大學(xué)物理與中學(xué)物理課程恒定磁場部分的銜接研究

李艷紅

摘要： 根據(jù)教育部制定的“高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)”和教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會最新編制的“理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求”，本文對大學(xué)物理教材和高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教材的恒定磁場部分進(jìn)行了對比，通過分析總結(jié)了恒定磁場部分在內(nèi)容和方法方面的銜接和深入。

關(guān)鍵詞： 大學(xué)物理中學(xué)物理恒定磁場銜接

1.引言

物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本運(yùn)動形式、基本相互作用規(guī)律的一門自然科學(xué)，它的基本理論滲透在自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中的許多部門，是其他自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。在人類追求真理、探索未知世界的過程中物理學(xué)展現(xiàn)了一系列科學(xué)的世界觀和方法論，不僅物理學(xué)的知識對各行各業(yè)的工作起到指導(dǎo)作用，物理學(xué)的研究方法也被大量應(yīng)用于其他學(xué)科及工程技術(shù)的各個(gè)方面，物理學(xué)在人才的科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)中也具有十分重要的地位［１］。因此，以物理學(xué)為基礎(chǔ)的大學(xué)物理課程，是高等學(xué)校理工科各專業(yè)學(xué)生一門重要的通識性必修基礎(chǔ)課（大多數(shù)高校的文科專業(yè)也開設(shè)了相應(yīng)的大學(xué)物理課程），是每個(gè)科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員，以及管理人員所必備的。

近年來，隨著我國教育改革的推進(jìn)，非物理類專業(yè)大學(xué)物理的教學(xué)也遇到了一些新問題，其主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：諸如存在物理教學(xué)內(nèi)容不斷膨脹而學(xué)時(shí)卻在減少的矛盾，大學(xué)的不斷擴(kuò)招與學(xué)生的學(xué)習(xí)水平的矛盾，以及當(dāng)前國內(nèi)的大學(xué)物理教材一些內(nèi)容與中學(xué)重復(fù)太多或有明顯脫節(jié)的問題，等等。要使學(xué)生更快地在中學(xué)物理的基礎(chǔ)上理解掌握大學(xué)物理的學(xué)習(xí)內(nèi)容，大學(xué)物理課程與中學(xué)物理課程的銜接就成為了目前亟待研究的問題。

2.中學(xué)物理與大學(xué)物理恒定磁場內(nèi)容的比較研究

2.1中學(xué)物理恒定磁場部分的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“新課標(biāo)”）的磁場知識在選修模塊選修3-1中，教材包括電場、電路和磁場。新課標(biāo)在磁場部分的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)［2］：

（1）列舉磁現(xiàn)象在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用。了解我國古代在磁現(xiàn)象方面的研究成果及其對人類文明的影響。關(guān)注與磁相關(guān)的現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展。

（2）了解磁場，知道磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量。會用磁感線描述磁場。

（3）會判斷通電直導(dǎo)線和通電線圈周圍磁場的方向。

（4）通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識安培力。會判斷安培力的方向，會計(jì)算勻強(qiáng)磁場中安培力的大小。

（5）通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識洛侖茲力。會判斷洛侖茲力的方向，會計(jì)算洛侖茲力的大小。了解電子束的磁偏轉(zhuǎn)原理及其在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。

2.2大學(xué)物理恒定磁場部分的內(nèi)容要求。

教育部2008年頒發(fā)的“理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求”（以下簡稱“要求”）中有恒定磁場部分的內(nèi)容要求。

2.2.1真空中的恒定磁場

在真空中的恒定磁場中，內(nèi)容要求有：恒定電流、電流密度和電動勢；磁感應(yīng)強(qiáng)度：畢奧—薩伐爾定律、磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加原理；恒定磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理；洛倫茲力；安培定律。

2.2.2恒定磁場中的磁介質(zhì)

在恒定磁場中的磁介質(zhì)中，內(nèi)容要求有：物質(zhì)的磁性、順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)、鐵磁質(zhì)；有磁介質(zhì)存在時(shí)的磁場。

2.3恒定磁場部分“新課標(biāo)”和“要求”的比較

都涉及了例如磁場、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通量、安培力、洛倫茲力等磁場方面的基本概念，以及都要求會計(jì)算力的大小，只是要求要掌握的程度不同、計(jì)算方法不同；大學(xué)物理課程要求有而中學(xué)物理沒有的主要是畢奧—薩伐爾定律、磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加原理，恒定磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理，物質(zhì)的磁性。

2.4恒定磁場部分高中物理教材和大學(xué)物理教材的比較

本文以2007年1月第2版的人民教育出版社的《物理》教材（普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書，以下簡稱高中物理教材）和2010年8月第1版的機(jī)械工業(yè)出版社出版的《大學(xué)物理》教材（以下簡稱大學(xué)物理教材）進(jìn)行比較。

在高中物理教材的第二章中的電源、電流、電動勢和電路在大學(xué)物理教材中第14章前兩節(jié)中均有涉及，其中基本概念只是略微提過，研究方法和內(nèi)容完全是更深層次；大學(xué)物理教材中第14章后四節(jié)的內(nèi)容都是在高中物理教材的第三章磁場中的內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行了更深入的描述，其中就包含新知識：畢奧—薩伐爾定律、磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加原理，恒定磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理等；而大學(xué)物理教材的第15章的內(nèi)容只是在高中物理教材中提到了一個(gè)概念：磁性。

3.大學(xué)物理和中學(xué)物理在恒定磁場部分的銜接和深入

3.1真空中的恒定磁場部分的銜接及深入

這一部分在中學(xué)和大學(xué)聯(lián)系最主要的是磁感應(yīng)強(qiáng)度這一塊。在中學(xué)是用理想條件下的探究實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論：三塊相同的條形磁鐵并列的放在桌上，認(rèn)為它們中間的磁場是均勻的，將一根直導(dǎo)線的水平懸掛在磁鐵的兩級間，導(dǎo)線的方向與磁場的方向垂直。保持磁場不變，改變電流強(qiáng)度和導(dǎo)線在磁場中的長度其中的任一條件，觀察導(dǎo)線的受力情況。經(jīng)過多次試驗(yàn)，得出安培力公式F=BIL，式中的B與電流和導(dǎo)線長度無關(guān)，但在不同的情況時(shí)B的值是不同的。而B正是能夠表征磁場強(qiáng)弱的物理量——磁感應(yīng)強(qiáng)度B=［3］，安培力是洛倫茲力的宏觀變現(xiàn)，帶電量q的粒子在均勻磁場中與磁場方向垂直以速度v運(yùn)動，得出B=。方向由左手定則判定。在高等物理中，磁場對外的重要表現(xiàn)是磁場對引入場中的運(yùn)動的試探電荷的作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如果電荷在一點(diǎn)沿著與磁場方向垂直的方向運(yùn)動時(shí)所受磁力最多F，而這個(gè)力正比于運(yùn)動試探電荷的電荷量q，也正比于電荷運(yùn)動的速度v，但比值卻在這點(diǎn)具有確定的量值，而與運(yùn)動試探電荷的qv值的大小無關(guān)。這樣可引入磁感應(yīng)強(qiáng)度（矢量B），大小可定義為B=。改點(diǎn)磁場的方向就是磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向［４］。在接下來的任一點(diǎn)電場強(qiáng)度的求解方面上就仿照靜電場的方法引入了畢奧—薩伐爾定律d= （正電荷）。在關(guān)于洛倫茲力的數(shù)學(xué)表達(dá)式上，當(dāng)帶電粒子運(yùn)動方向與磁場方向平行時(shí)受力為0；當(dāng)帶電粒子運(yùn)動方向與磁場方向垂直時(shí)它所受的磁場力最強(qiáng)F，F(xiàn)=qvB；一般情況下帶電粒子運(yùn)動方向與磁場方向夾角為θ，此時(shí)F=qvBsinθ，根據(jù)右手定則確定洛倫茲力的矢量表達(dá)式為=q×（正電荷），負(fù)電荷的方向正好相反。

3.2恒定磁場中的磁介質(zhì)部分的銜接及深入

關(guān)于磁性在高中物理中只是簡單地提到物理被磁化后物體擁有磁性，簡單地根據(jù)物體磁化的容易程度劃分了順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)。在大學(xué)物理課程中，因?yàn)榇呕蟮慕橘|(zhì)會激發(fā)附加磁場，從而對原磁場產(chǎn)生變化得=+。根據(jù)相對磁導(dǎo)率μ的大小將磁介質(zhì)分為四類：抗磁質(zhì)（μ＜1），附加磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度與外磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度反向相反，磁介質(zhì)內(nèi)的磁場被削弱；順磁質(zhì)（μ＞1），附加磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度與外磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度反向相同，磁介質(zhì)內(nèi)的磁場被加強(qiáng)；鐵磁質(zhì)（μ?垌1），磁介質(zhì)內(nèi)的磁場被大大加強(qiáng)；完全抗磁體（μ=0），磁介質(zhì)內(nèi)的磁場等于0（如超導(dǎo)體）。然后根據(jù)疊加后的磁場和前面推導(dǎo)的公式進(jìn)行不同的應(yīng)用。

4.結(jié)語

通過分析大學(xué)物理教材和高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教材，我們知道，中學(xué)物理注重對知識的探究，大學(xué)物理靜電場知識是在中學(xué)物理知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知能力的提高，應(yīng)用不同的方法，如微積分知識和矢量代數(shù)知識，把中學(xué)常用的在勻強(qiáng)磁場的結(jié)論推導(dǎo)到一般的靜磁場中，并且為電磁場理論打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

［1］教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會.理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求.北京：高等教育出版社，2008.

［2］中華人民共和國教育部制定.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）.

［3］張大昌，彭前程等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-1.人民教育出版社，2007.

［4］尹國盛，楊毅.大學(xué)物理（上冊）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.