張登玉　葉蕾　游開(kāi)明

摘要：本文對(duì)大學(xué)與高中物理電磁學(xué)部分銜接問(wèn)題進(jìn)行了討論。從高等教育的整體性和重要性說(shuō)明做好內(nèi)容銜接的必要性，并對(duì)物理教學(xué)中處理電磁學(xué)內(nèi)容的基本概念和定律銜接問(wèn)題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；高中物理；電磁學(xué)；銜接

中圖分類(lèi)號(hào)：G424.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）49-0123-02

一、中學(xué)物理與大學(xué)物理銜接的必要性

中高等教育具有整體性。在教育領(lǐng)域中常常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的改革，也會(huì)出現(xiàn)銜接不恰當(dāng)?shù)那闆r，這種銜接問(wèn)題在高中與大學(xué)的融合中表現(xiàn)得也越發(fā)明顯。由教育階段的不銜接帶來(lái)的種種現(xiàn)實(shí)問(wèn)題不斷突出激化，尤其是基礎(chǔ)教育新課程改革給大學(xué)教育教學(xué)帶來(lái)了巨大沖擊，解決教育的順利銜接問(wèn)題成為大學(xué)教育必須面對(duì)和迫切需要解決的重要課題。中、高等物理教育具有系統(tǒng)性。高中物理、大學(xué)物理這兩個(gè)階段層層上升，定位的層次也由低向高發(fā)展。大學(xué)物理階段是一個(gè)更完整、更系統(tǒng)的物理學(xué)理論體系，更傾向于對(duì)物理理論系統(tǒng)的掌握和抽象思維的訓(xùn)練，著重于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和能力。課程概念的變化更新，課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)的變化，選修內(nèi)容的自由選擇，以及考核的全面自由，都給大學(xué)物理教學(xué)帶來(lái)了較大影響。大學(xué)物理課程需要從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換與調(diào)整，提出相應(yīng)的改革措施以適應(yīng)新的教育群體。在教學(xué)中要因材施教，從而全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與科學(xué)內(nèi)涵。這里我們僅以張三慧編寫(xiě)的大學(xué)物理為例進(jìn)行探討。

二、大學(xué)與中學(xué)物理電磁學(xué)內(nèi)容的比較

通過(guò)比較高中物理教材和大學(xué)物理教材可以看出，大學(xué)物理教材在高中教材的基礎(chǔ)上，又增加了高斯定理、環(huán)路定理、畢奧—薩伐爾定律、電介質(zhì)的極化電容等內(nèi)容，并且突出了“場(chǎng)”的觀點(diǎn)。在高中階段的學(xué)習(xí)中，“場(chǎng)”僅作為描述電荷間及電流間相互作用的輔助手段，并未觸及到實(shí)質(zhì)，大學(xué)階段的學(xué)習(xí)對(duì)于“場(chǎng)”的認(rèn)識(shí)則要從它的空間分布著手，從整體上去把握它。而對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)部分的基本概念和規(guī)律，例如磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通量、庫(kù)侖定律、電場(chǎng)強(qiáng)度、安培力、洛倫茲力、電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻、閉合電路的歐姆定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等內(nèi)容，大學(xué)物理教材則做了不同程度上的擴(kuò)展和深化。以下就兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析。

1.“場(chǎng)”的概念。在高中階段的學(xué)習(xí)中“場(chǎng)”僅作為描述電荷間相互作用的輔助手段，并未觸及到實(shí)質(zhì)，大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)的核心內(nèi)容是“場(chǎng)”，場(chǎng)與質(zhì)點(diǎn)、剛體等實(shí)物有很多的不同，是在空間連續(xù)分布的對(duì)象，它的規(guī)律從總體上去把握。描述和處理“場(chǎng)”所需的概念（如通量、環(huán)量）和方法與學(xué)生過(guò)去熟悉的不同。雖然在高中物理接受過(guò)電磁場(chǎng)的概念，但要理解物質(zhì)形態(tài)的電磁場(chǎng)，用矢量分析的工具來(lái)描述、計(jì)算電磁場(chǎng)等內(nèi)容卻完全是陌生的，是十分抽象的，這是造成學(xué)生感到不適應(yīng)和學(xué)習(xí)困難的重要原因。在大學(xué)階段對(duì)于“場(chǎng)”的認(rèn)識(shí)則要從它的空間分布入手，從整體上去把握它。對(duì)于矢量場(chǎng)，只是知道它在各種情況下的空間分布是不夠的，必須進(jìn)一步了解某些特征和性質(zhì)的總體分布，所以除了電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度等概念外，還需要進(jìn)一步引入通量和環(huán)流的概念，以及高斯定理和環(huán)路定理，因?yàn)樗鼈冋敲枋龊痛_定矢量場(chǎng)是否有源、是否有旋的方式。例如靜電場(chǎng)的高斯定理表明它是有源的，靜電場(chǎng)的環(huán)路定理表明它是無(wú)旋場(chǎng)，它反映了空間各點(diǎn)場(chǎng)之間存在內(nèi)在聯(lián)系。

2.電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)部分，大學(xué)物理涉及的主要內(nèi)容有：電磁感應(yīng)定律、動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)、互感和自感、渦電流與趨膚效應(yīng)、暫態(tài)過(guò)程、磁能，以及麥克斯韋方程組和電磁場(chǎng)的基本理論。電磁感應(yīng)定律主要講述電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等內(nèi)容，這些內(nèi)容基本上與高中物理學(xué)習(xí)的內(nèi)容是一致的，對(duì)于自感和互感的基本知識(shí)在高中也有所了解。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)是對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象物理實(shí)質(zhì)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，法拉第電磁感應(yīng)定律指明，只要通過(guò)回路的磁通量隨時(shí)間變化，就會(huì)在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。而引起磁通量變化的原因不外乎兩種情況，一種是導(dǎo)體回路或其中一部分在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，使其回路面積或回路的法線與磁感應(yīng)強(qiáng)度的夾角隨時(shí)間變化，從而使通過(guò)回路的磁通量發(fā)生變化，這種稱(chēng)之為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)；另一種是回路不動(dòng)，因磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化，從而使通過(guò)回路的磁通量發(fā)生變化，我們把這種稱(chēng)之為感生電動(dòng)勢(shì)。動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)是電磁學(xué)部分學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，它的學(xué)習(xí)要以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律等知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)。

三、大學(xué)與中學(xué)物理課程電磁學(xué)內(nèi)容的銜接

大學(xué)物理內(nèi)容結(jié)構(gòu)體系要“少而精”，要正確處理好“五基”（基本概念、基本規(guī)律、基本研究方法、基本物理思想和物理精神）的關(guān)系，特別的是要正確處理好與高中物理的關(guān)系，使大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容有適當(dāng)?shù)膹V度和深度，以避免體系的重復(fù)和知識(shí)上的漸變疊加，使大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容與高學(xué)物理可以順利銜接。

1.基本概念的銜接。我們以電勢(shì)概念為例。在高中教材中電勢(shì)是這樣定義的：取電場(chǎng)中某點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)位置，那么電場(chǎng)中任意位置與該點(diǎn)之間的電勢(shì)差就叫做電勢(shì)。由電勢(shì)的概念可以知道，選擇位置的電勢(shì)為零，電勢(shì)與電勢(shì)差的單位都相同并且都是標(biāo)量，因此電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)在數(shù)值上就等于單位正電荷由該點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)位置所做的功。所以在實(shí)際生活當(dāng)中，我們更關(guān)注的是電勢(shì)差，因?yàn)殡妶?chǎng)中某點(diǎn)電勢(shì)的大小與電勢(shì)零點(diǎn)的選取有關(guān)，但兩點(diǎn)間的電勢(shì)差和電勢(shì)零點(diǎn)的選取是沒(méi)有關(guān)系的。用電場(chǎng)線不但可以表示電場(chǎng)的強(qiáng)弱，也可以表示電勢(shì)的高低。沿著電場(chǎng)線的方向，電勢(shì)越來(lái)越低；反之，電勢(shì)越來(lái)越高。電場(chǎng)線方向與電勢(shì)高低的這種關(guān)系在任何電場(chǎng)中都是成立的。

大學(xué)教材中，如果計(jì)算空間某點(diǎn)的電勢(shì)數(shù)值到底是多少，我們需要選擇參考點(diǎn)，并令參考點(diǎn)的電位為零，該點(diǎn)的電位值定義為其他各點(diǎn)與此參考點(diǎn)的電位差。在計(jì)算中，如果場(chǎng)源局限在有限大小的空間，為了方便，常選擇無(wú)限遠(yuǎn)處為電勢(shì)能零點(diǎn)，即W∞=0，那么，空間任意一點(diǎn)P的電位UP就等于該點(diǎn)的電勢(shì)差，即UP= = = · l，電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)，對(duì)于空間任意的兩點(diǎn)P和Q，有UPQ=UP-UQ= · l= · l- · l。因?yàn)殡妶?chǎng)力做功是與路徑?jīng)]有關(guān)系的，因此對(duì)于空間任意的兩點(diǎn)P和Q之間的電勢(shì)差UPQ就等于P的電勢(shì)UP減去Q的電勢(shì)UQ。通常在場(chǎng)源電荷分布于有限空間內(nèi)時(shí)，可選擇無(wú)窮遠(yuǎn)處為電勢(shì)零點(diǎn)，但當(dāng)場(chǎng)源電荷分布延伸到無(wú)限遠(yuǎn)處時(shí)（如無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線、無(wú)限大帶點(diǎn)平板），就不能再選無(wú)限遠(yuǎn)處為電勢(shì)零點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，常選擇大地或者電器外殼為電勢(shì)零點(diǎn)。改變參考點(diǎn)，各點(diǎn)電勢(shì)的數(shù)值將隨之改變，但是兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差與參考點(diǎn)的選擇是沒(méi)有關(guān)系的。

兩者的銜接在于都指出了電勢(shì)是個(gè)相對(duì)量，要確定電場(chǎng)中某一點(diǎn)的電勢(shì)值，必須先確定好零電勢(shì)參考點(diǎn)，而電勢(shì)差是由電場(chǎng)力做功得出。

兩者的差別為：在高中教材中，定性的給出了電勢(shì)的定義，即取任意一位置作為零電勢(shì)，某點(diǎn)的電勢(shì)在數(shù)值上就等于單位正電荷由該點(diǎn)移動(dòng)到零電勢(shì)點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力所做的功。大學(xué)教材從高中定性的基礎(chǔ)上，定量的給出電勢(shì)的計(jì)算公式為UP= · l，即選擇無(wú)窮遠(yuǎn)處為零電勢(shì)參考點(diǎn)，把單位正電荷由P移動(dòng)到無(wú)窮遠(yuǎn)處時(shí)電場(chǎng)力做的功，并且大學(xué)教材中公式的計(jì)算都運(yùn)用到了積分。

2.基本規(guī)律的銜接。我們以歐姆定律為例。導(dǎo)體中的電流跟導(dǎo)體兩端的電壓U成正比，跟導(dǎo)體的電阻R成反比，這是我們高中所學(xué)習(xí)的歐姆定律，它們之間的關(guān)系式為I= 。高中所學(xué)的歐姆定律是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納總結(jié)出的規(guī)律，但是在大學(xué)物理中歐姆定律雖然是在穩(wěn)恒電路中導(dǎo)體內(nèi)的電流與電場(chǎng)之間的關(guān)系，但兩者的銜接點(diǎn)是一致的，都可以用I= 進(jìn)行表示，式中的比例系數(shù)R與電流I的大小無(wú)關(guān)，而是由導(dǎo)體的固有屬性決定的，同種材料的導(dǎo)體，其電阻R與它的長(zhǎng)度l成正比，與它的橫截面積S成反比，導(dǎo)體電阻還與構(gòu)成它的材料有關(guān)，用公式表示則是R=ρ ，其中ρ是該種材料的電阻率，但是不同于高中物理的是大學(xué)物理將電阻率ρ的倒數(shù)定義為電導(dǎo)率，符號(hào)為σ，并且大學(xué)物理對(duì)于橫截面或電阻率不均勻的導(dǎo)體電阻R，給出了積分表達(dá)式為R= ，高中學(xué)習(xí)的歐姆定律形式是反映一段導(dǎo)體內(nèi)電流與電場(chǎng)之間的整體關(guān)系，沒(méi)有反映出導(dǎo)體內(nèi)逐點(diǎn)的電流與電場(chǎng)的關(guān)系。為此，大學(xué)物理在更深層次上進(jìn)行了研究，在載流導(dǎo)體內(nèi)P點(diǎn)取一垂直橫截面ΔS0和長(zhǎng)度Δl都很小的電流管，這個(gè)電流管內(nèi)的電流為ΔI。由歐姆定律和電阻公式可得ΔI= ΔS0 或 =σ ，這里ΔU為這段小電流管兩端之間的電壓，由于ΔS0和Δl很小，可以認(rèn)為ΔS0上電流分布是均勻的，且與Δl之間電場(chǎng)也是均勻的。又因?yàn)殡娏髁鲃?dòng)方向與電場(chǎng)方向一致，這樣上式可變?yōu)?=σ 。這個(gè)公式稱(chēng)之為歐姆定律的微分形式，其中 為電流密度矢量。它表明導(dǎo)體內(nèi)一點(diǎn)的電流密度矢量與該點(diǎn)的電場(chǎng)方向相同，大小成比例。歐姆定律的微分形式更細(xì)致地描述了導(dǎo)體的導(dǎo)電規(guī)律，把電場(chǎng)與電流之間的關(guān)系逐點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，便于從場(chǎng)的觀點(diǎn)去闡述電路的原理。此外，歐姆定律的微分形式比高中教材表達(dá)的歐姆定律適用范圍更廣，對(duì)于隨時(shí)間變化不是十分快的非穩(wěn)恒電流情況，高中教材歐姆定律已經(jīng)失效，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，歐姆定律的微分形式依然適用。

綜上所述，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步深化現(xiàn)有的知識(shí)基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)變思維方式是銜接高中物理與大學(xué)物理課程的關(guān)鍵，它可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。

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