2015-2016学年第二学期
《自然辩证法概论》期末课程论文
自然辩证法对理解电磁学与流体力学及
其关系的帮助
——对麦克斯韦方程组与流力基本方程组的再认识
姓 名： 学 号： 任课教师： 完成时间：
2016年 4 月 5 日
1
自然辩证法对理解电磁学与流体力学及其
关系的帮助
摘 要
电磁学是研究电磁力（电荷粒子之间的一种物理性相互作用）的物理学的一个分支。流体力学是研究流体（包括气体、液体和等离子体）现象以及相关行为的科学。这两门学科都是物理学的某一分支在发展过程中理论与实践相结合的结晶，它们是现代社会许多发明成就的坚实理论基础，是人类社会发展进步的重要推动力量。这两门学科在其各自发展过程中，蕴涵着深刻的哲学原理，包括了自然辩证法的许多原理，如辩证唯物主义的世界观和方法论、质量互变规律、矛盾论、可持续发展论等。不管是电磁学还是流体力学，作为自然界和科学技术发展的一般规律以及人类认识自然改造自然的一般方法的科学门类，它们的研究目的都是为了合理地解决人与自然的矛盾，从而得出对人类有益的方法与技术。
电磁学与流体力学之间有许多类似之处，它们之间有不仅对应的物理现象，还有着在形式上相同的数学表示式，其核心部分分别是麦克斯韦方程组与流体力学基本方程组。本文通过在学习完自然辩证法后，运用自然辩证法的相似类比方法对大学物理所学电磁学与专业课流体力学的基本概念进行梳理，对这两门学科的概念进行链接对比，以及对两门学科相对应的物理量及相关方程组内涵及形式进行分析。
关键字：自然辩证法、电磁学、流体力学
2
引言
辩证唯物主义认为，整个世界是统一于物质的，一切事物、现象之间是相互联系、相互依赖、相互制约的，并在一定条件下相互转化。人类对自然界的研究愈深入，就愈认识到各种事物之间相互联系、相互影响的密切性，在现代科学的发展过程中，虽然各学科有其相对独立的内容，但同时也应看到各学科之间的相互交叉、渗透的关系。从哲学的意义上来讲，对于电磁学与流体力学的研究和发展过程是唯物辩证法的思维方法在相应的科学技术对应分支上的运用。
科学技术属于哲学范畴，科学技术与哲学之间的关系不是两个事物之间相互外在的关系，而是事物自身内在的关系，即科学技术与哲学的其他构成因素之间的关系，以及作为部分的科学技术与作为整体的哲学的关系。科学技术与哲学之间的关系也不是一般的相互影响、相互作用的关系，而是决定与被决定、作用与反作用的关系。
哲学范畴的自然辨证法就可以指导我们认识梳理我们大学物理中学过的电磁学以及专业课里的流体力学。我们来注意一下连续介质流动和电磁物理之间许多惊人的相似特点, 电磁学研究的物理现象和连续介质力学研究的物理现象有许多相似之处。这一点我们可以在在自然界看到许多例子，比如静电场和不可压流体场的相似，有这个相似性，人们才可以把不同性质的实验用来相互类比，比如长江的流动如果用无粘流来近似估算它的流线的话，就可以用静电场的测量来代替水力学实验，为什么呢？这是因为它们都满足拉普拉斯方程, 然而这些都是静态的定常方程,对于动态的情况,我们可以从另一个角度来观察电磁场的有关物理现象和连续介质场变化的相似性，如电场对时间的变化产生了磁场的旋度（磁场的涡），而磁场对时间的变化产生电场的旋度（电场的涡）这些现象，在连续介质力学中，正好有类似的例子。连续介质力学中力（也就是加速度）对时间的变化是能够产生涡的旋度的，比方我们在游船上把船桨在水里一划，于是在我们加力的桨叶周围，就生成了一个涡环，涡环的所在平面法向和作用力方向一致，也就是说力产生了涡的旋度，然而我们也熟悉霍姆赫兹定律，涡强的随体导数的变化将产生力的环量，力产生涡的旋度，涡的变化也产生加速度的旋度. 看起来，这和电磁场里面的电生磁，磁生电，很相似。
一、自然辩证法指导科学研究的思想内涵
自然辩证法是马克思主义哲学的重要组成部分，是关于自然界和科学技术发展的一般规律以及人类认识和改造自然的一般方法的科学。它是马克思主义关于认识自然和改造自然已有成果的概括和总结，是随着科学技术的发展而不断丰富
3
和发展着的开放的理论体系。
自然辩证法包括三部分：自然界发展的一般规律，即自然界发展的辩证法；科学技术发展的一般规律，即科学技术发展的辩证法；人类认识自然和改造自然的一般规律，即科学技术研究的辩证法，亦即辩证唯物主义的自然观、科学技术方法论和科学技术观。它和各门具体科学技术一样，都是研究自然界、科学技术及其研究方法的规律性探索，这表明了它具有科学技术特性。
自然辩证法是自然界和自然科学发展的普遍规律的科学，是人们认识自然和改造自然的方法论。学习自然辩证法有助于我们抵制和批判各种伪科学和反科学，有助于净化社会环境，推进社会主义精神文明建设。内容涉及自然观、自然科学观、自然科学方法论及各门自然科学中的哲学问题和科学技术思想史等广泛的领域。自然辩证法是马克思主义理论研究的一个组成部分，而不是马克思主义哲学的一个分支，因为自然辩证法不仅对人与自然关系进行哲学的考察，还要进行经济学的、社会学的研究；科学技术的发展，不仅影响马克思主义哲学，而且还会影响马克思主义政治经济学和科学社会主义。恩格斯对自然辩证法的科学揭示把人对自然的认识从僵化的、神学的束缚中解放出来，被自然界发展的辩证图景展示在人们的面前，在此基础上它进一步阐述了辩证唯物主义自然观的一系列正确观点，揭示出辩证唯物法的基本规律和各种范畴在自然科学中的体现。
自然辩证法思想建构了科学时代的科学世界观，自然科学的迅猛发展使自然界各种现象的普遍联系和发展真切地呈现在人们的面前，历史的车轮已经把人类社会推进了科学的时代。科学代的到来不仅意味着人类面对外部世界的更多自由，而且意味着人类精神世界的丰富、智慧理性的提升，对待外部世界的观点和看法的改变，以往的世界观在科学发展的强劲势头之下受到了无法避免的冲击和挑战。恩格斯则顺应了时代发展的要求，从对自然科学的各项巨大成就的热切关注中提炼出了自然辩证法的科学思想，赋予了理论形态的世界观以坚实的自然科学基础。自然辩证法思想为科学地认识自然和人类社会提供了科学的方法论指导，也为我们认识自然和人类社会的发展规律提供了科学的方法论指导。在人们认识自然的活动中，自觉地遵循科学的理论思维—辩证思维—的指导，就可以避免不必要的主观臆测，减少盲目性，克服片面性。
恩格斯通过自然辩证法思想所建构出的科学世界观和方法论，无疑为科学精神的塑造和培养提供了科学的理论武器，也进一步为推进人的现代化，促进人类社会进步创造了思想条件。现代化是指在科技革命的推动下，人类社会不断告别愚昧落后走向文明进步的过程，是人类社会发展的必然趋势。人对现代科技的掌握与驾驭是决定社会现代化进程的归根结底之关键。恩格斯的自然辩证法思想正是为我们提供了与推进人的现代化，进而实现社会现代化的思想要求相契合的理
4
论财富。在科学的世界观和方法论的理论指导下，现代化的进程将加速进行，科学精神将不断内化为人的思想意识和价值追求，科学和理性将擦拭人类智慧的蒙尘，去除人类精神的枷锁，唯灵论、伪科学等蒙昧主义思潮的反科学本质无需揭露自将暴露无遗，最终将无处藏身，直至退出历史舞台。
二、电磁学的基本概念及发展历程
在电磁学发展的早期，人们认识到带电体之间以及磁极之间存在作用力，而作为描述这种作用力的一种手段而引入的场的概念，并未普遍地被人们接受为一种客观的存在。人们已经认识清楚，电磁场是物质存在的一种形态，它可以和一切带电物质相互作用，产生出各种电磁现象。电磁场本身的运动服从波动的规律。这种以波动形式运动变化的电磁场称为电磁波。电磁学的任务就是阐述电磁场及与物质相互作用的各个特殊范围内的实验定律，并在此基础上阐明电磁现象的本质和它的一般规律，以及运用这些规律定量地处理各种电磁问题、研究各种电磁过程。电磁学中解释电磁现象的基本规律的理论，是19世纪伟大的物理学家麦克斯韦建立的方程组。
麦克斯韦方程组是在库仑定律(适用于静电)、毕奥-萨伐尔定律和法拉第电磁感应定律等实验定律的基础上建立起来的。通过提取上述实验定律中带普遍性的因素，并根据电荷守恒定律引入位移电流，就可以导出麦克斯韦方程组。在物理上，麦克斯韦方程组其实就是电磁场的运动方程，它在电磁学中占有重要的地位。
另一个基本的规律就是电荷守恒定律，它的内容是：一个封闭系统的总电荷不随时间改变。近代的实验表明，不仅在一般的物理过程、化学反应过程和原子核反应过程中电荷是守恒的，就是在基本粒子转化的过程中，电荷也是守恒的。
麦克斯韦方程组给出了电磁场运动变化的规律，包括电荷电流对电磁场的作用。对于电磁场对电荷电流的作用，则是由洛伦兹力公式给出的。将麦克斯韦方程组、洛伦兹力公式和带电体的力学运动方程联立起来，就可以完全确定电磁场和带电体的运动变化。因此，麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式构成了描述电磁场运动和电磁作用普遍规律的完整体系。
在电磁场的作用下，静止的媒质中一般可能发生三种过程：极化、磁化和传导。这些过程都会使媒质中出现宏观电流。极化和磁化的公式的另一个重要限制是不能应用于铁电和铁磁情况。铁磁质是常用的磁性媒质之一。另外，在强场情况，即使普通的媒质，也会出现非线性现象。当电场超过一定限值时，电介质甚至会被击穿。电磁波在各向异性介质中传播时，常会发生一些复杂的现象，如双折射等。在电磁学中，处理有媒质的电磁问题时，需要将麦克斯韦方程组和媒质
5