电磁场理论天生就是满足狭义相对论的,所以需要掌握狭义相对论的知识。文科生对狭义相对论的理解可能会相对简单一些,因为它的数学基础很简单,就是一个洛仑兹变换公式。而如果用一些比较初等的眼光来看狭义相对论,则是文科生也可以理解的——比如用时空中的相似三角形来讲解狭义相对论(我曾经在很多科普讲座中给初中生与文科生讲过,他们都能由此理解狭义相对论)。

总之,文科生数学虽然差一些,但电动力学的部分知识还是可以掌握的。


我是个理科生,在学习历史中认识到数学有几个坎,每个坎都有一批到达理解极限的人倒下。第一个坎是分数,从实际存在的计数对象到抽象的计数对象,有的人对同分就永远理解不了,做题要靠背,这样的不仅不要学数学,离理科都要远避,初中就困难。再一个是方程,对代数概念理解不了,永远困难,这些人高中数学是极限。下一个是极限,不能完全理解极限高等数学就是逾越不了的高峰,这些人最多到工科,千万远离理科。最后就是数理方法,傅立叶级数、方程,拉普拉斯方程和变换,有些高数还可以的到此止步。过这道坎,学习任何数学类学科应该不会有问题了,但搞研究则是要天分的。

文科生如果是高中层次障碍,那就远离电动力学吧!可怜您。


说简单也不简单。说难也不难。

电动力学大部分就是解方程。计算量可能有点大。不过对于熟练的可能通解已经能背下来,然后还有镜像法之类的。

个人觉得是四大力学里最简单又最难受的。简单在于内容就是解方程。难受也在此,硬着头皮去解就是了。


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