中學(xué)物理到大學(xué)物理的過渡教學(xué)研究

趙亞運(yùn) 李方犁

(廣東理工學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化系 廣東 肇慶 526100)

1 引言

大學(xué)物理作為高校理工科各專業(yè)開設(shè)的重要必修基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)學(xué)生思維發(fā)散性等多方面具有重大的教學(xué)意義[1].但通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生(80%以上)認(rèn)為大學(xué)物理是最難的學(xué)科之一，其難度甚至超過很多專業(yè)課.大學(xué)物理通常用兩個(gè)學(xué)期完成——大一下學(xué)期和大二上學(xué)期，在中學(xué)到大學(xué)的這個(gè)過渡中，大學(xué)物理成了很多學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)；對(duì)于中學(xué)生而言，學(xué)習(xí)的模式是從早自習(xí)，然后是各科目的交替學(xué)習(xí)到最后的晚自習(xí)，學(xué)習(xí)安排得很滿；大部分學(xué)生在中學(xué)階段學(xué)習(xí)物理的方法是教師講完知識(shí)點(diǎn)后，做習(xí)題冊(cè)中大量的練習(xí)題目，所有目的只為高考拿高分，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)即便題目不太懂，但能憑借題海練習(xí)的肌肉記憶從而直接作答的情況；學(xué)生的學(xué)習(xí)在教師的進(jìn)度安排下比較機(jī)械固定，沒有自己太多能個(gè)人思考的時(shí)間和空間.在面臨高考?jí)毫Φ那闆r下，大部分學(xué)生的神經(jīng)也處于高度緊繃的狀態(tài).進(jìn)入大學(xué)后因?yàn)閭€(gè)人原因——環(huán)境變化和心態(tài)的變化等，教師的原因——教師教學(xué)風(fēng)格和對(duì)學(xué)生關(guān)注度、內(nèi)容方法的原因等[2]，導(dǎo)致大一新生很難完成順利的過渡從而學(xué)好大學(xué)物理.因此，本文將通過自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合實(shí)例講說從力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)來研究中學(xué)物理到大學(xué)物理的過渡教學(xué)，其物理教材依據(jù)主要采用粵教版的中學(xué)物理和大學(xué)物理教材.

2 過渡教學(xué)研究

中學(xué)物理的主要知識(shí)包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理學(xué)五大部分，教材將這些知識(shí)分為必修一、必修二和選修3-1到3-5；而大學(xué)物理作為理工類的必修基礎(chǔ)學(xué)科，各學(xué)院要求略有不同，但總課時(shí)都在72學(xué)時(shí)左右.然而，要在這么少的課時(shí)情況下全部講完力學(xué)篇、熱學(xué)篇、電磁學(xué)篇、光學(xué)篇和量子論5部分共17大章102小節(jié)(大學(xué)物理第五版)是不可能的，因此，大學(xué)物理的教學(xué)任務(wù)主要放在前面四篇的重點(diǎn)章節(jié)，下面將具體對(duì)這些重要章節(jié)的過渡教學(xué)進(jìn)行研究.

2.1 力學(xué)篇

大學(xué)物理與中學(xué)物理相比更強(qiáng)調(diào)矢量性、邏輯性和思維的發(fā)散性，比起中學(xué)物理計(jì)算常用的加減乘除，大學(xué)物理在計(jì)算方面偏重于微積分的應(yīng)用.兩者力學(xué)部分的內(nèi)容比較相似，但也有明顯區(qū)別，為完成學(xué)生在物理學(xué)習(xí)上的順利過渡，需要能很好地找到兩者的聯(lián)系和區(qū)別，才能更便于學(xué)生理解學(xué)習(xí).如矢量的描述，中學(xué)物理與大學(xué)物理的表述有所不同；中學(xué)物理所說的慣性是物體固有屬性，不存在慣性力的說法，但在大學(xué)物理非慣性參考系下會(huì)引入“慣性力”從而滿足牛頓第二定律來處理該系下的動(dòng)力學(xué)問題；中學(xué)物理的運(yùn)動(dòng)和力到大學(xué)物理課程中則為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，甚至很多大學(xué)物理題目可以用中學(xué)物理知識(shí)快速解答.

【例1】如圖1所示，A，B 兩物體由一長為l的剛性細(xì)桿相連，A，B 兩物體可在光滑軌道上滑行．如物體A以恒定的速率v向左滑行, 求夾角為α?xí)rB球速率.

若用大學(xué)物理的方法求解，先建立坐標(biāo)系xOy和運(yùn)動(dòng)方程，根據(jù)勾股定理求導(dǎo)即可；而用中學(xué)物理的速度分解合成就更簡單，根據(jù)B沿桿方向的分速度與A沿桿方向的分速度相等即可解題[3].

圖1 例1題圖

【例2】如圖2所示，長為l的輕繩，一端系質(zhì)量為m的小球，另一端系于定點(diǎn)O.開始時(shí)小球處于最低位置.若使小球獲得如圖所示的初速v0，小球?qū)⒃谪Q直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng).求小球在任意位置的速率v及繩的張力T.

圖2 例2題圖

常規(guī)方法是建立自然坐標(biāo)系，然后用動(dòng)力學(xué)方法通過微積分計(jì)算，而如果用中學(xué)物理的機(jī)械能守恒也可以快速求解.

對(duì)于剛體力學(xué)部分，要完成該部分的順利過渡可以對(duì)比力和力矩的概念，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而力矩是改變物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的原因.首先要通過質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)到質(zhì)點(diǎn)系的運(yùn)動(dòng)，然后到剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)，最后利用平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)各物理量的對(duì)應(yīng)，如力F對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩M，m對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，加速度a對(duì)應(yīng)角加速度α，動(dòng)量P對(duì)應(yīng)角動(dòng)量L等，可用類比的方法證明剛體轉(zhuǎn)動(dòng)里的所有公式，從而讓學(xué)生更好地完成這個(gè)過渡.

2.2 熱學(xué)篇

大學(xué)物理的熱學(xué)部分主要是氣體動(dòng)理論和熱力學(xué)基礎(chǔ)，所研究的對(duì)象以氣體為主，因此，要較好地完成從中學(xué)物理的過渡，可以從中學(xué)固體的晶體和非晶體、各向同性和異性為起點(diǎn)，然后到液體(固體和氣體的中間態(tài))特點(diǎn)的介紹，最后是氣體.從中學(xué)的氣體實(shí)驗(yàn)定律——玻意耳定律、查理定律和蓋·呂薩克定律可知對(duì)于一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)體積一定時(shí)，壓強(qiáng)p與溫度T成正比;當(dāng)壓強(qiáng)一定時(shí)，體積V與T成正比，當(dāng)溫度一定時(shí)，p與V成反比[4]，通過這3個(gè)定律可得出大學(xué)物理的理想氣體狀態(tài)方程pV=νRT(ν是物質(zhì)的量).后面還可以結(jié)合氣體與液體的特點(diǎn)，講一些日常熟悉的空氣濕度和飽和度等，如此便可溫故知新，引起學(xué)生的興趣，也能收到比較好的教學(xué)效果.

對(duì)于熱力學(xué)基礎(chǔ)部分與中學(xué)的內(nèi)容很類似，只是大學(xué)物理在中學(xué)純理論的基礎(chǔ)上加入體積功、等值過程應(yīng)用和摩爾熱容等計(jì)算部分.因此，可以結(jié)合中學(xué)部分知識(shí)和前面的氣體動(dòng)理論，從熱力學(xué)第零定律、內(nèi)能改變的兩種方式到熱力學(xué)第一定律，最后過渡到熱力學(xué)第二定律，其中摻雜其他細(xì)節(jié)知識(shí)點(diǎn)便可更好地掌握該部分知識(shí).

2.3 光學(xué)篇

光是電磁波，具有波粒二象性，中學(xué)物理的光學(xué)主要講光學(xué)的粒子性，如光的直線傳播、反射和折射，以及純理論的光的波動(dòng)性(即對(duì)光的干涉和衍射概念的一些簡單的理解)和對(duì)光的偏振的了解.而這些也都是大學(xué)物理光學(xué)主要研究的知識(shí)點(diǎn)，只不過大學(xué)研究的更加深入，偏重于數(shù)據(jù)的分析計(jì)算說明，如干涉條紋間距，明暗條紋分布特點(diǎn)，單縫衍射和衍射光柵的特點(diǎn).

因此在這部分的教學(xué)可以以太陽的光是如何產(chǎn)生這個(gè)問題為由來，介紹恒星與行星的區(qū)別為鋪墊引起學(xué)生的興趣，從而講光的特點(diǎn).首先要結(jié)合前面機(jī)械波的衍射和疊加原理來理解光具有同樣的特點(diǎn)，然后到具體計(jì)算楊氏雙縫干涉不同級(jí)明暗條紋位置以及相鄰明暗紋間距，最后從前面波程、相干波類比引出光程、相干光的一些概念，理解半波損失的條件和特點(diǎn)，從而會(huì)計(jì)算薄膜、劈尖干涉和牛頓環(huán)等問題.

衍射部分可以從費(fèi)馬原理計(jì)算證明光的反射和折射特點(diǎn)著手[5]，同樣以惠更斯原理的理解為基礎(chǔ)來證明它，這樣用粒子性和波動(dòng)性兩種方法來證明可以加深學(xué)生對(duì)光的理解，也會(huì)產(chǎn)生更多的好奇驅(qū)使學(xué)生更多的學(xué)習(xí)動(dòng)力.單縫夫瑯和費(fèi)衍射可以從雙縫干涉為基礎(chǔ)采用半波帶法便于學(xué)生的理解和掌握，而衍射光柵的條紋則是單縫衍射和多縫干涉疊加的結(jié)果，將每個(gè)縫看作一個(gè)光矢量，不同衍射傾角對(duì)應(yīng)的光波在屏上疊加的效果不同，從而產(chǎn)生主極大明條紋、次級(jí)大明紋、暗紋和缺級(jí)現(xiàn)象，通過計(jì)算即可得到具體分布情況.

對(duì)于光的偏振則要從波的分類說起，根據(jù)波在振動(dòng)方向與傳播方向關(guān)系的分類，引出光是橫波的事實(shí)，也是光具有偏振的原因[6]，結(jié)合日常生活看3D電影時(shí)3D眼鏡鏡片對(duì)于光偏振的應(yīng)用，可以吸引學(xué)生的注意力，從而更加便于后面知識(shí)的理解掌握.

2.4 電磁學(xué)篇

進(jìn)而到電勢(shì)差.這樣捋清楚邏輯，對(duì)比區(qū)分可以便于知識(shí)點(diǎn)的過渡，讓學(xué)生更好地理解掌握.

磁的本質(zhì)是電，所以可以用電作為類比來理解磁場(chǎng)部分的知識(shí)，正如同麥克斯韋在研究電磁時(shí)類比流體力學(xué)，從流量到通量最終完成電磁的統(tǒng)一[7].相對(duì)于電場(chǎng)部分大學(xué)物理增加了高斯定理，而磁場(chǎng)部分則增加了安培環(huán)路定理求磁場(chǎng)強(qiáng)度，并對(duì)安培力和洛倫茲力進(jìn)行了具體的分析和計(jì)算.

在電磁感應(yīng)部分中學(xué)和大學(xué)物理的內(nèi)容也都是從電磁感應(yīng)現(xiàn)象、電磁感應(yīng)定律到最后自感互感的理解，只是大學(xué)物理更強(qiáng)調(diào)概念理解后的具體計(jì)算.為完成該章節(jié)知識(shí)平穩(wěn)的過渡可以從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象揭示電磁感應(yīng)定律，結(jié)合中學(xué)物理再次理解楞次定律并用于判斷感應(yīng)電流的方向；然后從電源的電動(dòng)勢(shì)結(jié)合電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因來具體理解和計(jì)算動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)；相對(duì)于一些純理論純計(jì)算的物理知識(shí)，與日常生活相關(guān)的物理才是最吸引學(xué)生的部分，因此，最后渦電流、趨附效應(yīng)可以結(jié)合電磁爐、變壓器和金屬淬火實(shí)例來講說.

3 總結(jié)

大學(xué)物理作為理工類的必修基礎(chǔ)課不可或缺，但在中學(xué)到大學(xué)的各種轉(zhuǎn)變下，在因高考錄取等近于一個(gè)學(xué)期時(shí)間的荒廢下，大部分學(xué)生很難在撿起中學(xué)物理的基礎(chǔ)上很好地學(xué)習(xí)大學(xué)物理，甚至碰到新的、難一點(diǎn)的知識(shí)就自暴自棄.因此，本文基于中學(xué)物理與大學(xué)物理重要知識(shí)點(diǎn)之間的異同點(diǎn)，從力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)部分結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)例解說研究了該過渡教學(xué)研究；溫故知新、邏輯分明和由淺及深地實(shí)施該過渡教學(xué)，便于學(xué)生更加輕松地完成從中學(xué)到大學(xué)物理的順暢銜接，也能為教師教學(xué)提供一些參考.