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大學物理與中學物理電磁學的銜接論文
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,大學物理對非物理類專業(yè)學生后續(xù)課程的學習和分析解決問題能力的提高都有很大幫助。通過中學物理的學習,大部分學生對大學物理課程中所要學習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)學手段發(fā)生變化,使得許多學生感覺到大學物理的學習比較困難。另一方面,由于中學物理與大學物理在不同的教學環(huán)節(jié)中有一些區(qū)別,大學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)代物理學的重要觀念。而大一學生還無法從中學物理的學習慣性中解脫出來,會逐漸對大學物理的學習缺乏興趣。所以如何在新形勢下做好大學物理與中學物理教學的有效銜接,是目前大學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)學物理方法較多,電磁學教學一直是大學物理教學中的一個難點。在多年的教學中發(fā)現(xiàn)大部分學生都覺得這部分學習起來感覺很難,概念容易混淆,并且學生自主分析問題、解決問題的能力較差,并對中學物理知識已形成固定思維模式。大學物理是中學物理的升華,隨著深度和難度的增加,如何實現(xiàn)讓學生從中學物理到大學物理的順利過渡,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物理和中學物理中電磁學部分的教學現(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銜接有所幫助。
1中學物理與大學物理電磁學部分的有效銜接
1.1電學部分的銜接
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,大學物理電磁學部分的學習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)學工具。以電勢為例,下面詳細討論中學物理與大學物理中的異同。在中學教材中,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(如化學能)轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng);大學物理在能量轉(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)學表達式。
1.2磁學部分的銜接
首先,對于電流磁場的理論知識,中學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、磁鐵對載流導線的作用等。然后引入磁感應強度以及磁通量的概念,對于任意形狀的載流導線在給定點所產(chǎn)生的磁感應強度,可以看作是導線上各個電流元在該點產(chǎn)生的磁感應強度的疊加�？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線在空間某點產(chǎn)生的磁場方向與中學教材中講述的根據(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)學運算。
其次,在磁場對通電導線的作用的闡述方面,中學物理教材只能計算電流方向與磁場方向垂直的直導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。并且大學物理中還可以計算無限長兩平行載流直導線間的相互作用力以及磁場對載流線圈的作用力。另外,中學教材從基本的電磁感應現(xiàn)象入手,通過載流導線在磁場中的受力,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)上對磁感應強度進行定義。中學教材中并沒有體現(xiàn)磁感應強度的方向與安培力的方向的關(guān)系,因為高中生沒有學過微元法,用一小段通電導線檢測物體所受的安培力,這樣的實驗演示比較形象直觀。但測得的磁感應強度是一小段通電導線在一定范圍內(nèi)的平均值,并不適用于非勻強磁場。大學物理教材中磁感應強度的定義與畢薩定律和安培定律相對應,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,在對電磁感應的學習上,中學物理教材首先是通過一些基本的電磁感應現(xiàn)象來研究電磁感應的產(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電流產(chǎn)生,另外感應電流的方向可以由楞次定律判斷。在中學物理的課堂教學中,應該引導學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相關(guān)的背景知識,要讓學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家通過很多年的探索才發(fā)現(xiàn)的。相比較而言,大學物理教材更強調(diào)對法拉第電磁感應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:前者為學習電磁波做準備,后者可看作對前面知識的復習和鞏固。
2結(jié)語
在大學物理電磁學部分教學中,要讓學生真切地感受到大學物理不僅僅是中學物理課程的簡單重復,讓學生能夠理解大學物理對研究對象以及所學定理的闡述更具有一般性,要重視高等數(shù)學表達式的物理內(nèi)涵,建立物理思維。所以,做好大學物理和中學物理內(nèi)容的銜接,有利于學生更深入地理解大學物理的教學內(nèi)容,增強學習興趣,提高教學效果。
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