大學(xué)物理與中學(xué)物理課程銜接個(gè)例研究＊
——電磁感應(yīng)和電磁波部分

張光彪 王孟祿

（河南大學(xué)物理與電子學(xué)院 河南 開封 475004）

呂良軍

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 開封 475004）

尹國盛

（河南大學(xué)物理與電子學(xué)院 河南 開封 475004）

1 引言

當(dāng)前，中學(xué)物理課程改革和大學(xué)物理課程改革都在進(jìn)行.大學(xué)階段，學(xué)生學(xué)習(xí)的大量物理概念都是在高中或者初中時(shí)學(xué)過的.因此大學(xué)物理課程與中學(xué)物理課程應(yīng)該如何銜接成為一個(gè)非常重要的問題.在教材設(shè)計(jì)上，如何避免對中學(xué)知識作繁瑣的重復(fù)講解和知識銜接上的斷點(diǎn)十分重要.在大學(xué)課堂教學(xué)中，由于大部分重要概念高中階段都學(xué)過，學(xué)生往往容易忽視對這些物理概念新的內(nèi)涵的學(xué)習(xí)，用本來應(yīng)該起固定作用的原概念來代替新學(xué)習(xí)的物理概念.所以，大學(xué)物理概念的教學(xué)應(yīng)該將重點(diǎn)放在物理概念所擴(kuò)充的內(nèi)涵上.大學(xué)物理教材的編寫，應(yīng)該考慮與中學(xué)物理概念的銜接，盡量減少與中學(xué)物理原有固定概念的重復(fù)內(nèi)容，使教材內(nèi)容新穎、簡練、重點(diǎn)突出.

2 中學(xué)物理電磁感應(yīng)和電磁波的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)［1］（以下簡稱“新課標(biāo)”）的電磁感應(yīng)和電磁波知識在選修模塊中.《選修3-2》包括電磁感應(yīng)、交變電流、傳感器三部分，新課標(biāo)關(guān)于電磁感應(yīng)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)包括四點(diǎn)：

（1）收集資料，了解電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程，體會人類探索自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神.

（2）通過實(shí)驗(yàn)，理解感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件.舉例說明電磁感應(yīng)在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用.

（3）通過探究，理解楞次定律.理解法拉第電磁感應(yīng)定律.

（4）通過實(shí)驗(yàn)，了解自感現(xiàn)象和渦流現(xiàn)象.舉例說明自感現(xiàn)象和渦流現(xiàn)象在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用.

《選修3-4》包括機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波、電磁振蕩與電磁波、光、相對論內(nèi)容，新課標(biāo)關(guān)于電磁振蕩與電磁波的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)包括五點(diǎn)：

（1）初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想以及在物理學(xué)發(fā)展史上的意義.

（2）了解電磁波的產(chǎn)生.通過電磁波體會電磁場的物質(zhì)性.

一些企業(yè)已經(jīng)充分認(rèn)識到這一點(diǎn)，在經(jīng)營管理中采取了先進(jìn)的方法降低時(shí)間成本。例如大型連鎖超市沃爾瑪就是靠時(shí)間成本管理實(shí)現(xiàn)“天天低價(jià)”的承諾。它建立了高效快捷的物流配送系統(tǒng)，大部分商品采用現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸傳送，節(jié)約了人力資源的成本與時(shí)間，保證進(jìn)貨從倉庫調(diào)度到任意一家分店的時(shí)間不超過48小時(shí)。它充分利用現(xiàn)代衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)使配送及時(shí)，分店的庫存即時(shí)補(bǔ)充，產(chǎn)品到達(dá)消費(fèi)者的時(shí)間縮短。其他行業(yè)企業(yè)可以借鑒這一成功案例，重新審視各項(xiàng)成本的構(gòu)成，從降低時(shí)間成本的角度獲取額外收益。

（3）了解電磁波的發(fā)射、傳播和接收.

（4）通過實(shí)例認(rèn)識電磁波譜，知道光是電磁波.

（5）了解電磁波的應(yīng)用和在科技、經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展中的作用.

3 大學(xué)物理電磁感應(yīng)和電磁波知識的內(nèi)容要求

按文獻(xiàn)［2］大學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容分為A，B兩類：A為核心內(nèi)容，B為擴(kuò)展內(nèi)容.電磁感應(yīng)和電磁波部分的內(nèi)容和要求見表1.

表1 大學(xué)物理電磁感應(yīng)和電磁波部分的內(nèi)容和要求

4 大學(xué)物理與中學(xué)物理課程電磁感應(yīng)和電磁波知識的銜接和深入

物理知識具有系統(tǒng)性和連貫性，大學(xué)物理的部分知識是在中學(xué)物理基礎(chǔ)上的提高.教學(xué)時(shí)，首先簡要復(fù)習(xí)中學(xué)物理知識，隨后指出中學(xué)物理知識的局限性或特殊性，從而比較自然地引入課題.在教學(xué)中需要注意，復(fù)習(xí)中學(xué)的內(nèi)容要重點(diǎn)突出、簡明扼要，目的是要由此引入大學(xué)物理新內(nèi)容，重點(diǎn)是講解大學(xué)物理知識.

4.1 電磁感應(yīng)定律的銜接和深入

電磁感應(yīng)現(xiàn)象、楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律已經(jīng)在中學(xué)物理教材［3］中較為深入地學(xué)習(xí)過.在大學(xué)物理教學(xué)中首先進(jìn)行簡要復(fù)習(xí)，回顧一下什么是電磁感應(yīng)現(xiàn)象；產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件；確定感應(yīng)電流方向的法則和感應(yīng)電動(dòng)勢的大小，隨后指出中學(xué)物理中法拉第電磁感應(yīng)定律局限性或特殊性，即只能定量處理磁通量隨時(shí)間均勻變化的情況.引入微積分這一數(shù)學(xué)工具，并考慮楞次定律可以將法拉第電磁感應(yīng)定律重新更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乇硎境?/p>

由式（1）理論上可以得出任意回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢.

4.2 動(dòng)生電動(dòng)勢和感生電動(dòng)勢的銜接和深入

圖1 動(dòng)生電動(dòng)勢的典型裝置

由中學(xué)知識可知，動(dòng)生電動(dòng)勢的大小為單位時(shí)間內(nèi)切割磁力線的條數(shù)

方向由楞次定律確定.在大學(xué)物理中，可以由法拉第電磁感應(yīng)定律推導(dǎo)出，選取回路繞行方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，則回路的磁通量增量為

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在導(dǎo)線段AB上產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢為

負(fù)號說明電動(dòng)勢方向與所設(shè)方向相反.從式（2）和式（3）可以看出兩者對動(dòng)生電動(dòng)勢的表述本質(zhì)上是一致的.然而在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體、速度的方向、磁場的方向三者并不始終是兩兩垂直，甚至對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的每一部分，以上三者也不完全相同，因此很多情況下往往無法直接使用式（2）.解決這個(gè)問題的途徑有二：一是使用法拉第電磁感應(yīng)定律即式（1）.二是使用微積分和矢量代數(shù)數(shù)學(xué)工具，將式（2）改寫為

中學(xué)物理，對動(dòng)生電動(dòng)勢形成的物理機(jī)制并沒有進(jìn)行深入的討論，在大學(xué)物理教學(xué)中可以用洛倫茲力的理論推出.洛倫茲力所做總功為零，實(shí)質(zhì)上表示了能量的轉(zhuǎn)換與守恒；洛倫茲力在這里起了一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的作用，一方面接受外力的功，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)做功.簡單地講就是回路的電能來自外界的機(jī)械能，而不是來自磁場的能量.

感生電動(dòng)勢在中學(xué)物理中已有初步的了解，在教學(xué)過程中只需簡要復(fù)習(xí)，然后提出“感生電動(dòng)勢相應(yīng)的非靜電力是什么”，引發(fā)學(xué)生深入的思考，得出靜止電荷在變化磁場中也要受到一個(gè)力的作用；但這個(gè)力既不是洛倫茲力，也不是庫侖力，而是一種尚未認(rèn)識的力的結(jié)論.最后給出麥克斯韋渦旋電場假說，不論有無導(dǎo)體或?qū)w回路，變化的磁場都將在其周圍空間產(chǎn)生具有閉合電場線的電場.這樣使學(xué)生更加容易接受這一假說.引入渦旋電場Ek后，法拉第電磁感應(yīng)定律可表示為

對學(xué)生而言，渦旋電場是一個(gè)比較難理解的概念.通過分析渦旋電場和靜電場的相似之處和不同之處，使學(xué)生更加準(zhǔn)確的掌握這一概念.

4.3 自感和互感的銜接和深入

自感本質(zhì)上是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即線圈中的電流發(fā)生變化而在線圈自身中引起感應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象.在大學(xué)物理課程中其概念并沒有太大的變化，因此對自感現(xiàn)象只需要簡單的復(fù)習(xí)即可.然而其數(shù)學(xué)描述應(yīng)用了微積分，從而能夠定量描述更加普遍的自感現(xiàn)象.

互感現(xiàn)象在中學(xué)只做簡單介紹.大學(xué)物理中以兩個(gè)相鄰的線圈為例，在畢奧 －薩伐爾定律和電磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上詳細(xì)地介紹了互感現(xiàn)象、互感電動(dòng)勢以及互感系數(shù).

4.4 磁場能量的銜接和深入

中學(xué)物理對此部分內(nèi)容沒作要求，大學(xué)物理中則介紹了自感為L的載流線圈所具有的磁場的能量，即自感磁能以及磁場的能量如何用磁場強(qiáng)度來表示等.

4.5 電磁場和電磁波的銜接和深入

中學(xué)物理［4］中，由LC振蕩電路出發(fā)定性的描述了電磁波的發(fā)射、傳播和接收機(jī)制，通過電磁波體會電磁場的物質(zhì)性，知道光是電磁波.初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想及其在物理學(xué)發(fā)展史上的意義.

在大學(xué)物理教材［5］中，為了論述的嚴(yán)謹(jǐn)，首先提出位移電流假說并得到全電流環(huán)路定律.位移電流的引入深刻揭露了電場和磁場的內(nèi)在聯(lián)系和依存關(guān)系，反映了自然現(xiàn)象的對稱性.法拉第電磁感應(yīng)定律說明變化的磁場能激發(fā)渦旋電場，位移電流的論點(diǎn)說明變化的電場能激發(fā)渦旋磁場，兩種變化的場永遠(yuǎn)互相聯(lián)系著，形成了統(tǒng)一的電磁場.麥克斯韋建立了統(tǒng)一的電磁場理論，即麥克斯韋方程組.并且介紹了電磁場的物質(zhì)性、相對性和統(tǒng)一性.通過求解真空中的麥克斯韋方程組可以推導(dǎo)出電磁波的產(chǎn)生機(jī)理及其基本性質(zhì).對于有介質(zhì)的情況，必須引入介質(zhì)性能方程才能完整地描述.

5 結(jié)論

通過對大學(xué)物理教材和高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教材電磁感應(yīng)和電磁波部分的分析知道，中學(xué)物理注重對知識的探究，大學(xué)物理電磁感應(yīng)知識是在中學(xué)物理知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知能力的提高，應(yīng)用不同的研究方法，如微積分和矢量代數(shù)知識，把中學(xué)階段特殊的結(jié)論推導(dǎo)到一般的情況，并且在此基礎(chǔ)上深入學(xué)習(xí)，引入麥克斯韋“渦旋電場”和“位移電流”的兩個(gè)基本假設(shè)，使學(xué)生了解麥克斯韋方程組的物理思想并建立起統(tǒng)一電磁場的概念以及認(rèn)識電磁場的物質(zhì)性、相對性和統(tǒng)一性.在教學(xué)中做好大學(xué)物理和中學(xué)物理課程的銜接，不但可以提高大學(xué)物理的教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣，而且有利于大學(xué)后繼課程，尤其是專業(yè)課程的教學(xué)，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，將對學(xué)生今后的學(xué)習(xí)與發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響

1 李尚仁，等.高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)教師讀本.武漢：華中師范大學(xué)出版社，2003

2 教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會.理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求（2010年版）.北京：高等教育出版社，2008

3 張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理·選修3-2.北京：人民教育出版社，2006

4 張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理·選修3-4.北京：人民教育出版社，2007

5 尹國盛，彭成曉.大學(xué)物理（下冊）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010