大学物理与中学物理电磁学的衔接

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作为高等院校理工农科等专业必修的一门基础理论课,大学物理对非物理类专业学生后续课程的学习和分析解决问题能力的提高都有很大帮助。通过中学物理的学习,大部分学生对大学物理课程中所要学习的一些物理概念和物理规律自认为很熟悉,往往会忽视这些概念内涵的理解,特别是相关物理规律的描述当从特殊到一般、均匀到非均匀情况下所采用的数学手段发生变化,使得许多学生感觉到大学物理的学习比较困难。另一方面,由于中学物理与大学物理在不同的教学环节中有一些区别,大学物理中会介绍当前高新技术领域中的基础性物理原理,同时大力加强了现代物理学的重要观念。而大一学生还无法从中学物理的学习惯性中解脱出来,会逐渐对大学物理的学习缺乏兴趣。所以如何在新形势下做好大学物理与中学物理教学的有效衔接,是目前大学物理教育工作者面对的一个迫切需要解决的问题。由于大部分概念较为抽象且涉及的数学物理方法较多,电磁学教学一直是大学物理教学中的一个难点。在多年的教学中发现大部分学生都觉得这部分学习起来感觉很难,概念容易混淆,并且学生自主分析问题、解决问题的能力较差,并对中学物理知识已形成固定思维模式。大学物理是中学物理的升华,随着深度和难度的增加,如何实现让学生从中学物理到大学物理的顺利过渡,是新形势下教育改革实践的重要内容。文章主要基于目前大学物理和中学物理中电磁学部分的教学现状出发对本部分知识点进行比较分析,以期对该部分知识点的教学衔接有所帮助。

1中学物理与大学物理电磁学部分的有效衔接

1.1电学部分的衔接

首先对于电场强度、电场强度的叠加和点电荷的电场等方面,大学物理更强调矢量的性质,并强调物质存在的两种方式:“场”与“实物”的区别,及弥散性和叠加性。在传统的中学物理的教材和讲授中,对“场”的这两个特性都是略微指出。只要有场源电荷,就会在空间激发电场,而场的分布与其他实物不同,它具有“无处不在”的弥散性和空间叠加性,而大多实物都是有形态有尺度并占用一定空间的物质,并在同一空间不能叠加。对该部分讲解可以举生活中的例子,比如现在通讯手段十分发达,可以通过手机在某一个固定位置能够探测到众多的wifi信号来说明“场”的弥散性和叠加性,比如同一个空间可以被无数的“场”同时占用,而不同的实物却不能同时占用同一空间。这样通过生活中的一些实例分析,让学生更加清楚直观地理解“场”的弥散性和叠加性这两个特点。当然也可以证实场与实物一样,也具有能量、动量和质量等重要性质。正是由于场的弥散性和叠加性这两大特点,大学物理电磁学部分的学习中对于分均匀分布的电场的计算通常采用微积分的方法,因为对无穷多个小电荷元激发的电场的叠加就是积分。另一方面,电磁场作为与空间位置有关的矢量点函数,在积分中要涉及到矢量的运算,这也是电磁场矢量叠加必然的数学工具。以电势为例,下面详细讨论中学物理与大学物理中的异同。在中学教材中,电势被定义为:如果在电场中选一个标准位置,那么电场中某点跟标准为止间的电势差。电势差跟高度差相似,被选作标准位置间的电势为零。电势和电势差单位相同。由电势的概念可知,电场中某点电势在数值上等于单位正电荷由改点移动到标准位置(零电势点)时,电场力做的功。电场中某点电势的大小与电势零点的选取有关。在大学物理中,对电势有更加具体的表述。如果选取无穷远处为电势零点,空间中任一点P的电势就等于:。由于电场力做功与路径无关,对于空间中任意两点P和Q,我们有，即,表示P、Q两点间的电势差等于P点的电势减去Q点的电势。在实际工作中常常以地面或者电器外壳的电势为0,这样各点的电势值也将随之改变,但是两点之间的电势差与参考点的选取无关。通过比较可知,大学物理对此概念的描述在定性引入的基础上,定量给出了具体的计算公式。另外,对电动势的讲授上,中学教材只是从能量转化的角度定义了电动势是把其他形式的能(如化学能)转化为电能的本领;大学物理在能量转化的基础上,又引入了“非静电力”等概念来揭示电动势的本质:把单位正电荷从负极通过电源内部移动到正极时非静电力做的功,并给出了具体的数学表达式。

1.2磁学部分的衔接

首先,对于电流磁场的理论知识,中学物理教材定性地描述了电流产生的磁场以及判定磁场方向的一个重要方法,即右手定则(或者叫安培定则):用右手握住导线(或螺旋管),让伸直的拇指(或弯曲的四指)的方向与电流的方向一致,弯曲的四指(或伸直的拇指)所指的就是磁感线的环绕方向(螺旋管内部磁感线的方向)。通过上述方法可以很容易判定直线电流和通电螺旋管(包括环形电流)产生的磁场。大学物理教材中首先列举了几种典型的磁现象,如奥斯特实验、磁铁对载流导线的作用等。然后引入磁感应强度以及磁通量的概念,对于任意形状的载流导线在给定点所产生的磁感应强度,可以看作是导线上各个电流元在该点产生的磁感应强度的叠加。可以通过毕奥-萨伐尔(后面简称“毕萨”)定律定量计算出任意形状的载流导线在给定点产生的磁场大小和方向。当然,用毕萨定律判断载流导线在空间某点产生的磁场方向与中学教材中讲述的根据安培定则判断方向的结论是一致的,只不过用了矢量的数学运算。其次,在磁场对通电导线的作用的阐述方面,中学物理教材只能计算电流方向与磁场方向垂直的直导线在匀强磁场中所受安培力的大小,并用左手定则判断其方向;大学物理教材可以根据安培定律计算磁场对任意形状载流导线的作用力(通常叫安培力),并用矢量叉积法或者右螺旋法则判断其方向。并且大学物理中还可以计算无限长两平行载流直导线间的相互作用力以及磁场对载流线圈的作用力。另外,中学教材从基本的电磁感应现象入手,通过载流导线在磁场中的受力,先定义这种力叫作“安培力”,再详细研究影响安培力大小的因素,写成公式即:B=F/IL。而在大学物理教材中,可以分别从运动电荷在磁场中的受力和安培定律的基础上对磁感应强度进行定义。中学教材中并没有体现磁感应强度的方向与安培力的方向的关系,因为高中生没有学过微元法,用一小段通电导线检测物体所受的安培力,这样的实验演示比较形象直观。但测得的磁感应强度是一小段通电导线在一定范围内的平均值,并不适用于非匀强磁场。大学物理教材中磁感应强度的定义与毕萨定律和安培定律相对应,但在实际上不可能得到单独的电流元,所以没有办法用实验直接确定两个电流元之间的相互作用,只能从闭合载流回路的实验中间接地反推出来结果。最后,在对电磁感应的学习上,中学物理教材首先是通过一些基本的电磁感应现象来研究电磁感应的产生条件,即只要闭合回路所包围面积的磁通量发生变化,回路中就一定有感应电流产生,另外感应电流的方向可以由楞次定律判断。在中学物理的课堂教学中,应该引导学生通过积极思考和查阅相关资料来主动地获得电磁感应相关的背景知识,要让学生自己深刻体会到这一理论是以法拉第为代表的一批科学家通过很多年的探索才发现的。相比较而言,大学物理教材更强调对法拉第电磁感应定律中动生电动势和感生电动势的理解,即磁通量变化的两种原因上。对于这两部分的讲述重点应该放在感生电场和洛伦兹力这两点上,它们起到一个承前启后的衔接作用:前者为学习电磁波做准备,后者可看作对前面知识的复习和巩固。

2结语

在大学物理电磁学部分教学中,要让学生真切地感受到大学物理不仅仅是中学物理课程的简单重复,让学生能够理解大学物理对研究对象以及所学定理的阐述更具有一般性,要重视高等数学表达式的物理内涵,建立物理思维。所以,做好大学物理和中学物理内容的衔接,有利于学生更深入地理解大学物理的教学内容,增强学习兴趣,提高教学效果。

作者:刘要北 高银浩 张文庆 崔小敏 单位:河南科技学院机电学院

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