ローレンツ力から学ぶ電磁気学
ローレンツ力から学ぶ電磁気学
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从洛伦兹力学习电磁学
DOI：
10.11316/peu.29.1_32
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发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
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通讯作者：
篁 耕司
中科院分区：
文献类型：
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作者：
松原 英一;篁 耕司
筆者が所属する旭川高専では, 物理系の科目が全 4 学科において 1~ 4 学年で必修となっている. どの学科にも物理を苦手とする学生が一定の割合でおり, 特に電磁気学の分野は理解に苦労する分野の一つといえる. この分野を苦手とする学生からは, 内容が抽象的で実際の現象とどのようにリンクするのかイメージしにくい, よくわからない式がたくさん出てきて混乱する, といったコメントが多く聞かれる. 力学と比較すると, 人名を冠した法則が多く, それらが並列的に教えられることが, 理解が進まない一因ではないかと考える. また, 電荷, 電流, 電場, 磁場, 電位といった最初に押さえておかなければならない基本的な概念が多い, ということも挙げられる. 筆者の一人は, 総合大学を経て, 主に初年次の物理教育を担当していた医療系の大学から工業系の高専に異動し, 現在に至っているが, その期間中, 電磁気学の各学修項目を教える順序について考察を続けてきた. 大学初級向けの教科書を参考にしながら講義資料の作成を進める過程で気づいたことは, 電流, 電場, 電位といった冒頭の基本的概念の説明の順番について, 多くの場合, クーロンの法則から始まっているという共通点はあるものの, 電流, 電位, 磁場まで含めた各項目の取り扱いの順序・方法が実にまちまちである, ということである. これは, 多くの力学の教科書が, 運動から始まるか, 力学の法則から始まるか, などの多少の違いを除いては, どれもほぼ同じような順番で記述されるのと対照的である. 多くの概念を並列的に学んでいくのは, 学ぶ側として負担が大きい. 教える側としても, 筋が不明確な話をするのは違和感を覚えるし, そのような状況では学修者に理解させるのは難しい. 物理を履修する学生は, 電磁気学を学ぶ前に力学を学修済みである. そこで, 電磁気学の学修においても, 力学とのアナロジーが成り立つところは最大限利用するのが得策ではないかと考えた. たとえば, 力学の学修における冒頭でのハイライトは運動方程式 (ニュートンの運動の第 2 法則) であり, それ以降の運動量と衝突, 仕事, 力学的エネルギーなどの説明は運動方程式を使って展開される. 電磁気学においては, 荷電粒子が電磁場から受ける力を記述し, その運動を決定づけるのはローレンツ力である. そのため, 電磁気学の冒頭の部分で, ローレンツ力を軸に説明を展開すると, 電荷, 電流, 電場, 磁場, 電位といった, ともすればつながりが曖昧な形で並列的に教えられてしまいがちな事柄が, 意味をもった順序で教えられ, 理解されるのではないかと考えた. 電場のローレンツ力を説明する前に, クーロンの法則を説明する教科書が多い. 表 1 に示すとおり, 現在でも高等学校向けの教科書だけでなく, 大学初級向けの教科書でも, ほとんどの場合, 電荷の概念の次にクーロンの法則が登場する 1-3). その理由については, 1941 年にアメリカで出版された教科書 4) の影響が指摘されている 5). その他, インターネット上の記事などに散見されるような, 万有引力の法則との類似性が挙げられる. クーロンの法則の表式が万有引力の式と似ており, 電磁気学の入り口としてイメージしやすいから, というものである. しかし, 力学の学修において, 万有引力の表式は決して冒頭で扱われるものではなく, 運動に関する法則を一通り学んだあとに登場するのが普通である. すなわち, 学理の上では非常に重要な法則ではあるが, それがない