重拾經(jīng)典

汪超 李華振 杜偉偉

【摘要】大學(xué)物理中學(xué)生已經(jīng)學(xué)過高斯定理，安培環(huán)路定理來解決電場力做功等問題，但是本質(zhì)上還是落腳在研究和控制電壓與電流上?！稓W姆定律》是電學(xué)的經(jīng)典，本文從大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)入手，將大學(xué)物理的知識與《歐姆定律》相聯(lián)系，使復(fù)雜的學(xué)習(xí)簡單化，幫助學(xué)生更好的學(xué)習(xí)大學(xué)物理。

【關(guān)鍵詞】《歐姆定律》 新舊結(jié)合 反本溯源

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）33-0233-02

一、引入

物理學(xué)理論體系非常嚴(yán)謹(jǐn)，是通過觀察、分析和實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用數(shù)學(xué)表達(dá)建立物理模型，再通過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)最終確立起來的。大學(xué)物理教學(xué)與初、高中物理教學(xué)是兩個不同的階段，但對現(xiàn)象的本質(zhì)理解與背后的物理思想是沒有變化的。

閉合電路的歐姆定律的內(nèi)容在高中物理中占有很重要的地位，主要闡明直流電路中電壓與電流之間的關(guān)系。學(xué)生通過對高中物理學(xué)習(xí)，學(xué)會用歐姆定律解決一些簡單的物理問題。而進(jìn)入大學(xué)以后，歐姆定律的內(nèi)容不再明了的出現(xiàn)在課本中，因而學(xué)生忽略了歐姆定律的重要性。

中學(xué)的學(xué)習(xí)思維模式制約了大學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)增加了難度。高等數(shù)學(xué)的深入學(xué)習(xí)，對大學(xué)物理的學(xué)習(xí)起到了很強(qiáng)的推動作用。把抽象、復(fù)雜的物理現(xiàn)象用邏輯縝密的數(shù)學(xué)語言合理地演繹出來，將隨機(jī)的物理過程歸納總結(jié)為物理規(guī)律呈現(xiàn)出來，是大學(xué)物理老師課堂講授精辟之處。而大一部分新生會從思想上主觀片面地認(rèn)為，中學(xué)的物理只是學(xué)會了物理概念和認(rèn)知了物質(zhì)規(guī)律，而大學(xué)的學(xué)習(xí)是新知識學(xué)習(xí)的重新開始，摒棄了中學(xué)里的一切知識。要用高等數(shù)學(xué)里的微積分，以不變代變，以直代曲的微小單元求和法學(xué)好大學(xué)物理，用大學(xué)的新知識解決問題。然而又因?yàn)榛A(chǔ)功底不扎實(shí)，往往是學(xué)了新知識忘了舊知識，學(xué)習(xí)效果不好，學(xué)習(xí)興趣不高，這也是大學(xué)生學(xué)習(xí)的普遍狀態(tài)。如何積極引導(dǎo)學(xué)生對新舊知識的融合，使學(xué)生脫離膚淺的物理學(xué)思維，又不被復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式所迷繞，顯得尤為重要。

我校物理教師應(yīng)用物理知識的實(shí)用性，從大學(xué)物理教學(xué)效果出發(fā)，結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢，探索、分析、研究、總結(jié)了針對我校學(xué)生的物理教學(xué)法，以期達(dá)到新舊知識融會貫通，化繁為簡的效果。

二、教學(xué)案例

1.案例一 用模擬法描繪靜電場

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)《用模擬法描繪靜電場》就是一個《歐姆定律》在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)授課中應(yīng)用的一個最好例證。由于實(shí)際工作中碰到的電場形狀或介質(zhì)的分布比較復(fù)雜，用理論方法計(jì)算有一定的困難。要知道電場的形狀或介質(zhì)的分布，一般都用實(shí)驗(yàn)的方法來確定。

直接對靜電場進(jìn)行測量是比較困難的，靜電場的測量儀器只能采用靜電式儀表，而實(shí)驗(yàn)中一般采用磁電式儀表，有電流才有反應(yīng)；靜電場中不會有電流，對這些儀表不會起作用，且儀表本身總是導(dǎo)體和電介質(zhì)，一旦把儀器放入靜電場中，探針上會產(chǎn)生感應(yīng)電荷。這些電荷又產(chǎn)生電場和原電場疊加起來，使原電場發(fā)生畸變。所以實(shí)驗(yàn)時常用一種物理實(shí)驗(yàn)的方法——模擬法，即仿造一個電場（模擬場）與原電場完全一樣。當(dāng)用探針去測模擬場時，也不受干擾，因此可間接地測出模擬場中各點(diǎn)的電位，連接各等電位點(diǎn)作出等位線。根據(jù)電力線與等位線的垂直關(guān)系，描繪出電力線，即可形象地了解電場情況[1]。

該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理重點(diǎn)是要給學(xué)生闡明靜電場的模擬法思想，即一個穩(wěn)恒電場為什么能夠模擬真空中的靜電場？原理主要分兩部分來講授。

第一部分，對于真空中的靜電場，應(yīng)用高斯定理直接求解出同軸電纜周圍的電勢分布的表達(dá)式

由于高等數(shù)學(xué)和大學(xué)物理電學(xué)內(nèi)容學(xué)生大學(xué)一年級剛學(xué)習(xí)過，他們理解起來比較容易。

第二部分，講授穩(wěn)恒電流場的電勢分布，此時如果回歸歐姆定律的內(nèi)容，問題就簡單易懂了。在介紹完實(shí)驗(yàn)裝置是在均勻的不良導(dǎo)體（如導(dǎo)電紙，稀硫酸銅溶液等）上的A，B電極間接通電源，在A、B電極附近就形成穩(wěn)恒電流場，其中任一點(diǎn)電勢V的計(jì)算就是應(yīng)用歐姆定律內(nèi)容的微分形式[2]。

從公式中，我們給學(xué)生闡明了用《歐姆定律》的內(nèi)容解得的模擬場中的電勢U的表達(dá)式和用高斯定理的應(yīng)用解得的靜電場中電勢U的表達(dá)式是一樣的。由此，解釋了模擬場可以代替靜電場的思想。

2.案例二 電子荷質(zhì)比實(shí)驗(yàn)

物理實(shí)驗(yàn)中還有很多實(shí)驗(yàn)應(yīng)用《歐姆定律》?！峨娮颖群傻臏y定實(shí)驗(yàn)》是要測定電子的電荷量與質(zhì)量之比，是英國物理學(xué)家JJ·湯姆遜在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室做的一個著名實(shí)驗(yàn)，在近代物理學(xué)的發(fā)展史中占有重要的地位。

實(shí)驗(yàn)中，讓電子垂直射入磁場，射入磁場的速度根據(jù)動能定理，由平行板加速電壓決定[1]：

從公式中，我們要給學(xué)生闡明：

我們運(yùn)用電子在磁場做勻速圓周運(yùn)動來測量電子比荷。而與該圓周運(yùn)動相關(guān)的物理量，電子的速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度分別由式（7）和式（8）確定。由式（7）可見，最終決定速度大小的是加速電壓U的大??；由式（8）可見，最終決定磁感應(yīng)強(qiáng)度的是線圈電流的大小。兩方面的影響因素最終都是回歸到電壓U和電流I的控制上來。最終我們還是根據(jù)歐姆定律簡單的電路來控制電壓和電流從而實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)。通過控制變量的方法，調(diào)節(jié)U或者I，控制電子速度大小或者磁場的強(qiáng)弱，測出電子在磁場中的偏轉(zhuǎn)直徑，就能算出電子的荷質(zhì)比。

三、結(jié)束語

本文整理了電磁學(xué)中的幾個實(shí)驗(yàn)后，我們看到：學(xué)生在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)中，不論遇到如何復(fù)雜的公式和定律，最終都反本溯源，回歸到電壓與電流的應(yīng)用和控制上，充分應(yīng)用了《歐姆定律》內(nèi)容。自然界中的物理規(guī)律和工程技術(shù)中的實(shí)際問題是復(fù)雜多樣的，但《歐姆定律》是最為基礎(chǔ)的，不忘初心，任憑一個物理現(xiàn)象的本質(zhì)用多么復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式去推導(dǎo)演繹，最終都要通過調(diào)控電壓或電流的操作手段來達(dá)到物理實(shí)質(zhì)論證和現(xiàn)象觀察的效果。

反本溯源充分運(yùn)用學(xué)生已經(jīng)掌握的《歐姆定律》，積淀升華，將經(jīng)典理論規(guī)律與新知識有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生看到學(xué)習(xí)的《歐姆定律》的作用所在，使學(xué)生在思想上對解決問題的方法有一個質(zhì)的飛躍。提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生提高獲取新知識的能力，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。為學(xué)生在其他領(lǐng)域更好地學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張季，李文亮等. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]. 西北工業(yè)大學(xué)出版社，2016.

[2]周惟公. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]. 高等教育出版社，2014.

[3]程守珠. 普通物理學(xué)（上、下）[M]. 高等教育出版社，2006.