大學(xué)物理《電磁學(xué)與光學(xué)》中工程教育的融入研究

王琳

摘 要：為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)工程技術(shù)人才的更高要求，高教領(lǐng)域理論基礎(chǔ)課程也迫切需要面向現(xiàn)代工程教育的教學(xué)改革和實(shí)踐。大學(xué)物理是一切工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，為了讓學(xué)生在今后的實(shí)踐工作中能夠更好地將理論知識(shí)融匯到其中去，在大學(xué)物理《電磁學(xué)與光學(xué)》的授課時(shí)，作者將一些成功的工程技術(shù)相關(guān)案例作為素材融入到其中，增加了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的鞏固，建立完整鏈條的物理模型及實(shí)際應(yīng)用，強(qiáng)化了學(xué)生工程實(shí)踐和科技創(chuàng)新意識(shí)，達(dá)到在大學(xué)物理課堂教學(xué)中工程實(shí)踐和科技創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)的要求。

關(guān)鍵詞：電磁學(xué)與光學(xué)；工程教育；案例分析；課堂教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）17-0098-03

Abstract： In order to meet the higher requirements of engineering and technical talents in modern society， the higher education theoretical foundation course also urgently need to be geared to teaching reform and practicing of modern engineering education. Physics is the theoretical foundation of all engineering technology. In order to guide students to combine theory with practice， the author adds some successful engineering cases as course material into the course "Electromagnetics and Optics"， which consolidates the basic knowledge of students， establishes a complete chain of physical model and practical application， strengthens the students' engineering practice and innovation awareness， and thus meet the requirements of developing the engineering practice and innovation consciousness of science and technology in the classroom of college physics.

Keywords： electromagnetics and optics； engineering education； case analysis； classroom teaching

一、概述

隨著社會(huì)的進(jìn)步，科技的發(fā)展，工程教育理念逐步被融入到應(yīng)用型大學(xué)的實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域中。大學(xué)物理是面向幾乎所有專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，為培養(yǎng)研究型人才打好物理基礎(chǔ)。目前的工程技術(shù)，從原理上講大多數(shù)都屬于大學(xué)物理范疇。在教育的過(guò)程中，我們通過(guò)借助互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下快速發(fā)展起來(lái)的多媒體教學(xué)技術(shù)，以及在教課書中融入成功的工程技術(shù)相關(guān)案例素材，以此來(lái)促進(jìn)學(xué)生對(duì)于一些晦澀知識(shí)點(diǎn)的從其誕生到現(xiàn)在的實(shí)際生活的運(yùn)用等方面進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)。這樣新舊知識(shí)一脈相承形成完善的體系，通過(guò)經(jīng)典理論的再現(xiàn)，新知識(shí)的引入順理成章。本文以大學(xué)物理中的《電磁學(xué)與光學(xué)》為主，引入實(shí)際教學(xué)案例，在要求學(xué)生熟練掌握大學(xué)物理課本內(nèi)常用專有名詞的概念和一些物理現(xiàn)象的基本規(guī)律等后，在一定程度上將它們?cè)趯?shí)際工程案例中的運(yùn)用進(jìn)行介紹，從而讓學(xué)生更好的理解理論與實(shí)踐之間的關(guān)系，并且了解這些理論在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所開(kāi)展的推廣應(yīng)用情況，這樣有助于學(xué)生更好地掌握課本知識(shí)，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，幫助學(xué)生在大學(xué)物理課堂教學(xué)中，建立理工科學(xué)習(xí)興趣，樹(shù)立工程教育意義。

二、電磁學(xué)和光學(xué)工程教育教學(xué)案例

（一）靜電噴漆

靜電噴漆屬于靜電學(xué)中的應(yīng)用案例。霧化的油漆微粒在直流高壓（80～90kV）電場(chǎng)中帶負(fù)電荷，在電場(chǎng)力作用下，油漆微粒飛向帶正電荷的工件表面，形成漆膜，此過(guò)程稱為靜電噴漆。

物理原理：靜電噴漆是將被涂物當(dāng)成正極，日常情景下接地；涂料霧化裝置為負(fù)極，接電源設(shè)置為負(fù)極，如此在正負(fù)極間能夠形成靜電場(chǎng)。并且在負(fù)極附件區(qū)域內(nèi)可以出現(xiàn)電暈放電，在放電地過(guò)程中使得涂料內(nèi)的介質(zhì)出現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移從而帶電，并且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)霧化。根據(jù)同性相離、異性相吸的原理，以及帶電介質(zhì)受電場(chǎng)力影響，涂料跟被涂物形成環(huán)抱效果，沿電場(chǎng)線向著靜電噴漆噴過(guò)的帶有正電荷的被涂物上，并且分布勻稱且有較強(qiáng)的吸附能力，從而形成一層薄膜。

工程應(yīng)用：根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)調(diào)研結(jié)果顯示，靜電噴漆技術(shù)作為近幾年內(nèi)研發(fā)出來(lái)的技術(shù)，它在各種工業(yè)內(nèi)都受到了重視，主要被用來(lái)處理產(chǎn)品表面。相比與傳統(tǒng)的產(chǎn)品表面處理工序而言，其發(fā)展勢(shì)頭如此好，在一定程度上是因?yàn)樗哂腥缦聨状筇攸c(diǎn)：1.所需要的涂料很少就能達(dá)到想要的效果；2.綠色環(huán)保，不僅無(wú)毒害，而且在一定程度上能凈化環(huán)境；3.能夠使用機(jī)器化工作模式，減少人工操作，并且具有高效特征。

注意事項(xiàng)：1.工作時(shí)安全電壓為小于9萬(wàn)伏，短路電流為小于0.7毫安，工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)超過(guò)安全電壓，對(duì)相關(guān)工作人員會(huì)造成一定程度的不利影響。

2. 在進(jìn)行完噴漆工作后，需要馬上將噴槍接觸地面。這樣可以釋放內(nèi)部的電荷，減少進(jìn)入到人身體上的電荷。

3. 為了避免意外短路時(shí)產(chǎn)生電火花，在進(jìn)行工作時(shí)要與操作界面保持一公分以上的距離。

4. 在操作前務(wù)必要確認(rèn)各部分的線路連接正常，一定要注意機(jī)殼和工件的接地正常，避免高壓靜電。

（二）生物磁學(xué)的應(yīng)用研究

生物磁學(xué)屬于靜磁學(xué)中的應(yīng)用案例。生物磁學(xué)是研究生物磁性和生物磁場(chǎng)的生物物理學(xué)。生物磁學(xué)研究與物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等密切相關(guān)，而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷和治療、生物工程等方面都有廣闊應(yīng)用前景。

生物材料的磁性：在對(duì)生物大分子的廣泛研究中，發(fā)現(xiàn)大部分生物材料具有抗磁性，少數(shù)為順磁性，極少數(shù)呈現(xiàn)鐵磁性。

1. 生物材料的抗磁性，表現(xiàn)在生物分子在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生與磁場(chǎng)方向相反的運(yùn)動(dòng)，使原來(lái)的磁場(chǎng)減弱。一些綠色植物單細(xì)胞或者葉綠體放置于磁場(chǎng)中，當(dāng)葉綠體的平面結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)垂直取向時(shí)，分子受到的磁場(chǎng)力最大，與磁場(chǎng)平行時(shí)，磁場(chǎng)力最小。

2. 生物材料的順磁性與其中有過(guò)渡金屬離子的成分有關(guān)。生物機(jī)體內(nèi)所具有的所有金屬離子中，屬于順磁性金屬離子有八種之余。例如進(jìn)行氧化輸送的血紅蛋白，進(jìn)行電子傳遞的細(xì)胞色素，DNA分子生物合成需要的核糖核苷酸還原酶等。此外，任何物質(zhì)受磁場(chǎng)作用都有抗磁性，只不過(guò)在順磁性物質(zhì)中，由于順磁性超過(guò)抗磁性，故整體對(duì)外表現(xiàn)為順磁性。

3. 在生物體如磁性細(xì)菌、鴿子和個(gè)別人體發(fā)現(xiàn)有鐵等具有磁性的金屬物質(zhì)存在，并且對(duì)生物體的生存具有重要的意義，能夠讓生物在一定程度上辨識(shí)方向，大雁南歸靠的就是體內(nèi)具有磁效應(yīng)的羅盤準(zhǔn)確的從千里遙途飛回鵲巢?？茖W(xué)家也曾發(fā)現(xiàn)在某些人的鼻竇骨的表層下約5？滋m處有一層鐵質(zhì)層，據(jù)估計(jì)與人的第六感覺(jué)即磁感覺(jué)有關(guān)。人體磁場(chǎng)遠(yuǎn)低于地磁場(chǎng)，約為10-12T，很難進(jìn)行觀察和研究，目前主要采用磁屏蔽原理和空間鑒別技術(shù)。

磁場(chǎng)的生物效應(yīng)：

1. 磁致遺傳效應(yīng)：磁場(chǎng)處理能夠在一定程度上誘導(dǎo)基因突變的現(xiàn)象。如用強(qiáng)度不同的磁場(chǎng)對(duì)大麥種子進(jìn)行處理后，發(fā)現(xiàn)DNA合成率下降了，同時(shí)在第二代的染色體中也觀測(cè)到了畸變。通過(guò)對(duì)生物基因突變學(xué)的相關(guān)研究進(jìn)行綜合分析，一部分生物研究學(xué)者認(rèn)為，磁場(chǎng)對(duì)誘導(dǎo)基因突變主要是通過(guò)對(duì)DNA分子內(nèi)部氫鍵的作用，使得DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響基因的表達(dá)。

2. 磁致生長(zhǎng)效應(yīng)：磁場(chǎng)對(duì)生物生命過(guò)程的各個(gè)階段各個(gè)環(huán)節(jié)均具有一定的影響。如一旦磁場(chǎng)的強(qiáng)度超過(guò)了1.4T就能夠在一定程度上對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。此外，地磁場(chǎng)反向時(shí)，會(huì)導(dǎo)致生物滅絕。

3. 磁致放大效應(yīng)：具有低能量的外加磁場(chǎng)，能夠產(chǎn)生具有很大能量的生物效應(yīng)。根據(jù)能量平衡相關(guān)原理來(lái)講，這是磁場(chǎng)在生物效應(yīng)中所起的作用，只能看著是起到的激發(fā)引導(dǎo)作用，通過(guò)其導(dǎo)致生物體內(nèi)能量短時(shí)間內(nèi)放大化作用。當(dāng)外加磁場(chǎng)達(dá)到最大值時(shí)，生物效應(yīng)就開(kāi)始出現(xiàn)，隨著磁場(chǎng)作用的增大，生物效應(yīng)隨之增大，這是一種累積效應(yīng)。

（三）霍耳效應(yīng)的應(yīng)用

霍耳效應(yīng)是美國(guó)物理學(xué)家愛(ài)德華·霍耳1879年發(fā)現(xiàn)的，霍耳效應(yīng)就是把一塊導(dǎo)電板放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B磁場(chǎng)中，導(dǎo)電板通有縱向電流，這樣，在導(dǎo)電板的橫線兩側(cè)面就會(huì)呈現(xiàn)出一定的電勢(shì)差，所產(chǎn)生的電勢(shì)差即霍耳電壓。表達(dá)式如公式（1），顯然霍耳電壓跟電流I成正比，跟磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，跟載流子的數(shù)密度n成反比。公式不僅揭示了電流與磁場(chǎng)之間的相互作用，而且體現(xiàn)了霍耳電壓與載流子數(shù)密度之間的關(guān)系。

由公式（1）可知，若是金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體內(nèi)部的載流子數(shù)密度n很高，霍耳效應(yīng)很??；而半導(dǎo)體中，載流子數(shù)密度n比較低，因此會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的霍耳效應(yīng)。利用霍耳效應(yīng)工作原理制備成的半導(dǎo)體元件在科研和生產(chǎn)中都有非常廣泛的應(yīng)用，主要包括判斷半導(dǎo)體材料性質(zhì)、測(cè)量磁場(chǎng)、測(cè)量電流、霍耳傳感器、磁流體發(fā)電機(jī)和電磁流量計(jì)等。

1. 判斷半導(dǎo)體的材料，根據(jù)霍耳電壓的公式，可以通過(guò)測(cè)量外加磁場(chǎng)中的霍耳電壓來(lái)判斷傳導(dǎo)載流子的類型，電子型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子帶負(fù)電。空穴型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子帶正電。兩種類型的半導(dǎo)體相對(duì)應(yīng)的霍耳電壓方向正好相反。因此，通過(guò)電壓表的偏轉(zhuǎn)方向就可以很容易的判斷電子型或空穴型半導(dǎo)體。同樣的也可用來(lái)測(cè)量載流子的濃度，這種方法廣泛的被應(yīng)用在半導(dǎo)體摻雜載體的性質(zhì)和濃度的測(cè)量上。

2. 測(cè)量磁場(chǎng)，霍耳效應(yīng)本質(zhì)上就是一種電磁效應(yīng)，原理是在電流垂直的方向上加磁場(chǎng)，這樣，就會(huì)在與電流和磁場(chǎng)平面垂直的方向上建立一個(gè)電場(chǎng)。所以，可以根據(jù)霍耳電壓來(lái)測(cè)量未知磁場(chǎng)的分布。具體實(shí)驗(yàn)的方法是：將霍耳器件放置在未知磁場(chǎng)的任意位置，然后在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)一周，仔細(xì)觀察所測(cè)霍耳電壓值的大小變化會(huì)由0增加到最大，然后由最大變化到0，當(dāng)電壓值最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就是該點(diǎn)磁場(chǎng)的大小，此時(shí)霍耳器件的法線方向即該點(diǎn)磁場(chǎng)的方向。

3. 量電流，霍耳電流傳感器是一種高性能的新型電氣檢測(cè)元件，可以用來(lái)隔離主電路回路和顯示控制電路。并且最適合用來(lái)測(cè)量電力電子設(shè)備的過(guò)電流或短路保護(hù)電路中檢測(cè)電流信號(hào)，還可以用來(lái)進(jìn)行電流反饋和截流、穩(wěn)流控制等。

4. 測(cè)量微小位移量，保持霍耳元器件的工作電流不變，使其在均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)，霍耳電壓的輸出值由磁場(chǎng)中的位移量來(lái)決定，所以能夠用霍耳元件來(lái)測(cè)量微小位移量，即霍耳微位移傳感器。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是慣性比較小、頻率響應(yīng)速度快、工作壽命較長(zhǎng)?；舳€可以用來(lái)制備其他類型的傳感器，比方壓力、應(yīng)力、重力傳感器等。

5. 磁流體發(fā)電機(jī)，基本原理就是霍耳效應(yīng)。磁流體發(fā)電機(jī)是將物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，兩平行金屬板之間有一個(gè)較強(qiáng)的磁場(chǎng)，一束等離子體以一定的速度噴射入磁場(chǎng)中，正、負(fù)離子在磁場(chǎng)力（洛倫茲力）的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后分別聚焦到兩極板上，這樣兩極板相當(dāng)于直流穩(wěn)壓電源的兩個(gè)電極。當(dāng)?shù)入x子體作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)，兩板間的電壓值達(dá)到最大即電源的電動(dòng)勢(shì)。

6. 電磁流量計(jì)，用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電的液體。將流量計(jì)放在均勻磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)垂直于前后兩面，當(dāng)導(dǎo)電液體中的帶電粒子流經(jīng)管道時(shí)，導(dǎo)體的上、下表面會(huì)分別帶電，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)，電源電動(dòng)勢(shì)即上、下兩表面間的電勢(shì)差，導(dǎo)電液體在洛倫茲力和電場(chǎng)力這一對(duì)平衡力的作用下繼續(xù)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，流過(guò)導(dǎo)體管內(nèi)橫截面的流體體積也將保持恒定。實(shí)驗(yàn)所測(cè)的導(dǎo)電液體的流量就是單位體積內(nèi)流過(guò)導(dǎo)體管內(nèi)橫截面積流體的體積。

霍耳傳感器得益于集成電路的發(fā)展，并且隨著大規(guī)模集成電路和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了三、四端口的固態(tài)霍耳傳感器，使傳感器制備工藝從二維平面發(fā)展到三維空間，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的微型化、產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化。近些年，科學(xué)家對(duì)量子霍耳器件的研究頗多，相信未來(lái)在該領(lǐng)域?qū)?huì)不斷呈現(xiàn)出新的科研成果，更好地為人類服務(wù)。

（四）數(shù)字全息照相

數(shù)字全息照相屬于光學(xué)中的應(yīng)用案例。全息術(shù)是利用光的干涉同時(shí)記錄物光的強(qiáng)度信息和相位信息，所產(chǎn)生的像是完全逼真的立體三維像，立體三維成像技術(shù)能夠從各個(gè)角度及細(xì)節(jié)來(lái)反映真實(shí)情況，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)聚焦的距離進(jìn)行調(diào)整。數(shù)字全息在物理學(xué)的各個(gè)方面的產(chǎn)業(yè)中均的到了不同程度的重視，以及推廣應(yīng)用。

1. 數(shù)字全息照相的兩個(gè)過(guò)程

（1）波前全息記錄：利用光的干涉記錄物光的相位和強(qiáng)度分布。不同的光波通過(guò)激光器后別分割成兩束。一束為物光波，另一束是與物光相干的參考光。通過(guò)對(duì)干涉條紋所呈現(xiàn)出來(lái)的性狀以及密度來(lái)了解物光的分布。通過(guò)其呈現(xiàn)出的明暗來(lái)了解物光的振幅，感光底片將條紋記錄下來(lái)，然后經(jīng)過(guò)顯影、定影處理后，就能夠洗出一張與光柵相似結(jié)構(gòu)的全息照片。

（2）物光波前再現(xiàn)：用一束參考光照射在全息圖上，類似于光柵發(fā)生衍射，衍射光波中能夠體現(xiàn)之前的物光波。由此，當(dāng)順著物光波進(jìn)行觀察，即能夠看到具有之前物體所有特點(diǎn)的物體的再現(xiàn)像。

2. 數(shù)字全息照片的四個(gè)特征

（1）全息照片上的花紋基本在各個(gè)方面均有異于被攝物體，但是一旦有相干光束的幫助，物體圖像卻能通過(guò)花紋達(dá)到如實(shí)重現(xiàn)的效果。

（2）三維再現(xiàn)效果強(qiáng)，能夠?qū)⒏饕暯羌凹?xì)節(jié)都呈現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)能夠?qū)Ρ燃?xì)微的差異。

（3）全息圖只要任取其中一小片，同樣可以用來(lái)重現(xiàn)物光波。類似于在小窗口觀察物體一樣，仍可以看到物體的全貌。但由于受光面積減少，成像光束的強(qiáng)度也相應(yīng)的減弱；所以一旦全息圖面積減小，其邊緣的衍射效應(yīng)更明顯，從而影響像質(zhì)。

（4）同一張照片上可以重疊動(dòng)態(tài)中數(shù)張不同的全息圖。曝光后經(jīng)過(guò)處理再現(xiàn)時(shí)可重現(xiàn)不同圖像。

三、工程教育在基礎(chǔ)物理教學(xué)中的意義

將大學(xué)物理基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的事例素材進(jìn)行歸納整理，同時(shí)借助互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下快速發(fā)展起來(lái)的多媒體教學(xué)技術(shù)，來(lái)將工程技術(shù)融入到大學(xué)物理課題教學(xué)中，會(huì)極大的提高學(xué)生對(duì)自然科學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的興趣。以電學(xué)中的電容器為例，工程技術(shù)上需要將大量的電荷儲(chǔ)存起來(lái)，于是最早的電容器萊頓瓶誕生了。電容器是電子設(shè)備中的儲(chǔ)能器件，廣泛應(yīng)用于電子工藝中的耦合、濾波和傳感等多個(gè)領(lǐng)域。微型電容器和超大電容器是目前電容器發(fā)展的兩個(gè)方向，其中微型電容器是微小型電路板的主要元件，而超大電容器是目前大力發(fā)展的新能源汽車等的重要部件。在大學(xué)物理《電磁學(xué)和光學(xué)》教學(xué)中，通過(guò)借助互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下快速發(fā)展起來(lái)的多媒體教學(xué)技術(shù)，以及在教課書中融入成功的工程技術(shù)相關(guān)案例素材，將工程實(shí)踐融入理論學(xué)習(xí)中，并且在課堂上已現(xiàn)實(shí)案例為基礎(chǔ)來(lái)鍛煉學(xué)生科技創(chuàng)新能力，加強(qiáng)其創(chuàng)新意識(shí)。通過(guò)這種教育模式來(lái)讓學(xué)生熟悉工程應(yīng)用領(lǐng)域。高度符合在大學(xué)物理課堂教學(xué)中注重工程教育培養(yǎng)的要求，值得進(jìn)一步推廣學(xué)習(xí)深入實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]李海寶，任常愚，金永君.課堂教學(xué)中物理工程教育素材的開(kāi)發(fā)與融入[J].物理與工程，2011，21（4）.

[2]樊娟，張國(guó)恒，李小勇.CDIO工程教育模式在大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn)，2016，36（2）.

[3]付靜，姜廣軍.大學(xué)物理聲學(xué)教學(xué)中工程素材的融入[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，30（5）.

[4]秦祖蔭.霍爾電流傳感器的性能及其使用，電力電子技術(shù)[J].1994，11（4）.

[5]渠珊珊，何志偉.基于霍爾效應(yīng)的磁場(chǎng)測(cè)量方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2013，50（574）.

[6]孫光穎.現(xiàn)代全息術(shù)的回顧與展望[J].物理與工程，2012，12（4）.

[7]謝秉川，孫宏祥，王正嶺，等.物理本科電磁學(xué)課程教學(xué)改革探究[J].高教學(xué)刊，2015（21）：142-143.