（课程与教学论专业论文）地方工科院校大学物理教学内容改革探索.pdf

山东师范大学硕士学位论文 地方工科院校大学物理教学内容改革探索 中文摘要 物理学是整个自然科学的基础，更是现代工程技术创立的源泉。随着物理学快速的 发展和巨大成果的取得，它对其他学科领域研究和发展的基础性作用越来越明显。当代 教育学、心理学也有了新的发展，在旧理论的基础上，许多新的关于教育和学习的理论 被提出来。它们更贴近当代，对现代教育、教学改革来说既是理论基础，又是新的目标 要求。鉴于这种情况，对作为工科类基础课程的大学物理教学进行改革是很有必要的。 现阶段，在我国大学物理教学现状不容乐观，人们对大学物理在工科专业中的作用、 教学比重、重视程度等方面出现了片面认识或不当做法，地方工科院校大学物理教学总 体水平不高。本论文就是想从教学内容改革的角度做一些具体的工作，为改善大学物理 教学现状出一点微薄之力。 通过理论和实践研究，本文取得的主要研究成果是：一、探索出了符合现代教育教 学规律，适应我国大学物理教学现状的教学内容改革的方向：( 1 ) 保证教学内容的深度 和广度，体现物理学体系的系统性和完整性。( 2 ) 大学物理教学内容的近代化和现代化。 ( 3 ) 突出为工科专业服务的功能。二、研究总结出具体改革实例，对 6 学时；b ：3 条) 7 量子物理基础( a ：1 0 条，建议学时数t 2 0 学时；b ：4 条) 8 分子与固体( b ：5 条) 9 核物理与粒子物理( b ：6 条) 1 0 天体物理与宇宙学( b ：3 条) 1 1 现代科学与高新技术的物理基础专题( 自选专题) 三、能力培养基本要求 通过大学物理课程教学，应注意培养学生以下能力： 1 独立获取知识的能力逐步掌握科学的学习方法，阅读并理解相当于大学物理 水平的物理类教材、参考书和科技文献，不断地扩展知识面，增强独立思考的能力，更 新知识结构；能够写出条理清晰的读书笔记、小结或小论文。 2 科学观察和思维的能力运用物理学的基本理论和基本观点，通过观察、分析、 综合、演绎、归纳、科学抽象、类比联想、实验等方法培养学生发现问题和提出问题的 能力，并对所涉问题有一定深度的理解，判断研究结果的合理性。 3 分析问题和解决问题的能力根据物理问题的特征、性质以及实际情况，抓住 主要矛盾，进行合理的简化，建立相应的物理模型，并用物理语言和基本数学方法进行 1 3 山东师范大学硕士学位论文 描述，运用所学的物理理论和研究方法进行分析、研究。 四、素质培养基本要求 通过大学物理课程教学，应注重培养学生以下素质： 1 求实精神通过大学物理课程教学，培养学生追求真理的勇气、严谨求实的科 学态度和刻苦钻研的作风。 2 创新意识一通过学习物理学的研究方法、物理学的发展历史以及物理学家的成 长经历等，引导学生树立科学的世界观，激发学生的求知热情、探索精神、创新欲望， 以及敢于向旧观念挑战的精神。 3 科学美感一引导学生认识物理学所具有的明快简洁、均衡对称、奇异相对、和 谐统一等美学特征，培养学生的科学审美观，使学生学会用美学的观点欣赏和发掘科学 的内在规律，逐步增强认识和掌握自然科学规律的自主能力。 五、有关说明 1 本教学基本要求适用于各类高等院校的工科专业和理科非物理专业的本科物理 课程，其中a 类内容是本科生学习本课程应达到的最低要求。 2 本课程宜从一年级第二学期开始，以确保学生学习本课程具有所需要的数学基 础。 3 本基本要求建议的最低学时数为1 2 6 学时。为了体现加强基础的教育思想，增强 学生的发展潜力，各学校应根据人才培养目标和专业特点增加一定数量的b 类内容和学 时数。例如，对于理科、师范类非物理专业和某些需要加强物理基础的工科专业，其大 学物理课程的学时数不应少于1 4 4 学时。 2 5 2 对重新制定的基本要求中教学内容的基本要求与原l ：基本要求的比较 重新制定基本要求目的在于进一步推动大学物理课程的改革，保障教学质量【1 6 1 。 为了使本论文研究的课题有据可依，在这里对重新制定的基本要求第二部分“教学 内容基本要求”与大学物理课程教学基本要求( 1 9 9 5 年版) 【1 刀对应部分相比较，总 结其新特点如下： 1 把所列的教学内容分成了a 类内容、b 类内容和现代科学与高新技术的物理基础 专题。2 只列出了各部分要讲授的内容，而没有对所列内容的讲授深度作分级处理，但 对各部分的教学重点提出了建议。 1 4 山东师范大学硕士学位论文 第三章地方工科院校大学物理教学内容改革探索及研究成果 3 1 地方工科院校的大学物理教学现状 大学物理多年来一直作为高校工科专业的公共必修课，它的设置和教学活动的实施 在不同社会经济发展阶段，对提高人才质量，发展科学事业都产生了积极作用。进入2 l 世纪，随着经济的快速持续发展，社会对人才的需求在素质方面有了进一步的提高，特 别是对高校工科类专业技术人才创新能力的要求。这种情况本应该是促进工科专业发 展，更新完善课程体系和教学内容的良好机遇和动力，但由于种种原因，近些年来人们 对大学物理在工科专业中的作用、教学比重、重视程度等方面出现了片面认识或不当的 做法，【1 8 】如：有的工科专业大幅度减少大学物理课的教学学时；有的工科专业把其当作 公共选修课，名则有实则无；有的工科专业干脆就不开设大学物理课；有的认为创新教 育与大学物理基础课教学无关。我国4 0 余年来的现实状态是，【1 9 】每当教学改革的呼声 高涨时，非物理专业就要砍杀物理课程的学时。这个问题长期以来困扰着广大的物理教 育工作者，常使他们处在迷惘、焦急、挣扎、无奈、消沉的复杂心态之中。大学物理教 学的总体状况不容乐观。 3 2 教学内容改革探索 根据以上的论述，笔者认为当前上至国家教育主管部门下至一线教学工作者都应该 在观念上对大学物理教学改革工作给予充分的重视，在行动上对这项工作投入更多的精 力和物力。教学内容改革是这项工作中很重要的一方面，并且与其他方面( 如教学课时 量安排、教学设备改善等) 相比，教学内容的改革探索也是从事教学工作的一线教师最 方便进行的。 依据现代教育学、心理学的理论，结合目前我国大学物理教学的现状，笔者主要探 索了地方工科院校大学物理教学改革的三个方向，在下文予以具体论述。 3 2 1 保证教学内容的深度和广度，体现物理学的系统性和完整性 一、主要观点 物理学是整个自然科学和现代工程技术的基础；对于任何专业，大学基础物理课的 1 5 山东师范大学硕士学位论文 目的都是使学生对物理学的内容和方法、工作语言、概念和物理图像，以及该学科的历 史、现状和前沿等方面，从整体上有个全面的了解；这是- 1 7 培养和提高学生科学素质、 科学思维方法和科学研究能力的重要基础课。 2 0 l 在大学物理教学中，教材及教学内容要 多样化、多元化、现代化，不拘泥于一种模式。保证学生受到坚实深厚的基础物理教育。 “大学物理教学保证教学内容的深度和广度，体现物理学的系统性和完整性”这本不应 该成为大学物理内容“改革”的_ 种观点，只有掌握好了物理知识才能有利于其他自然学 科知识的习得，才能有利于人才的培养，这是毋庸置疑的。这一原则自设置大学物理课 程以来就应该是明确的，并且应该认真贯彻执行的，但是在我国目前大学物理教学的现 状下，这却是一个很值得研究的方向。 二、研究现状及成果举例 大学物理教学内容要做到有足够的广度和深度，体现物理学的系统性和完整性，就 要有充足的课时作为保证。有许多国家尤其是发达国家的工科物理教育一直都受到了足 够的重视，课时充足。当前美国理工科大学在一、二年级仍按其一贯传统不分理科、工 科，不分系，不分专业。大学物理作为公共基础课在一、二年级开设，其课时一般都在 4 0 0 课时以上。德、法等西方发达国家工科的基础物理课基本上同物理专业一样，其课 时在4 0 0 甚至5 0 0 学时以上。虽然日本素以技术立国而著称，但八十年代以来大学物理 教学的领域已经突破了传统的理、工、医、农、林等专业，在基础研究、基础科学教育 方面也有了足够的重视。西方发达国家和日本在文、史、经济、管理、法律等专业也广 泛开设了基础物理课程。作为提高各类专业人员科学素养的有效措施，这一做法风行世 界。 目前在国内尤其是地方工科院校的情况是：学时非常少，师资力量不强，现代化教 学手段运用不足。更严峻的是扩招给这些院校带来很大压力，学生数量剧增，生源质量 大幅下降，原有的不足更加突现。这对作为基础课的大学物理教学影响很大。 在不利的客观条件短时期内不能得到改善的情况下，要使教学内容有足够的广度和 深度，有完整清晰的体系，这就是一个很值得探索的改革问题。 在国内有许多大学物理教育工作者已经进行了研究，并初步取得了一定的成果。在 这里重点介绍一下湖南中南大学编写的一套大学物理新教材，该教材的特点是： 2 1 1 ( 1 ) 以二论( 相对论、量子论、信息论) 为主导，以物质存在的基本形态( 粒子、场物质、波粒 二象性) 为主线，构建工科物理教学内容新体系。这样以近代物理作指导，以清晰的物 理图像为主纲，打破了以力学、热学、电磁学、光学、近代物理为模块的旧的教学体系， 1 6 山东师范大学硕士学位论文 使物理学各分支学科在新体系框架内实现了大综合，体现了教学内容的现代化，同时又 保证了物理学体系的完整性；( 2 ) 用近代物理新观念审视和改革经典物理教学内容。对经 典物理部分，采用相对性原理、对称性和统一性等近代物理观念进行重组，如淡化机械 运动中力的表象，强化其能量表象，引入在近代物理学中广泛采用的相空间和哈密顿量 等概念。由对称性原理导出三大守恒律，揭示了对称性与运动守恒的密切关系，让学生 理解对称性是物理学家探求未知世界规律的基本指导思想之一 3 2 2 大学物理教学内容的近代化和现代化口2 】 一、主要观点 在基础物理学的课程设置中，现代物理学应该成为课程的主体。教学内容必须反映 物理学的新成就和注重现代科学技术，大幅度增加近代物理学的内容，把近代科学技术 成就和前沿课题的有关内容有机地融合到教材的各部分内容中，从高新技术中提炼出来 基础物理内容。从近代科学技术发展的高度，对经典物理内容重新进行精选和安排，改 变在传统讲法中一些概念的提法和一些基本定律的相对位置。 二、研究现状及成果举例【2 3 1 随着科学技术的不断发展，可以并应该引入大学物理教学的内容也是越来越丰富， 具体举几个被大多数大学物理教学工作者公认的应该引入大学物理教学的有代表性的 例子。 非线性科学：随着对复杂性现象研究的深入展开，非线性科学己经成为现代物理学 的前沿学科之一，在大学物理教学中可以引入非线性科学的内容。比如，在振动与波这 个部分，就介绍非线性振动、混沌和波动的非线性效应等现代物理学和现代工程技术中 广泛应用的概念，使学生深刻体会到，即使是简单系统也会表现出复杂行为，牛顿的决 定论思想受到挑战；在热物理学中对非平衡态问题、耗散结构、混沌与分形等非线性现 象做深入浅出的讨论。 混沌：混沌是物理学前沿的一个热点，它是植根于牛顿运动定律的基本课题，混沌 的研究揭示了一向被奉为决定论典范的牛顿运动定律具有内在随机性。混沌研究显示， 对于非线性系统，尽管过程是严格确定的，并且所有的力都是已知的，但运动的未来却 是不能预言的。物理学的这一前沿动态和大学物理教学相结合是完全必要的。 超导：超导电性是本世纪物理学中最奇妙的现象，其应用是当前科学技术中的重大 课题之一。超导研究的突破性进展将使整个人类的生活发生急剧的变化，它将带来一场 与能源、电子、电工、交通、高能物理、电子计算机、天体物理等方面及其它许多领域 1 7 山东师范大学硕士学位论文 的革命，具有划时代的意义。将超导电性这一宏观量子现象，引入到大学物理物的电磁 学部分，这有利于加深学生对电磁学理论的认识，看到其理论在实际中的广阔应用前景。 激光：激光技术是2 0 世纪6 0 年代初期发展起来的一门新兴科学技术。在通讯领域， 它的光束细、保密性强、不怕电磁干扰、设备体积小等优点，得到了全世界科学技术界 的重视。把激光及其应用放到光学中讲授，这有利于开阔学生们的视野。【2 4 】 3 2 3 突出为工科专业服务的功能【2 5 】 一、主要观点 在我国目前的教学实际情况中大学物理的作用主要还是为工科专业服务。【2 6 】物理学 与学生所学专业往往有着十分密切的联系，结合物理学，编写介绍物理与专业联系的专 题内容。大学物理与物理学专业不能仅仅是在教授内容的深浅度上有区别。应注意根据 所面向的学生的具体专业情况将物理内容进行引申，与其他专业内容进行联系和融合， 充分发挥基础物理学对于其他工科专业的“接口”功能。这种接口功能的发挥不是简单 的把物理内容拓展到各专业领域甚至于把工科专业知识简单地引入大学物理教学，而是 要与工科专业结合加深物理学的理论，使学生通过物理知识的理解和掌握能够为专业知 识的学习打下深厚的理论基础，能够促进对专业知识的更深刻理解，体现出物理学的强 大作用。就像前面教育、心理学理论要求的那样，使学生能够自如地用大学物理知识( 良 结构领域) 解释、解决具体工科专业( 非良结构领域) 的问题。 二、研究成果举例 工科类专业的门类非常多，每个专业都有与物理学密切联系的内容，所以这方面研 究的内容非常丰富，也非常具体。比如有些工科专业开设电路与电工技术一类的专 业基础课，这类课程与半导体物理基础联系非常紧密，两者有很多相同或相近的内 容，所以有些教师认为可以把半导体物理基础部分内容作为大学物理的一个补篇部 分，专门为工科或电类专业的学生增设。内容主要包括半导体中的电子状态、载流子的 输运、半导体的电学、光学性质及主要器件应用，共四部分：第一部分主要要以能带的 观点去描述半导体中的电子运动，第二部分从准经典近似来阐述半导体中载流子的输运 特点，第三部分重点介绍了半导体的电学和光学性质，第四部分简单介绍了半导体的主 要器件应用。前三部分以介绍半导体的纯物理基础知识为主，最后一部分从器件角度阐 述半导体的应用。作为补篇的半导体物理基础内容具体的四部分章节内容安排如下： 第一章固体的能带理论；第二章导体中电子的准经典运动；第三章半导体电学、光 学性质：第四章半导体器件 l r 山东师范大学硕士学位论文 3 3 概括与分析 在现代心理学，教育学理论指导下，结合我国目前大学物理教学的实际情况，笔者 认为大学物理教学内容的改革主要可以遵循以上三个方向进行。这三个方向可以各自独 立进行，也可以有机地结合在一起共同引导工科大学物理教学内容的改革。针对不同的 专业，不同的内容，具体问题具体分析，恰当选择。工科大学物理从整个物理学的体系 中提炼出来，又作为一门公共基础课，它本身就应该具有多方面的融合性。随着科学技 术的不断进步，社会及教育的发展，对它的内容进行改革探索将是一种循序渐进，不断 深入的过程，不仅不能一蹴而就，而且将永远处于动态变化之中。 笔者曾经在一所地方工科院校工作三年，在实践中，对于这三个方向的改革比较侧 重于与工科专业相结合。该院校的具体情况是，学生入学成绩不高，所以总体学习水平 较差；大学物理课的教学工作由基础教学部担任，该部独立于其他专业系之外，大学物 理的学时由各专业系确定，大约为1 2 6 学时( 有时因为种种原因会少一些) ；教材采用 的是高教版的物理学( 上、中、下册，马文蔚主编) 。 授课依据教材进行，基本能够完成非物理类理工学科大学物理教学基本要求所 规定的a 类内容，在授课过程中笔者注意从物理学的整体角度去阐述具体物理概念、理 论，并及时概括总结，尽量使学生清楚所学内容的逻辑关系，整体结构。对于教学内容 的近代化和现代化改革，虽说可以通过调整教学内容的侧重点为其安排出一些课时，但 是由于学生自身水平的限制，当然还有笔者知识能力水平的因素，该方向改革收效甚微。 在教学中学生学习动力不足，学习兴趣不浓厚，常常会问这样的问题：“我们学习物理 有什么用? ”这种局面不仅仅是因为教学手段、教学方式方法不够新颖、灵活而造成的。 从教育学，心理学的角度来说，大学生的学习动机早已从直接动机上升为间接动机，尤 其是现代大学生，面对强大的就业压力，学习的实用性心理很强。因为学生看不到学习 大学物理对于本专业的作用，更没有看到物理学对于今后发展的重要性，所以学习态度 不端正，学习动力不足，导致大学物理教学效果很不理想。所以在教学实践中，笔者更 多进行的是教学内容与相关专业相结合的改革探索。 1 9 山东师范大学硕士学位论文 第四章大学物理内容与工科专业相结合改革实例【2 刀 4 1 电磁学内容与电路与电子技术相结合概述 在工科类院校许多专业会开设电路与电子技术课程，以作者工作院校为例在信 息工程系的液压、测控等专业都开设了这门课程。电路与电子技术是计算机、电子 通信等专业的重要基础，而物理学中电磁学部分的内容与该课程联系紧密。这就要求教 师在相关专业的教学中适当扩充电磁学教学的课时量，并且根据具体内容把电磁学的教 学内容进行有针对性的改革。 电路与电子技术一般包括两大部分内容：电路理论篇，主要介绍电路分析的基 本概念和方法，时域、频域分析，正弦稳态分析，磁路变压器和电机。该篇以电子电路 模型为对象，研究电子电路的共性，电路理论是电路分析的重要组成部分。电子技术篇， 主要介绍半导体器件，基本放大电路，反馈放大器，逻辑门电路及综合，触发器与时序 逻辑电路，可编程序控制器及电气控制。该部分研究电子电路模型化的方法，使电子技 术成为电路理论的进一步深化。 电磁学是物理学中最重要的组成部分之一，是物理类各专业以及工程技术专业的重 要基础课，也是后续电工学、电子线路等课程的基础。电磁学的内容可以分为场和路两 部分，场指的是电场、磁场、变化的电磁场；路指的是直流电路、交流电路和磁路。电 磁学中场的内容占了较大篇幅，而路的内容占的篇幅较少，电磁学作为后续电类课程的 基础，路的内容就显得十分重要而不能忽视。片面贬低路的知识，不论是解题还是实际 操作电路时会对有关问题束手无策；而轻视场的内容，则不能掌握电磁场的规律，最终 反过来影响对路的规律的深入理解，路和场是有密切联系的，且两者的关系是统一的。 有些学生在学完了大学物理和电路与电子技术之后居然还不知道直流电路 中的能量是如何从电源传输到用电器的。他们会提这样的问题：“电路中的能量是将电 子的动能转换成电能的吗? 电容、电感中的能量是怎样输入和输出的? 这些学生虽然 既学习了教材上的电场理论，又学习了电路理论但对电路的本质并不清楚，这就说明了 大学物理教学在这部分内容上存在不足。 在电路与电子技术课程中的电路理论篇是从路的角度来分析阐述电磁电路理论 的，而路的理论是与场的理论密切相关的，路是埋在场中的。在电磁学教学中我们要着 2 l 山东师范大学硕士学位论文 重发挥电磁学场的理论优势，从场的角度讲解路的理论，这将使学生对路的基本理论有 更深刻的理解，对路的本质有正确的认识，促进专业课程的学习。 4 2 具体内容改革探索 4 2 1 电磁学中的场和路 在场的问题中，关注的是某一物理系统在空间各点发生的物理过程、电磁能量在空 间的分布情况。有关的各物理量是描述场中各点电磁特性的“场”量。在路的问题中， 用路的模型以及路的物理量来描述一个物理系统的电磁过程，路的物理量有电流f 、电 压甜、电量孙磁通函等。常见的电路模型由电阻、电感、电容等无源元件和电压源、 电流源等有源元件而组成。对于一定的电路结构和电路参数，求出电路中各物理量，则 物理系统中的能量变化与转换、信号的传输与再现等都会得以解决。 场的概念、常用的物理量和路的概念、常用的物理量以及两物理量之间的对应关系， 由表1 给出。 表1 路的物理量与场的物理关系 路的物理量 场的物理量积分关系微分关系 电压u 电场强度豆 “= 户d 7 雷：一掣五 咖 汪胪面 ：d f j = 拧 电流i电流密度7 d a i - a 越 v h = j 电荷密度p g = i i i p d v 曲 电量q p 2 二d v 电位移矢量西 q 。= 舻舔 v d = p o 电动势 非静电力电场霞= 良越 哥 a j k 。百刀 功率尸能流密度雪 p = 弦矗 a d pi 6 = 一刀 d a 磁通量中 磁感应强度后 矽= 胪幽 雪：d j 疗 d a 磁压降u ，磁场强度疗 u m = l a - d i 。 疗：生五 d ， 山东师范大学硕士学位论文 山东师范大学硕士学位论文 两个正对的平行板分别为电源的正负极，在正极和负极之间充满了均匀的非静电 场霞，使电源内的正电荷从电源负极移向正极。两极间出现与霞反向的电场雷，当电源 不接外电路处于平衡状态时 霞= 豆( 2 ) 当外电路接通时，电源内有电流密度7 时 7 = 仃僻+ 雷) ( 3 ) 仃为电源内电路的电导率，且此时 霞 豆( 4 ) 这说明电源内部的电流密度了与电场豆反向。 2 电源外的电场分布 孤立电源 为了讨论问题和作图方便，我们把电源画成图二所示的形状。 - - _ ? ，。一。 x 7 一 - ：隧辩。 爿 电源 曰 图二 由于电源内存在非静电力电场霞，致使电源的正极积累了正电荷，负极积累了负电 荷，这样在电源外空间就会形成一个类似于电偶极子的电场分布。由图二可以看出，在 两极附近电力线密度较大，说明电场也较大，相反，在离两极较远的地方，场强较小。 载流导体 当导体内载有稳恒电流时，由欧姆定律可知，导体内部的电场为 了= 瘟( 5 ) 式中仃为导体的电导率，了为电流密度，其方向为导体表面的切线方向。可见，稳恒电 2 4 山东师范大学硕士学位论文 路中导体内的电场只有切向分量。 在导体外电场豆外可写成为 豆= e i + e 。五 ， ( 6 ) 由电场边界条件可知 e = 靠= 孑j ( 7 ) 而对电场的法向分量e 我们有如下结论：如果导体表面积累正电荷，则电力线是指向 导体外部的，即沿卉方向，e 。为正。反之，如果导体表面积累负电荷，则e 。为负。 3 闭合电路 仍用图二所示电源，若在电源两极之间接入一蹄形有阻均匀导体。当刚接入外电路， 电源的外电场还没发生改变的时刻，离两极较近的地方场强较大，导体中的电流密度也 较大；而离两极较远处导体中的电流密度较小。因而，导体表面会有电荷积累，正极附 近积累正电荷，负极附近积累负电荷，电场将发生改变。当达到平衡时，电场应如图三 所示。 图三 综上所述，我们可以得到以下结论： ( 1 ) 空间中的电场是由电源正负极上的电荷、导体表面上的电荷共同产生的。 ( 2 ) 导体内部的场强只有沿导体表面方向的分量。 ( 3 ) 导体外的电场与导体表面成一定角度。 山东师范大学硕士学位论文 二、磁场强度疗的分布 当电路断开时，电路中无电流，即7 = 0 ，空间无电场分布；但当电路闭合时，有 电流存在，7 0 ，则由毕奥一萨法尔定律 雪：笠乒攀 ( 8 ) 4x o ，2 知导体附近会产生一个环形磁场，其方向可由右手定则确定。对于电流分布对称的情况， 可以用环路定理 h 一：上0 ( 9 ) = 二一 ( 9 ) 2 1 0 - 简单地表示出磁场强度的大小。对于圆柱形长直导线，疗线是以导线中心为圆心的同心 圆环。( 如图四) 图四 三、能流密度雪的分布 前面已经提到，玻印亭矢量雪= 豆疗也叫能流密度，表示单位时间内，通过垂直 于雪的单位面积的电磁场能。因此，只要确定了j 的分布，能量传输的过程就一目了然 了。由( 1 ) 式可知，雪与豆和疗符合右手螺旋关系。如图五所示 2 6 图五 山东师范大学硕士学位论文 1 电源内部雪的分布 由前面的分析已经知道，电源内部，电流是从负极流向正极，而电场豆是从正极指 向负极，磁场疗的方向可由歹的方向判定，如图六所示。 祉盯 图六 可见在电源的侧表面，雪是指向外部的，如图六所示的情况，这说明能量是从电源 内部流向电源外部。即电源晦j # t - 部空间输出能量。 2 导体内部雪的分布 在导体内部，电场雷和电流密度7 是同向的，且都只有切向分量，曰的方向可以根 据7 的方向用右手定则确定，如图七所示 图七 雪只有垂直于导体表面方向的分量，且指向导体内部。这说明，能量从外部空间传入导 体后，就在导体内消耗掉，不能向前传输。 3 导体外表面附近雪的分布 由前面分析知道，在电路的前半段，导体表面积累正电荷；而电路的后半段导体表 山东师范大学硕士学位论文 面积累负电荷，因此，在导体外表面电场豆的分布对电路的前半段和后半段是有区别的。 电路的前半段 对于电路的前半段，在导体外表面处，电场强度豆与导体表面成一定角度。豆的切 向分量e 应与导体内部的电场露相同，即e = 吾；而豆的法向分量e 应背向导体，沿 表面法线方向。如图八所示 t 7 i 疗 图八 疗仍由3 决定。可见雪有两个分量，法向分量s 。流入导体，这就是上面所讨论的导体内 部雪的来源。雪的切向分量s ，沿导体表面顺着电流方向远离电源的地方传输。 现在我们计算一下s 。的大小，并进一步确定流入导体内的能量，为计算方便，不 妨设导体为圆柱形导体。 s n = e lx h s n = e 1 日= 孑d 瓦i = 孑i 瓦i 取长度为，的一段导体，其侧面积为a = 2 厅，则单位时间内流入该段导体的能量为 p = 跗= 互丽1 22 州= ，2 专= m ( 1 0 ) ( 1 1 ) 式即为焦耳定律。这就是说，流入导体内部的电磁场能全部转化为焦耳热。由( 1 0 ) 式可以看出，电导率。越大，则s 。越小。如果我们考虑的导体为理想导体，即没有电阻 的导体，则。一，e o ，坡印亭矢量雪只有切向分量墨。这说明理想导体不消耗电 磁场能。同样，o 越小，s 。越大。在实际电路中，能量几乎全部消耗在负载电阻上。 电路的后半段 在电路的后半段，导体表面积累负电荷，导体外部表面附近的电场强度丘的法向分 2 8 山东师范大学硕士带位论文 量鼠应指向导体，如图九所示 歹上 图九 s 。仍指向导体内部，羹却交必逆着电流方向，淤导体表藤，自远离电源的她方传输。 4 闭合电路雪的分布 布图。 由上面的分析，我们原则上可以近似地画磁任意闭合的纯电阻电路能流密度j 的分 心、。 黧十 图十【冽是一个最简单的纯电阻电路的能流圈，它包括个理想电源、一个电阻灭和 一些理想导线。 5 电容中露的分布 上述所有讨论，都只考虑了纯电阻电路。但其结论对电容电路和电感电路同样是适 用的。 度 当电容器充有电量时，其内部的电场豆是从正极板指向负极板。产生的位移电流密 越驴谴 d2 岛百+ 百2 秽百 ( 1 2 ) 失极化强度，与露周囱。对于充电过程，雹增大，己与重同向；两对于放电过程，嚣 山东师范大学硕士学位论文 减小，无与雷反向如图十_ 所示。 j 9t 雪 日 口充电 雪上 h 一 - 一一 b 放电 图十一 磁场厅仍由l 决定。由图十一可见，在电容器充电的过程中，有能量从外部空间流入 电容器，这时的电容器相当于一个负载。在电容器的放电过程中，有能量从电容器向空 间输出，这时的电容器相当于一个电源。 以一个中间介质为空气的平行板电容器为例我们来计算一下充电过程流入电容器 中的能量，为计算方便不妨设电容器两极板是半径为r 的圆面，两板间距离为d 鼠= e x h ( 1 3 ) e ：旦：上( 1 4 ) oo 刀霞 弘扯孵岳嘉略幽 h ：1 一d a ( 1 5 ) 单位时间内从电容侧面输入的电能为 p = 詈= 婀证毒g 鲁= 罢 ， 说明单位时间内流入电容器的能量等于电容器储能的增量。 考虑电容器的一个完整充电过程0 一t 的时间内，电量从0 一q ，则流入电容器中的总 能量为 形：c r p d f _ 三嬖 ( 1 7 ) 与 2c 计算方法适用于电容器放电过程。 丫一 一n o 一；o翌e 山东师范大学硕士学位论文 6 电感线圈中雪的分布 对于电感线圈，当有电流通过时，线圈内就会有磁场詹存在，且当磁场有变化时， 就会产生电场雷。曰和豆均可用右手定则判断其方向，如图十二所示 口接通电源 6 断开电源 图十二 由图可以看出，当接通电路时，有能量从线圈外流入线圈，电感线圈相当于一个 负载，当电路断开时，有能量从线圈流出，线圈相当于一个电源。 我们来计算一下长为l ，半径为r ，单位长度匝数为刀的空心长直螺线管在电流增 大过程输入其中的能量。 sn = e x h e = 去警铂疗豢坐t i t2 斌出。”2 感 h = n i 单位时间内进入管内的能量为 p = d 出w _ = 妒。面= # o n 2 刀r 2 l i 石d i = 詈( 三厶2 说明单位时间进入管内的能量等于管内储能的增量。 考虑线圈内的电流从0 一i 即从零到达到最终稳定电流的过程，用时0 一t 形= c r p d t ：! u 2形= i= 二u 2 由 2 计算方法也适用于电流减小过程。 四、小结 综上所述，我们可以得到以下结论： ( 1 ) 电源以辐射的方式向各个方向输出电磁场能。 ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 2 0 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 山东师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 导线不仅起着传导电流的作用，而且起着引导电磁场能的作用。 ( 3 ) 电能不是以电流的形式传输的，而是以电磁场的形式传输的。 ( 4 ) 电磁场能不是在导线内部沿导线传输到负载：而是在导线外部空间，特别是在 导线表面附近的空间中传输到负载的。 ( 5 ) 导体中的焦耳热是从导体表面流入导体内部的电磁场能转化而来的。 4 2 3 从场方程到电路方程 一些电磁学教材中，用电磁场的规律推导稳恒电流的规律，而交变电流的规律则被 看作稳恒电流规律的推广。其实，用电磁场的规律，完全可以直接推导出既适合直流电 路也适合交流电路的一般规律。在满足似稳条件( 即所观测电路的尺寸远小于电路激发 的电磁波波长， 五) 的前提下，电路的基本规律是基尔霍夫第一、第二定律( 也称 为基尔霍夫第一、第二方程) ，下面将用场的规律推导出直流、交流电路的一般规律 基尔霍夫方程。 基尔霍夫第一方程 如图十三所示，一个包含电源、电阻r 、电感l 和电容c 的电路， 图十三 用闭合曲面彳包围电路中的节点1 ，对曲面彳运用电荷守恒定律 妒栩一詈 ， 7 为传导电流密度，厕为曲面彳上的面元。上式左边的闭合曲面积分等于流出闭合曲 面彳的电流，即流出节点1 的传导电流之和 妒幽= 乇 ( 2 4 ) ( 2 3 ) 式右边的一粤是闭合曲面a 内电量随时间的变化率( 减少率) 。闭合曲面a 内之 所以有积累的净余电量q ，是由于节点1 与电路其他部分之间存在着分布电容( 必然会 容纳电荷) 的缘故，而净电量随时间的变化率在数值上等于通过这些分布电容的位移电 3 2 山东师范大学硕士学位论文 流之和i 。，即 ( 2 3 ) 式可改写为 令 軎= 乇 待乇+ i 。 得到 z i = 0 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 这就是基尔霍夫第一方程( 第一定律) ，又称节点电流方程。毛是与节点1 相联的各 支路上流出的传导电流代数和，i 。是节点1 与电路其他部分存在分布电容而流出的 位移电流代数和，f 则是节点1 处流出的传导电流与流出的位移电流的总代数和，f 称 为全电流。( 2 8 ) 式表明，在电路( 直流或交流) 的任一节点处，传导电流和位移电流 的总代数和为零，或者说全电流的代数和为零。 以图十三所示的电路为例，从彳曲面或节点1 处流出的传导电流代数和为： 毛= t + 靠+ t + f c 上试右边各项分别是通过电源、电阻、电感、电容支路的瞬时电流，令i d 为节点1 处流 过分布电容的瞬时位移电流，均以流出节点的电流方向为正，从而( 2 8 ) 式的具体形式 为： i = i e + + + 屯+ f c + 如= o 在频率很低或直流电的情形，可忽略或为零。 以上运用电荷守恒定律，在非稳恒电路的一般情况下，推导出直流、交流电路的基 尔霍夫第一方程。对于直流电路的特殊情况，因为电路中没有电感、电容元件且无位移 电流，故基尔霍夫第一方程( 2 8 ) 式的形式更为简单。在电磁学教科书中推导直流电路 的基尔霍夫第一方程时，是从电荷守恒定律的特殊形式，即电流的稳恒条件 妒面= o ( 2 9 ) 出发，而导出在电路任一节点处，直流电流强度的代数和为零 3 3 山东师范大学硕士学位论文 ，z = o 显然，它只是( 2 8 ) 式的特例。 基尔霍夫第二方程 ( 3 0 ) 图十四表示一个任意的闭合回路，回路中包含有电源、电阻尺、电感l 和电容c 。 图十四 在电磁学教科书中，对直流电路的基尔霍夫第二方程( 第二定律) 是从稳恒电场的 场强环路定理弘d 7 = o 出发推导出来的。 ， 现在对这个闭合回路运用法拉第电磁感应定律的推广形式或任意电场的场强环路 定理 c f 萤- d 7 一导胪。面a， u ( 3 1 ) 式中，为闭合电路的几何路径，彳为，所围的面积，雪是包括在，内的回路处的磁感应强 度，这个雪可以是本回路电流所产生，也可以包含其他回路电流在此处产生的磁场。对 此回路，有电源即存在非静电力的区域，其欧姆定律的微分形式为 电源内部的电场强度 歹= 万伍+ 霞) 雹：生一霰 盯 电源外部的导线和电阻中，电场强度为 雷：! 仃 依( 3 1 ) 式左边，写出整个回路的场强环流， ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 山东师范大学硕士学位论文 寸e 出2j e d t + j 雷d i + j 豆。4 ，+ j 豆d l ，l 2 2 - 3 3 - - 4 4 - 1 = 。吾盯+ ：三吾盯+ ，三吾d ，+ ( 吾一露) 。矿 2 m f 。7 矶，乒面+ 房扎：妒矶擎叮 2 ，v - - j d r + ：严扎4 - 肛1 面 ( 3 5 ) 式中右端第一项是闭合电路中除电容器两极板之间以外的其他各段上总电阻尺总上产生 的电势降落第二项县电容器两端的电势降落篦= 厢旱申濒的由动蛰1 i d r a = ，j 。j - - 矿 ( 3 6 ) 铲：p 缸= 丢p ， ，一一 岛= l k d ( 3 8 ) 式中，是回路，中除电容器两极板间之外各段的路径。 ( 3 5 ) 式变为 弘缸= 魄+ 甜。- o ( j 9 ) 再看( 3 1 ) 式的右边，按磁感应强度雪及磁通变化率的含义，式子右边应等于回路上自 感电动势与互感电动势的代数和，即 一昙少岳一亿 ) 考蚝 ， 是除电路内串联入的电感三之外的寄生自感，因为电路构成的回路包围一定的面积， 并在其中产生磁通，故总会产生一定大小的寄生自感c ，用三= l + 表示该回路的总 自感或总电感，用e = e o + e u 表示回路的总电动势即电源电动势加上互感电动势，这 里未包括自感电动势，因为它将在下面式子中，以电势降落的形式出现。按( 3 1 ) 式要 求，由( 3 9 ) 、( 4 0 ) 式得： 山东师范大学硕士学位论文 i r a + u c - 岛_ - - ( l + ) 罢嗍 e e = i r a + 三害枷。 ( 4 1 ) ( 4 1 ) 式表明，任意一个闭合回路中，电动势的代数和等于电阻、电感、电容上的电势 降落的代数和。用”表示回路的电势降落代数和，( 4 1 ) 式可写为更一般的形式 = “ ( 4 2 ) 这就是直流、交流电路的基尔霍夫第二方程( 第二定律) ，又称回路电压方程。 对于稳恒( 直流) 电路，雪、f 不随时间变化，且不能串入电容c ，于是( 4 1 ) 式 简化为 o = i r 总 ( 4 3 ) 或( 4 2 ) 简化为 = u ( 4 4 ) 表明在任一直流回路中，各电源的电动势的代数和等于各电阻上的电势降落的代数和， 这正是稳恒电路的基尔霍夫第二方程。 似稳条件 再来谈谈基尔霍夫方程或基尔霍夫定律的适用范围或说它们成立的条件。直流电路 的基尔霍夫第一、第二方程，可以分别从电流的稳恒条件和稳恒电场的场强环路定理导 出，可见这两个方程适用于稳恒电流和稳恒电场的情形。而交流电路的基尔霍夫方程的 成立条件就是要求电路满足似稳条件，即所讨论电路的尺寸远小于电路激发的电磁波的 波长， 力。在这个范围内，可以认为电磁场变化足够缓慢，允许忽略电磁波的传播 时间，以致在电路尺寸范围内，不存在因传播过程而造成的位相差，例如，不论在电路 的任何地方，其交流电流f ，交流电压甜，及交变电动势，可以忽略它们之间的位相差， 认为是同位相的，这时才会有( 3 6 ) 、( 3 7 ) 、( 3 8 ) 、以及( 4 0 ) 式的形式，才导出了基 尔霍夫第二方程( 4 1 ) 式。 由以上的内容可以看出，电磁学中的场和路联系十分密切，电路和磁路进行的过程 就是电磁场在特定边界条件下的表现。若不掌握电磁场的规律，就不可能全面、深刻到 掌握路的规律；反之，不熟练地掌握路的规律，就无法在广阔的电磁场世界中自由通行。 通过大学物理这部分内容的改革，学生不仅能清楚的看到由场的物理量和公式可以 3 6 山东师范大学硕士学位论文 推出路的物理量和公式，由场的方程可以推导出路的方程，更重要的是通过这样的内容 处理能够使学生深刻理解埋在电磁场中电路的微观本质。学习了以上内容，在相关专业 电路内容的教学中，学生学起来将显得非常容易。即使教师只讲授路的知识，学生也会 有深刻的理解。 4 3 大学物理内容与相关专业相结合概述 大学物理可以与工科专业教学相结合，笔者对许多内容的处理有了初步的思考，这 也是今后所要开展的研究工作。土建、机械、铁路、公路、桥梁等工科专业对于力学的 要求比较高，这里所说的力学是指理论力学、材料力学、结构力学等专业基础课程。物 理学中的力学是这些课程的基础，以理论力学为例把其内容与大学物理中力学内容进行 比较，如表2 ： 从表2 可以看出理论力学里几乎所有基本概念和基本理论在大学物理力学部分都涉 及到了，区别只是大学物理力学中把物体看成是质点，主要研究质点的运动学，动力学 表2 大学物理力学部分与理论物理内容比较 内容 课程名称 静力学运动学动力学 这部分内容出现 1 质点运动学：主要 1 质点动力学 在高中部分，现行介绍了坐标、位移、牛顿运动定律 ” 大学物理教材一速度等基本概念冲量、动量、动量定理 大学物理般不编排这部分2 刚体的平动和定功、动能、动能定理 内容轴转动2 冈0 体动力学：主要介绍刚体定轴转动 的转动定律、动能定理和动量矩定理及 角动量守恒定律 1 物体受力分析 1 点的运动学1 质点动力学及质点组动力学 2 平面汇交力系 2 冈0 体的平动和定 2 同0 体绕固定点的转动和绕固定轴的 3 平面力偶系轴转动转动 4 平面任意力系3 网体的平面运动3 冈0 体( 系) 动力学 5 静力学专题4 冈0 体的定点运动动量定理及动量守恒定律 、 理论力学 6 静力学专题和自由运动 动能定理及机械能守恒定律 摩擦、桁架 5 点的合成运动 动量矩定理及动量矩守恒定律 4 动力学专题 动静法 虚位移原理 振动基础 3 7 山东师范大学硕士学位论文 规律2 9 1 。刚体部分的内容比例相对较少，程度较浅；理论力学把物体视为有形的刚体， 对这部分内容进行了深入细致的讲解。 在针对相关专业的大学物理教学内容改革上，我们就可以加强力学部分知识的教 学，尤其注意增加刚体部分内容的深度，让学生在大学物理学的课程内就对理论力学内 容的基础理论部分有深入的学习。 化工类及相关专业的课程与物理热学知识有密切联系，如物理化学、化工热力学等， 在相关专业的教学中我们就要加强大学物理中热学部分的内容，如热力学第一定律、第 二定律、封闭系统、开放系统、熵、焓等内容要加深其理论深度。还要将统计热力学的 内容引入教学，因为统计热力学是将物质微粒的微观性质与热力学体系的宏观性质相联 系的桥梁，是分子热力学及动力学与经典热力学及动力学之间的桥梁，是揭示物理化学 现象及规律本质的重要工具。近年来，随着计算机应用的发展，随着化工过程的多样化、 大型化、自控化，促使统计热力学方法在化学、化工理论及实践方面的应用越来越普遍。 对化工类本科毕业生的统计热力学知识要求不断提高。【3 0 1 而在专业基础课的教学内容安 排中只是对其进行了初步的、浅显的介绍，这远不能满足专业的需要。所以将统计热力 学引入相关专业的大学物理教学很有必要。 工科专业对于物理基础内容的要求并不是单一的，有时是需要将大学物理的内容进 行综合处理的。如化学工程与艺术、环境工程等专业开设的仪器分析课程就要求有物理 学中电磁学、光学、原子物理学的内容作为基础，尤其是其中的核磁共振、原子发光原 理、光谱( 发射和吸收光谱) 知识对于这门课程的学习很有帮助。针对这样的专业我们 就需要综合考虑这些内容进行改革。为学生今后专业课程的学习打好基础，扫清障碍。 在工科专业课程教学的改革中与应用实例相结合的呼声很高，大学物理教学内容做 这样的处理，就可以使工科专业教师的教学在学生掌握物理学知识基础之上把起点提 高，把教学重点更多的放在与工科专业实例相结合，使专业知识的学习和应用取得更好 的效果。所以大学物理内容的这种改革将会受到许多专业基础课程和专业技术课程教师 的欢迎。同时，学生感受到了物理学的重要作用，才能真正从思想上重视大学物理学习， 并付诸行动，认真学习该课程，从而促进大学物理的教学。 当然，大学物理的教学中要做这样的内容处理，并且要取得良好的教学效果是要经 过大量的研究工作才能实现的。否则会适得其反，不仅不能对工科专业的教学起到作用， 甚至会影响大学物理基本内容的教学。所以内容改革探索的道路将是漫长而艰辛的，需 要从事大学物理教学的教师投入极大的热情和精力。 3 r 山东师范大学硕士学位论文 第五章工作总结与工科大学物理教学改革展望 5 1 本文工作总结 本论文通过对大学物理教学内容改革的研究，探索了大学物理教学内容改革的理论 基础、改革现状、改革的方向和原则，并结合具体教学内容，进行了部分大学物理内容 与具体工科专业相结合进行改革处理的实践。 研究结果表明：一、大学物理教学对工科专业甚至整个工科高等教育健康、顺利和 蓬勃发展非常重要，必须要对其给予足够重视。二、与大学物理的重要地位和作用极不 相称的我国地方工科院校大学物理教学现状以及现代教育学、心理学的理论要求，促使 大学物理教学改革势在必行。三、现阶段大学物理教学改革主要有三个方向，这三个方 向符合现代教育学、心理学理论要求，适应我国大学物理教学现状，并且切实可行簟，四、 r 大学物理电磁学部分的电磁场理论能够深刻揭示电路