新形勢(shì)下大學(xué)物理與中學(xué)物理電磁學(xué)部分的銜接

劉要北+高銀浩+張文慶+崔小敏

摘 要：從大學(xué)物理課程的教學(xué)現(xiàn)狀及教育改革趨勢(shì)出發(fā)，對(duì)大學(xué)物理和中學(xué)物理中電磁學(xué)部分知識(shí)的比較和銜接顯得十分重要。該文在教學(xué)內(nèi)容銜接、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法銜接等方面給出一些建議，希望對(duì)電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)上實(shí)現(xiàn)從中學(xué)物理到大學(xué)物理知識(shí)體系的順利過(guò)渡。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理 中學(xué)物理 電磁學(xué) 教學(xué)銜接

中圖分類(lèi)號(hào)：G424.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0114-02

作為高等院校理工農(nóng)科等專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)基礎(chǔ)理論課，大學(xué)物理對(duì)非物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和分析解決問(wèn)題能力的提高都有很大幫助。通過(guò)中學(xué)物理的學(xué)習(xí)，大部分學(xué)生對(duì)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(rèn)為很熟悉，往往會(huì)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(dāng)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(jué)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(huì)介紹當(dāng)前高新技術(shù)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性物理原理，同時(shí)大力加強(qiáng)了現(xiàn)代物理學(xué)的重要觀念。而大一學(xué)生還無(wú)法從中學(xué)物理的學(xué)習(xí)慣性中解脫出來(lái)，會(huì)逐漸對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)缺乏興趣。所以如何在新形勢(shì)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(duì)的一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)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(gè)難點(diǎn)。在多年的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生都覺(jué)得這部分學(xué)習(xí)起來(lái)感覺(jué)很難，概念容易混淆，并且學(xué)生自主分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力較差，并對(duì)中學(xué)物理知識(shí)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(shí)現(xiàn)讓學(xué)生從中學(xué)物理到大學(xué)物理的順利過(guò)渡，是新形勢(shì)下教育改革實(shí)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(duì)本部分知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行比較分析，以期對(duì)該部分知識(shí)點(diǎn)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(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度的疊加和點(diǎn)電荷的電場(chǎng)等方面，大學(xué)物理更強(qiáng)調(diào)矢量的性質(zhì)，并強(qiáng)調(diào)物質(zhì)存在的兩種方式：“場(chǎng)”與“實(shí)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(duì)“場(chǎng)”的這兩個(gè)特性都是略微指出。只要有場(chǎng)源電荷，就會(huì)在空間激發(fā)電場(chǎng)，而場(chǎng)的分布與其他實(shí)物不同，它具有“無(wú)處不在”的彌散性和空間疊加性，而大多實(shí)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(duì)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(dá)，可以通過(guò)手機(jī)在某一個(gè)固定位置能夠探測(cè)到眾多的wifi信號(hào)來(lái)說(shuō)明“場(chǎng)”的彌散性和疊加性，比如同一個(gè)空間可以被無(wú)數(shù)的“場(chǎng)”同時(shí)占用，而不同的實(shí)物卻不能同時(shí)占用同一空間。這樣通過(guò)生活中的一些實(shí)例分析，讓學(xué)生更加清楚直觀地理解“場(chǎng)”的彌散性和疊加性這兩個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)然也可以證實(shí)場(chǎng)與實(shí)物一樣，也具有能量、動(dòng)量和質(zhì)量等重要性質(zhì)。正是由于場(chǎng)的彌散性和疊加性這兩大特點(diǎn)，大學(xué)物理電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)中對(duì)于分均勻分布的電場(chǎng)的計(jì)算通常采用微積分的方法，因?yàn)閷?duì)無(wú)窮多個(gè)小電荷元激發(fā)的電場(chǎng)的疊加就是積分。另一方面，電磁場(chǎng)作為與空間位置有關(guān)的矢量點(diǎn)函數(shù)，在積分中要涉及到矢量的運(yùn)算，這也是電磁場(chǎng)矢量疊加必然的數(shù)學(xué)工具。

以電勢(shì)為例，下面詳細(xì)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(shì)被定義為：如果在電場(chǎng)中選一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)位置，那么電場(chǎng)中某點(diǎn)跟標(biāo)準(zhǔn)為止間的電勢(shì)差。電勢(shì)差跟高度差相似，被選作標(biāo)準(zhǔn)位置間的電勢(shì)為零。電勢(shì)和電勢(shì)差單位相同。由電勢(shì)的概念可知，電場(chǎng)中某點(diǎn)電勢(shì)在數(shù)值上等于單位正電荷由改點(diǎn)移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)位置（零電勢(shì)點(diǎn)）時(shí)，電場(chǎng)力做的功。電場(chǎng)中某點(diǎn)電勢(shì)的大小與電勢(shì)零點(diǎn)的選取有關(guān)。在大學(xué)物理中，對(duì)電勢(shì)有更加具體的表述。如果選取無(wú)窮遠(yuǎn)處為電勢(shì)零點(diǎn)，空間中任一點(diǎn)P的電勢(shì)就等于：。由于電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)，對(duì)于空間中任意兩點(diǎn)P和Q，我們有 ，即，表示P、Q兩點(diǎn)間的電勢(shì)差等于P點(diǎn)的電勢(shì)減去Q點(diǎn)的電勢(shì)。在實(shí)際工作中常常以地面或者電器外殼的電勢(shì)為0，這樣各點(diǎn)的電勢(shì)值也將隨之改變，但是兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差與參考點(diǎn)的選取無(wú)關(guān)。通過(guò)比較可知，大學(xué)物理對(duì)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(jì)算公式。

另外，對(duì)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(lái)揭示電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)：把單位正電荷從負(fù)極通過(guò)電源內(nèi)部移動(dòng)到正極時(shí)非靜電力做的功，并給出了具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

1.2 磁學(xué)部分的銜接

首先，對(duì)于電流磁場(chǎng)的理論知識(shí)，中學(xué)物理教材定性地描述了電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及判定磁場(chǎng)方向的一個(gè)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(guò)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(chǎng)。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(shí)驗(yàn)、磁鐵對(duì)載流導(dǎo)線的作用等。然后引入磁感應(yīng)強(qiáng)度以及磁通量的概念，對(duì)于任意形狀的載流導(dǎo)線在給定點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以看作是導(dǎo)線上各個(gè)電流元在該點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的疊加。可以通過(guò)畢奧-薩伐爾（后面簡(jiǎn)稱(chēng)“畢薩”）定律定量計(jì)算出任意形狀的載流導(dǎo)線在給定點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小和方向。當(dāng)然，用畢薩定律判斷載流導(dǎo)線在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(guò)用了矢量的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

其次，在磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用的闡述方面，中學(xué)物理教材只能計(jì)算電流方向與磁場(chǎng)方向垂直的直導(dǎo)線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(jì)算磁場(chǎng)對(duì)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(jì)算無(wú)限長(zhǎng)兩平行載流直導(dǎo)線間的相互作用力以及磁場(chǎng)對(duì)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(guò)載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力，先定義這種力叫作“安培力”，再詳細(xì)研究影響安培力大小的因素，寫(xiě)成公式即：B=F/IL。而在大學(xué)物理教材中，可以分別從運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中的受力和安培定律的基礎(chǔ)上對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行定義。中學(xué)教材中并沒(méi)有體現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與安培力的方向的關(guān)系，因?yàn)楦咧猩鷽](méi)有學(xué)過(guò)微元法，用一小段通電導(dǎo)線檢測(cè)物體所受的安培力，這樣的實(shí)驗(yàn)演示比較形象直觀。但測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)磁場(chǎng)。大學(xué)物理教材中磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義與畢薩定律和安培定律相對(duì)應(yīng)，但在實(shí)際上不可能得到單獨(dú)的電流元，所以沒(méi)有辦法用實(shí)驗(yàn)直接確定兩個(gè)電流元之間的相互作用， 只能從閉合載流回路的實(shí)驗(yàn)中間接地反推出來(lái)結(jié)果。

最后，在對(duì)電磁感應(yīng)的學(xué)習(xí)上，中學(xué)物理教材首先是通過(guò)一些基本的電磁感應(yīng)現(xiàn)象來(lái)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(guò)積極思考和查閱相關(guān)資料來(lái)主動(dòng)地獲得電磁感應(yīng)相關(guān)的背景知識(shí)，要讓學(xué)生自己深刻體會(huì)到這一理論是以法拉第為代表的一批科學(xué)家通過(guò)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(qiáng)調(diào)對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律中動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)的理解，即磁通量變化的兩種原因上。對(duì)于這兩部分的講述重點(diǎn)應(yīng)該放在感生電場(chǎng)和洛倫茲力這兩點(diǎn)上，它們起到一個(gè)承前啟后的銜接作用：前者為學(xué)習(xí)電磁波做準(zhǔn)備，后者可看作對(duì)前面知識(shí)的復(fù)習(xí)和鞏固。

2 結(jié)語(yǔ)

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(jiǎn)單重復(fù)，讓學(xué)生能夠理解大學(xué)物理對(duì)研究對(duì)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(dá)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(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 安秉權(quán)，張秉讓.大學(xué)物理與中學(xué)物理比較（電磁學(xué)部分）[J].固原師專(zhuān)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，23（6）：59-62.

[2] 尹彩流.《大學(xué)物理》電磁學(xué)教學(xué)中類(lèi)比法的應(yīng)用[J].廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，17（2）：98-100.

[3] 汪濤.比較法在電磁學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用[J].新鄉(xiāng)師范高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2003，17（5）：48-49.

[4] 吳英.中學(xué)電磁學(xué)知識(shí)點(diǎn)與大學(xué)電磁學(xué)部分理論的對(duì)比[J].喀什師范學(xué)院報(bào)，2012，33（6）：65-68.

[5] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011：7.

[6] 唐亞楠，潘立軍.大學(xué)物理和中學(xué)物理教學(xué)有效銜接的探討[J].鄭州師范教育，2015，7（4）：26-29.