如何在中學(xué)物理課引入現(xiàn)代科技概念

蔡琤

【摘 要】本文以高中物理選修1-1第四章電磁波及其應(yīng)用為例，介紹在新課程改革的背景下，老師如何采用各種教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)物理原理與現(xiàn)代科技的結(jié)合。用較通俗的語言介紹了電磁波的各種傳播方式，并介紹了波信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，以及電磁波在生活中的應(yīng)用的例子。

【關(guān)鍵詞】電磁波;現(xiàn)代科技;滲透式教學(xué)

1.教師應(yīng)具備的物理理論與高科技概念

1.1Maxwell電磁理論

1.1.1Maxwell方程組

由高斯定理知道電荷可以激發(fā)電場(chǎng)，由法拉第電磁感應(yīng)定律知道變化的磁場(chǎng)激發(fā)渦旋電場(chǎng)。由于尚未發(fā)現(xiàn)磁荷的存在，目前激發(fā)磁場(chǎng)的方式除了運(yùn)動(dòng)電荷外還有變化的電場(chǎng)，均以渦旋方式激發(fā)磁場(chǎng)，因此磁力線總是閉合的。由此總結(jié)推演出一組完整的方程組，即

Maxwell方程組是電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方程，該方程在電磁學(xué)中的地位同牛頓定律在力學(xué)中的地位同樣重要，電磁波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以Maxwell方程為基礎(chǔ)。

1.1.2電磁波的輻射

電偶極輻射是最常見的形式。

輻射場(chǎng)的能流為

因?yàn)椤觥豷in2θ，θ從0到■，隨角度增加能流密度增大。如圖1示。

P只與源有關(guān)，把■對(duì)一個(gè)封閉球面積分得總輻射功率P。

P=■■，因?yàn)椤稣扔趙2，所以■正比于w4，功率P也正比于w4。頻率變大，輻射功率迅速增大。

電偶極輻射場(chǎng)與庫侖場(chǎng)的區(qū)別

庫侖場(chǎng)的場(chǎng)源是靜止電荷，所以▽·■（■）=0。

■■d■=■

庫侖場(chǎng)與距離是反平方定律，所以在遠(yuǎn)區(qū)的能量為零。電偶極輻射場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷輻射出電磁場(chǎng)，能量可以傳到無限遠(yuǎn)，因?yàn)閳?chǎng)與距離是反比關(guān)系：

■=■（■×■）×■

■=■■×■

電偶極輻射的能量可傳到遠(yuǎn)場(chǎng)，電磁波是橫波。

1.1.3電磁波的傳播

變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)能相互激發(fā)。相互激發(fā)的過程使電磁場(chǎng)脫離場(chǎng)源而獨(dú)立地在空間中傳播，形成電磁波，滿足如下波動(dòng)方程

其中c=■

上式說明真空中一切電磁波都是以光速c傳播的。

1.1.3.1電磁波的衍射

當(dāng)電磁波在傳播過程中遇到障礙物或者透過屏幕上的小孔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏離原來方向的出射電磁波，這種現(xiàn)象稱為衍射現(xiàn)象。相比較而言，波長大的電磁波更易發(fā)生衍射現(xiàn)象，通常衍射角與屏障尺度具有反比關(guān)系，即θ～λ/a。

1.1.3.2電磁波通過等離子體的反射、折射與吸收

電磁波在不同介質(zhì)的分界面上要發(fā)生反射和折射，當(dāng)電磁波以一定的入射角進(jìn)入電離層時(shí)，由于電離層的等離子態(tài)在一定波長范圍內(nèi)的折射率n<1，會(huì)發(fā)生類似于光學(xué)中的反射現(xiàn)象，電磁波以相同的角度射出電離層。

設(shè)由下而上的電離層電子密度依次為N1，N2，…，Nm，其中0

另外，電離層對(duì)電磁波具有吸收作用，當(dāng)電磁波進(jìn)入電離層后，電離層內(nèi)的自由電子受到電磁波的作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的自由電子與氣體分子發(fā)生碰撞需要消耗能量。這個(gè)能量是來自電磁波的，即電磁波通過電離層時(shí)要消耗能量，這種現(xiàn)象稱為電離層對(duì)電磁波的吸收。

1.1.3.3電磁波的散射

當(dāng)從天線輻射出去的電磁波，投射到尺度在波長量級(jí)的不均勻體時(shí)，部分電磁波將偏離原來的方向而分散傳播，從側(cè)向也可以接收到電磁波即波的散射傳播。

1.2現(xiàn)代通信概念

信號(hào)：信號(hào)是指隨時(shí)間變化的物理量。信號(hào)可以分為連續(xù)時(shí)間信號(hào)和離散的數(shù)字時(shí)間信號(hào)。

載波：用于傳送信號(hào)而未經(jīng)調(diào)制的電磁波。

調(diào)制：把各種基帶信號(hào)加到載波上，使發(fā)射的載波隨信號(hào)而改變的過程。信息技術(shù)中采用的一種對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)的方法（如下圖所示），

首先，先將一個(gè)緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器將信號(hào)放大，最后再通過濾波器取出放大后的緩變信號(hào)。信號(hào)調(diào)制的類型，一般的正（余）弦凋制可分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制三種，簡稱為調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、調(diào)相（PM）。中波、短波一般采用調(diào)幅方法，超短波一般采用調(diào)頻方法。

2.教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變——滲透式教學(xué)

2.1滲透的內(nèi)容

我認(rèn)為在中學(xué)教學(xué)中，適當(dāng)?shù)叵驅(qū)W生介紹一些超越大綱要求的內(nèi)容，哪怕是提一下，對(duì)學(xué)生擴(kuò)展知識(shí)面、聯(lián)系前沿科技等都大有益處。在教學(xué)中可嘗試，很多概念（如衍射角約為波長比屏障尺度、通信帶寬正比于載波頻率、趨膚效應(yīng)和穿透深度、輻射功率正比于頻率四次方等）盡管是中學(xué)所沒有的，但讓學(xué)生了解一些結(jié)論，就可打開現(xiàn)代科技的窗口，了解在生活中無處不在的高科技，學(xué)生雖然不一定知其所以然，但如果會(huì)用結(jié)論解釋現(xiàn)象和說明原理也是一種能力的體現(xiàn)。

2.2滲透的過程

其實(shí)滲透式教學(xué)雖然是一種教學(xué)模式，但不能將其模式化，教師在課堂中可以采取多種多樣的教學(xué)方法（如選擇講授法、問題討論法、探究式教學(xué)等）使整節(jié)課連貫，過渡自然。老師要力求在使用教學(xué)方法達(dá)到傳遞知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生各自的能力（如觀察能力、收集資料的能力、語言表述能力等）。同時(shí)，滲透的內(nèi)容有延續(xù)性，學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容有興趣，自然會(huì)將知識(shí)遷移到課后、生活中、讀書看報(bào)時(shí)。

2.3滲透的效果

滲透教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)體發(fā)展，所以滲透式教學(xué)所要達(dá)到的效果就是在學(xué)生學(xué)到知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)其能力，提高其學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)習(xí)不僅僅只停留在課本上。

3.以電磁波應(yīng)用為題的現(xiàn)代科技教學(xué)嘗試

3.1無線電通信歷史

對(duì)于這一部分內(nèi)容的教學(xué)，教師可以采用“學(xué)生講演法”的教學(xué)方法。在課前將學(xué)生分成若干個(gè)小組，各小組自行推舉組長，分配人員收集資料，上臺(tái)講演，教師在學(xué)生講演的基礎(chǔ)上進(jìn)行提問、鼓勵(lì)性的評(píng)價(jià)、總結(jié)。

希望通過這樣的模式，培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)性，增加學(xué)生的自信，并體味物理與科技的密切聯(lián)系。

附：無線電通信歷史

1895年，俄國波波夫和意大利馬可尼分別發(fā)明了無線電報(bào)機(jī)。1897年5月18日，馬可尼實(shí)現(xiàn)了橫跨布里斯托爾海峽的無線電通信。

由于無線電通信不需要昂貴的地面線路和海底電纜，因而受到人們的重視。它首先用在難于鋪設(shè)線路的海上通信。第一艘裝有無線電臺(tái)的船只是美國的“圣保羅”號(hào)郵船。后來，海上無線電通信接二連三地在援救海上遇險(xiǎn)船只中發(fā)揮作用。

1901年，無線電波越過了大西洋，人類首次實(shí)現(xiàn)了隔洋無線電通信。兩年后，無線電話試驗(yàn)成功。至今，無線電廣播、電視、微波通信、衛(wèi)星通訊和光通信……電磁波使整個(gè)世界面貌發(fā)生了深刻的變化。

3.2電磁波譜

對(duì)于電磁波譜的學(xué)習(xí)主要采用“講授法”，對(duì)于電磁波各波段應(yīng)用，主要采用“自學(xué)指導(dǎo)法”，先給學(xué)生出示自學(xué)提綱，學(xué)生自己完成提綱中的問題;再讓學(xué)生自由討論，提綱中的問題;最后再由學(xué)生的自學(xué)情況進(jìn)行小結(jié)。

通過這樣的模式，提高學(xué)生的自學(xué)能力，口頭表達(dá)能力，通過自學(xué)、思考問題、討論、總結(jié)的方式，學(xué)生對(duì)本節(jié)內(nèi)容的理解也許遠(yuǎn)高于教師的“一言談”的效果。但是，學(xué)生可能會(huì)走神，所以一方面要選簡單易懂的課進(jìn)行自學(xué)，另一方面在學(xué)生思考時(shí)教師要在學(xué)生中來回巡視，了解學(xué)生自學(xué)情況，適當(dāng)給予幫助，另外在學(xué)生討論時(shí)，老師要鼓勵(lì)每一位同學(xué)都參與進(jìn)討論，不要只是幾位同學(xué)的“幾言談”。

3.3微波爐、電磁爐的工作原理

第二節(jié)的末尾有一個(gè)課題研究：豐富多彩的電磁波世界，我希望通過這一部分的學(xué)習(xí)能夠知道電磁爐、微波爐的工作原理，同時(shí)能夠利用家里的電器來研究電磁現(xiàn)象。讓學(xué)生體會(huì)電磁波在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。

對(duì)于微波爐、電磁爐的原理，其中要用到電磁波的趨膚效應(yīng)、磁導(dǎo)率等知識(shí)，這些知識(shí)學(xué)生可能沒有學(xué)過需要教師用最通俗的語言把它講明白。

【參考文獻(xiàn)】

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（福州延安中學(xué)，福建 福州 350000）