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大學(xué)物理與中學(xué)物理電磁學(xué)的銜接論文
作為高等院校理工農(nóng)科等專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)理論課,大學(xué)物理對(duì)非物理類專業(yè)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和分析解決問題能力的提高都有很大幫助。通過中學(xué)物理的學(xué)習(xí),大部分學(xué)生對(duì)大學(xué)物理課程中所要學(xué)習(xí)的一些物理概念和物理規(guī)律自認(rèn)為很熟悉,往往會(huì)忽視這些概念內(nèi)涵的理解,特別是相關(guān)物理規(guī)律的描述當(dāng)從特殊到一般、均勻到非均勻情況下所采用的數(shù)學(xué)手段發(fā)生變化,使得許多學(xué)生感覺到大學(xué)物理的學(xué)習(xí)比較困難。另一方面,由于中學(xué)物理與大學(xué)物理在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)中有一些區(qū)別,大學(xué)物理中會(huì)介紹當(dāng)前高新技術(shù)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性物理原理,同時(shí)大力加強(qiáng)了現(xiàn)代物理學(xué)的重要觀念。而大一學(xué)生還無法從中學(xué)物理的學(xué)習(xí)慣性中解脫出來,會(huì)逐漸對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)缺乏興趣。所以如何在新形勢(shì)下做好大學(xué)物理與中學(xué)物理教學(xué)的有效銜接,是目前大學(xué)物理教育工作者面對(duì)的一個(gè)迫切需要解決的問題。由于大部分概念較為抽象且涉及的數(shù)學(xué)物理方法較多,電磁學(xué)教學(xué)一直是大學(xué)物理教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。在多年的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生都覺得這部分學(xué)習(xí)起來感覺很難,概念容易混淆,并且學(xué)生自主分析問題、解決問題的能力較差,并對(duì)中學(xué)物理知識(shí)已形成固定思維模式。大學(xué)物理是中學(xué)物理的升華,隨著深度和難度的增加,如何實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生從中學(xué)物理到大學(xué)物理的順利過渡,是新形勢(shì)下教育改革實(shí)踐的重要內(nèi)容。文章主要基于目前大學(xué)物理和中學(xué)物理中電磁學(xué)部分的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)對(duì)本部分知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行比較分析,以期對(duì)該部分知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)銜接有所幫助。
1中學(xué)物理與大學(xué)物理電磁學(xué)部分的有效銜接
1.1電學(xué)部分的銜接
首先對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度的疊加和點(diǎn)電荷的電場(chǎng)等方面,大學(xué)物理更強(qiáng)調(diào)矢量的性質(zhì),并強(qiáng)調(diào)物質(zhì)存在的兩種方式:“場(chǎng)”與“實(shí)物”的區(qū)別,及彌散性和疊加性。在傳統(tǒng)的中學(xué)物理的教材和講授中,對(duì)“場(chǎng)”的這兩個(gè)特性都是略微指出。只要有場(chǎng)源電荷,就會(huì)在空間激發(fā)電場(chǎng),而場(chǎng)的分布與其他實(shí)物不同,它具有“無處不在”的彌散性和空間疊加性,而大多實(shí)物都是有形態(tài)有尺度并占用一定空間的物質(zhì),并在同一空間不能疊加。對(duì)該部分講解可以舉生活中的例子,比如現(xiàn)在通訊手段十分發(fā)達(dá),可以通過手機(jī)在某一個(gè)固定位置能夠探測(cè)到眾多的wifi信號(hào)來說明“場(chǎng)”的彌散性和疊加性,比如同一個(gè)空間可以被無數(shù)的“場(chǎng)”同時(shí)占用,而不同的實(shí)物卻不能同時(shí)占用同一空間。這樣通過生活中的一些實(shí)例分析,讓學(xué)生更加清楚直觀地理解“場(chǎng)”的彌散性和疊加性這兩個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)然也可以證實(shí)場(chǎng)與實(shí)物一樣,也具有能量、動(dòng)量和質(zhì)量等重要性質(zhì)。正是由于場(chǎng)的彌散性和疊加性這兩大特點(diǎn),大學(xué)物理電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)中對(duì)于分均勻分布的電場(chǎng)的計(jì)算通常采用微積分的方法,因?yàn)閷?duì)無窮多個(gè)小電荷元激發(fā)的電場(chǎng)的疊加就是積分。
另一方面,電磁場(chǎng)作為與空間位置有關(guān)的矢量點(diǎn)函數(shù),在積分中要涉及到矢量的運(yùn)算,這也是電磁場(chǎng)矢量疊加必然的數(shù)學(xué)工具。以電勢(shì)為例,下面詳細(xì)討論中學(xué)物理與大學(xué)物理中的異同。在中學(xué)教材中,電勢(shì)被定義為:如果在電場(chǎng)中選一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)位置,那么電場(chǎng)中某點(diǎn)跟標(biāo)準(zhǔn)為止間的電勢(shì)差。電勢(shì)差跟高度差相似,被選作標(biāo)準(zhǔn)位置間的電勢(shì)為零。電勢(shì)和電勢(shì)差單位相同。由電勢(shì)的概念可知,電場(chǎng)中某點(diǎn)電勢(shì)在數(shù)值上等于單位正電荷由改點(diǎn)移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)位置(零電勢(shì)點(diǎn))時(shí),電場(chǎng)力做的功。電場(chǎng)中某點(diǎn)電勢(shì)的大小與電勢(shì)零點(diǎn)的選取有關(guān)。在大學(xué)物理中,對(duì)電勢(shì)有更加具體的表述。如果選取無窮遠(yuǎn)處為電勢(shì)零點(diǎn),空間中任一點(diǎn)P的電勢(shì)就等于:。
由于電場(chǎng)力做功與路徑無關(guān),對(duì)于空間中任意兩點(diǎn)P和Q,我們有，即,表示P、Q兩點(diǎn)間的電勢(shì)差等于P點(diǎn)的電勢(shì)減去Q點(diǎn)的電勢(shì)。在實(shí)際工作中常常以地面或者電器外殼的電勢(shì)為0,這樣各點(diǎn)的電勢(shì)值也將隨之改變,但是兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差與參考點(diǎn)的選取無關(guān)。通過比較可知,大學(xué)物理對(duì)此概念的描述在定性引入的基礎(chǔ)上,定量給出了具體的計(jì)算公式。另外,對(duì)電動(dòng)勢(shì)的講授上,中學(xué)教材只是從能量轉(zhuǎn)化的角度定義了電動(dòng)勢(shì)是把其他形式的能(如化學(xué)能)轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng);大學(xué)物理在能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上,又引入了“非靜電力”等概念來揭示電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì):把單位正電荷從負(fù)極通過電源內(nèi)部移動(dòng)到正極時(shí)非靜電力做的功,并給出了具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
1.2磁學(xué)部分的銜接
首先,對(duì)于電流磁場(chǎng)的理論知識(shí),中學(xué)物理教材定性地描述了電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及判定磁場(chǎng)方向的一個(gè)重要方法,即右手定則(或者叫安培定則):用右手握住導(dǎo)線(或螺旋管),讓伸直的拇指(或彎曲的四指)的方向與電流的方向一致,彎曲的四指(或伸直的拇指)所指的就是磁感線的環(huán)繞方向(螺旋管內(nèi)部磁感線的方向)。通過上述方法可以很容易判定直線電流和通電螺旋管(包括環(huán)形電流)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。大學(xué)物理教材中首先列舉了幾種典型的磁現(xiàn)象,如奧斯特實(shí)驗(yàn)、磁鐵對(duì)載流導(dǎo)線的作用等。然后引入磁感應(yīng)強(qiáng)度以及磁通量的概念,對(duì)于任意形狀的載流導(dǎo)線在給定點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度,可以看作是導(dǎo)線上各個(gè)電流元在該點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的疊加�？梢酝ㄟ^畢奧-薩伐爾(后面簡(jiǎn)稱“畢薩”)定律定量計(jì)算出任意形狀的載流導(dǎo)線在給定點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小和方向。當(dāng)然,用畢薩定律判斷載流導(dǎo)線在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與中學(xué)教材中講述的根據(jù)安培定則判斷方向的結(jié)論是一致的,只不過用了矢量的數(shù)學(xué)運(yùn)算。
其次,在磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用的闡述方面,中學(xué)物理教材只能計(jì)算電流方向與磁場(chǎng)方向垂直的直導(dǎo)線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中所受安培力的大小,并用左手定則判斷其方向;大學(xué)物理教材可以根據(jù)安培定律計(jì)算磁場(chǎng)對(duì)任意形狀載流導(dǎo)線的作用力(通常叫安培力),并用矢量叉積法或者右螺旋法則判斷其方向。并且大學(xué)物理中還可以計(jì)算無限長(zhǎng)兩平行載流直導(dǎo)線間的相互作用力以及磁場(chǎng)對(duì)載流線圈的作用力。另外,中學(xué)教材從基本的電磁感應(yīng)現(xiàn)象入手,通過載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力,先定義這種力叫作“安培力”,再詳細(xì)研究影響安培力大小的因素,寫成公式即:B=F/IL。而在大學(xué)物理教材中,可以分別從運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中的受力和安培定律的基礎(chǔ)上對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行定義。中學(xué)教材中并沒有體現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與安培力的方向的關(guān)系,因?yàn)楦咧猩鷽]有學(xué)過微元法,用一小段通電導(dǎo)線檢測(cè)物體所受的安培力,這樣的實(shí)驗(yàn)演示比較形象直觀。但測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度是一小段通電導(dǎo)線在一定范圍內(nèi)的平均值,并不適用于非勻強(qiáng)磁場(chǎng)。大學(xué)物理教材中磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義與畢薩定律和安培定律相對(duì)應(yīng),但在實(shí)際上不可能得到單獨(dú)的電流元,所以沒有辦法用實(shí)驗(yàn)直接確定兩個(gè)電流元之間的相互作用,只能從閉合載流回路的實(shí)驗(yàn)中間接地反推出來結(jié)果。
最后,在對(duì)電磁感應(yīng)的學(xué)習(xí)上,中學(xué)物理教材首先是通過一些基本的電磁感應(yīng)現(xiàn)象來研究電磁感應(yīng)的產(chǎn)生條件,即只要閉合回路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化,回路中就一定有感應(yīng)電流產(chǎn)生,另外感應(yīng)電流的方向可以由楞次定律判斷。在中學(xué)物理的課堂教學(xué)中,應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生通過積極思考和查閱相關(guān)資料來主動(dòng)地獲得電磁感應(yīng)相關(guān)的背景知識(shí),要讓學(xué)生自己深刻體會(huì)到這一理論是以法拉第為代表的一批科學(xué)家通過很多年的探索才發(fā)現(xiàn)的。相比較而言,大學(xué)物理教材更強(qiáng)調(diào)對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律中動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)的理解,即磁通量變化的兩種原因上。對(duì)于這兩部分的講述重點(diǎn)應(yīng)該放在感生電場(chǎng)和洛倫茲力這兩點(diǎn)上,它們起到一個(gè)承前啟后的銜接作用:前者為學(xué)習(xí)電磁波做準(zhǔn)備,后者可看作對(duì)前面知識(shí)的復(fù)習(xí)和鞏固。
2結(jié)語
在大學(xué)物理電磁學(xué)部分教學(xué)中,要讓學(xué)生真切地感受到大學(xué)物理不僅僅是中學(xué)物理課程的簡(jiǎn)單重復(fù),讓學(xué)生能夠理解大學(xué)物理對(duì)研究對(duì)象以及所學(xué)定理的闡述更具有一般性,要重視高等數(shù)學(xué)表達(dá)式的物理內(nèi)涵,建立物理思維。所以,做好大學(xué)物理和中學(xué)物理內(nèi)容的銜接,有利于學(xué)生更深入地理解大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容,增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣,提高教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
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