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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)律自認為很熟悉,往往會忽視這些概念內(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)物理中會介紹當前高新技術(shù)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性物理原理,同時大力加強了現(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,會逐漸對大學(xué)物理的學(xué)習(xí)缺乏興趣。所以如何在新形勢下做好大學(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的一個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)中的一個難點。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,并對中學(xué)物理知識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,是新形勢下教育改革實踐的重要內(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)對本部分知識點進行比較分析,以期對該部分知識點的教學(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
首先對于電場強度、電場強度的疊加和點電荷的電場等方面,大學(xué)物理更強調(diào)矢量的性質(zhì),并強調(diào)物質(zhì)存在的兩種方式:“場”與“實物”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“場”的這兩個特性都是略微指出。只要有場源電荷,就會在空間激發(fā)電場,而場的分布與其他實物不同,它具有“無處不在”的彌散性和空間疊加性,而大多實物都是有形態(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,可以通過手機在某一個固定位置能夠探測到眾多的wifi信號來說明“場”的彌散性和疊加性,比如同一個空間可以被無數(shù)的“場”同時占用,而不同的實物卻不能同時占用同一空間。這樣通過生活中的一些實例分析,讓學(xué)生更加清楚直觀地理解“場”的彌散性和疊加性這兩個特點。當然也可以證實場與實物一樣,也具有能量、動量和質(zhì)量等重要性質(zhì)。正是由于場的彌散性和疊加性這兩大特點,大學(xué)物理電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)中對于分均勻分布的電場的計算通常采用微積分的方法,因為對無窮多個小電荷元激發(fā)的電場的疊加就是積分。
另一方面,電磁場作為與空間位置有關(guān)的矢量點函數(shù),在積分中要涉及到矢量的運算,這也是電磁場矢量疊加必然的數(shù)學(xué)工具。以電勢為例,下面詳細討論中學(xué)物理與大學(xué)物理中的異同。在中學(xué)教材中,電勢被定義為:如果在電場中選一個標準位置,那么電場中某點跟標準為止間的電勢差。電勢差跟高度差相似,被選作標準位置間的電勢為零。電勢和電勢差單位相同。由電勢的概念可知,電場中某點電勢在數(shù)值上等于單位正電荷由改點移動到標準位置(零電勢點)時,電場力做的功。電場中某點電勢的大小與電勢零點的選取有關(guān)。在大學(xué)物理中,對電勢有更加具體的表述。如果選取無窮遠處為電勢零點,空間中任一點P的電勢就等于:。
由于電場力做功與路徑無關(guān),對于空間中任意兩點P和Q,我們有，即,表示P、Q兩點間的電勢差等于P點的電勢減去Q點的電勢。在實際工作中常常以地面或者電器外殼的電勢為0,這樣各點的電勢值也將隨之改變,但是兩點之間的電勢差與參考點的選取無關(guān)。通過比較可知,大學(xué)物理對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算公式。另外,對電動勢的講授上,中學(xué)教材只是從能量轉(zhuǎn)化的角度定義了電動勢是把其他形式的能(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”等概念來揭示電動勢的本質(zhì):把單位正電荷從負極通過電源內(nèi)部移動到正極時非靜電力做的功,并給出了具體的數(shù)學(xué)表達式。
1.2磁學(xué)部分的銜接
首先,對于電流磁場的理論知識,中學(xué)物理教材定性地描述了電流產(chǎn)生的磁場以及判定磁場方向的一個重要方法,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。大學(xué)物理教材中首先列舉了幾種典型的磁現(xiàn)象,如奧斯特實驗、磁鐵對載流導(dǎo)線的作用等。然后引入磁感應(yīng)強度以及磁通量的概念,對于任意形狀的載流導(dǎo)線在給定點所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度,可以看作是導(dǎo)線上各個電流元在該點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的疊加�？梢酝ㄟ^畢奧-薩伐爾(后面簡稱“畢薩”)定律定量計算出任意形狀的載流導(dǎo)線在給定點產(chǎn)生的磁場大小和方向。當然,用畢薩定律判斷載流導(dǎo)線在空間某點產(chǎn)生的磁場方向與中學(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)運算。
其次,在磁場對通電導(dǎo)線的作用的闡述方面,中學(xué)物理教材只能計算電流方向與磁場方向垂直的直導(dǎo)線在勻強磁場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)安培定律計算磁場對任意形狀載流導(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)物理中還可以計算無限長兩平行載流直導(dǎo)線間的相互作用力以及磁場對載流線圈的作用力。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)線在磁場中的受力,先定義這種力叫作“安培力”,再詳細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,可以分別從運動電荷在磁場中的受力和安培定律的基礎(chǔ)上對磁感應(yīng)強度進行定義。中學(xué)教材中并沒有體現(xiàn)磁感應(yīng)強度的方向與安培力的方向的關(guān)系,因為高中生沒有學(xué)過微元法,用一小段通電導(dǎo)線檢測物體所受的安培力,這樣的實驗演示比較形象直觀。但測得的磁感應(yīng)強度是一小段通電導(dǎo)線在一定范圍內(nèi)的平均值,并不適用于非勻強磁場。大學(xué)物理教材中磁感應(yīng)強度的定義與畢薩定律和安培定律相對應(yīng),但在實際上不可能得到單獨的電流元,所以沒有辦法用實驗直接確定兩個電流元之間的相互作用,只能從閉合載流回路的實驗中間接地反推出來結(jié)果。
最后,在對電磁感應(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)資料來主動地獲得電磁感應(yīng)相關(guān)的背景知識,要讓學(xué)生自己深刻體會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)物理教材更強調(diào)對法拉第電磁感應(yīng)定律中動生電動勢和感生電動勢的理解,即磁通量變化的兩種原因上。對于這兩部分的講述重點應(yīng)該放在感生電場和洛倫茲力這兩點上,它們起到一個承前啟后的銜接作用:前者為學(xué)習(xí)電磁波做準備,后者可看作對前面知識的復(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)物理課程的簡單重復(fù),讓學(xué)生能夠理解大學(xué)物理對研究對象以及所學(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,增強學(xué)習(xí)興趣,提高教學(xué)效果。
參考文獻
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