大學物理與中學物理課程銜接個例研究＊
——電磁感應和電磁波部分

張光彪 王孟祿

（河南大學物理與電子學院 河南 開封 475004）

呂良軍

（黃河水利職業技術學院 河南 開封 475004）

尹國盛

（河南大學物理與電子學院 河南 開封 475004）

1 引言

當前，中學物理課程改革和大學物理課程改革都在進行.大學階段，學生學習的大量物理概念都是在高中或者初中時學過的.因此大學物理課程與中學物理課程應該如何銜接成為一個非常重要的問題.在教材設計上，如何避免對中學知識作繁瑣的重復講解和知識銜接上的斷點十分重要.在大學課堂教學中，由于大部分重要概念高中階段都學過，學生往往容易忽視對這些物理概念新的內涵的學習，用本來應該起固定作用的原概念來代替新學習的物理概念.所以，大學物理概念的教學應該將重點放在物理概念所擴充的內涵上.大學物理教材的編寫，應該考慮與中學物理概念的銜接，盡量減少與中學物理原有固定概念的重復內容，使教材內容新穎、簡練、重點突出.

2 中學物理電磁感應和電磁波的內容標準

高中物理課程標準［1］（以下簡稱“新課標”）的電磁感應和電磁波知識在選修模塊中.《選修3-2》包括電磁感應、交變電流、傳感器三部分，新課標關于電磁感應的內容標準包括四點：

（1）收集資料，了解電磁感應現象的發現過程，體會人類探索自然規律的科學態度和科學精神.

（2）通過實驗，理解感應電流的產生條件.舉例說明電磁感應在生活和生產中的應用.

（3）通過探究，理解楞次定律.理解法拉第電磁感應定律.

（4）通過實驗，了解自感現象和渦流現象.舉例說明自感現象和渦流現象在生活和生產中的應用.

《選修3-4》包括機械振動與機械波、電磁振蕩與電磁波、光、相對論內容，新課標關于電磁振蕩與電磁波的內容標準包括五點：

（1）初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想以及在物理學發展史上的意義.

（2）了解電磁波的產生.通過電磁波體會電磁場的物質性.

一些企業已經充分認識到這一點，在經營管理中采取了先進的方法降低時間成本。例如大型連鎖超市沃爾瑪就是靠時間成本管理實現“天天低價”的承諾。它建立了高效快捷的物流配送系統，大部分商品采用現代化的機械設備運輸傳送，節約了人力資源的成本與時間，保證進貨從倉庫調度到任意一家分店的時間不超過48小時。它充分利用現代衛星通信網絡使配送及時，分店的庫存即時補充，產品到達消費者的時間縮短。其他行業企業可以借鑒這一成功案例，重新審視各項成本的構成，從降低時間成本的角度獲取額外收益。

（3）了解電磁波的發射、傳播和接收.

（4）通過實例認識電磁波譜，知道光是電磁波.

（5）了解電磁波的應用和在科技、經濟、社會發展中的作用.

3 大學物理電磁感應和電磁波知識的內容要求

按文獻［2］大學物理課程的教學內容分為A，B兩類：A為核心內容，B為擴展內容.電磁感應和電磁波部分的內容和要求見表1.

表1 大學物理電磁感應和電磁波部分的內容和要求

4 大學物理與中學物理課程電磁感應和電磁波知識的銜接和深入

物理知識具有系統性和連貫性，大學物理的部分知識是在中學物理基礎上的提高.教學時，首先簡要復習中學物理知識，隨后指出中學物理知識的局限性或特殊性，從而比較自然地引入課題.在教學中需要注意，復習中學的內容要重點突出、簡明扼要，目的是要由此引入大學物理新內容，重點是講解大學物理知識.

4.1 電磁感應定律的銜接和深入

電磁感應現象、楞次定律、法拉第電磁感應定律已經在中學物理教材［3］中較為深入地學習過.在大學物理教學中首先進行簡要復習，回顧一下什么是電磁感應現象；產生電磁感應的條件；確定感應電流方向的法則和感應電動勢的大小，隨后指出中學物理中法拉第電磁感應定律局限性或特殊性，即只能定量處理磁通量隨時間均勻變化的情況.引入微積分這一數學工具，并考慮楞次定律可以將法拉第電磁感應定律重新更為嚴謹地表示成

由式（1）理論上可以得出任意回路中的感應電動勢.

4.2 動生電動勢和感生電動勢的銜接和深入

圖1 動生電動勢的典型裝置

由中學知識可知，動生電動勢的大小為單位時間內切割磁力線的條數

方向由楞次定律確定.在大學物理中，可以由法拉第電磁感應定律推導出，選取回路繞行方向為順時針方向，則回路的磁通量增量為

根據法拉第電磁感應定律，在導線段AB上產生的動生電動勢為

負號說明電動勢方向與所設方向相反.從式（2）和式（3）可以看出兩者對動生電動勢的表述本質上是一致的.然而在實際應用中，運動的導體、速度的方向、磁場的方向三者并不始終是兩兩垂直，甚至對運動導體的每一部分，以上三者也不完全相同，因此很多情況下往往無法直接使用式（2）.解決這個問題的途徑有二：一是使用法拉第電磁感應定律即式（1）.二是使用微積分和矢量代數數學工具，將式（2）改寫為

中學物理，對動生電動勢形成的物理機制并沒有進行深入的討論，在大學物理教學中可以用洛倫茲力的理論推出.洛倫茲力所做總功為零，實質上表示了能量的轉換與守恒；洛倫茲力在這里起了一個能量轉換的作用，一方面接受外力的功，同時驅動電荷運動做功.簡單地講就是回路的電能來自外界的機械能，而不是來自磁場的能量.

感生電動勢在中學物理中已有初步的了解，在教學過程中只需簡要復習，然后提出“感生電動勢相應的非靜電力是什么”，引發學生深入的思考，得出靜止電荷在變化磁場中也要受到一個力的作用；但這個力既不是洛倫茲力，也不是庫侖力，而是一種尚未認識的力的結論.最后給出麥克斯韋渦旋電場假說，不論有無導體或導體回路，變化的磁場都將在其周圍空間產生具有閉合電場線的電場.這樣使學生更加容易接受這一假說.引入渦旋電場Ek后，法拉第電磁感應定律可表示為

對學生而言，渦旋電場是一個比較難理解的概念.通過分析渦旋電場和靜電場的相似之處和不同之處，使學生更加準確的掌握這一概念.

4.3 自感和互感的銜接和深入

自感本質上是一種特殊的電磁感應現象，即線圈中的電流發生變化而在線圈自身中引起感應電動勢的現象.在大學物理課程中其概念并沒有太大的變化，因此對自感現象只需要簡單的復習即可.然而其數學描述應用了微積分，從而能夠定量描述更加普遍的自感現象.

互感現象在中學只做簡單介紹.大學物理中以兩個相鄰的線圈為例，在畢奧 －薩伐爾定律和電磁感應定律的基礎上詳細地介紹了互感現象、互感電動勢以及互感系數.

4.4 磁場能量的銜接和深入

中學物理對此部分內容沒作要求，大學物理中則介紹了自感為L的載流線圈所具有的磁場的能量，即自感磁能以及磁場的能量如何用磁場強度來表示等.

4.5 電磁場和電磁波的銜接和深入

中學物理［4］中，由LC振蕩電路出發定性的描述了電磁波的發射、傳播和接收機制，通過電磁波體會電磁場的物質性，知道光是電磁波.初步了解麥克斯韋電磁場理論的基本思想及其在物理學發展史上的意義.

在大學物理教材［5］中，為了論述的嚴謹，首先提出位移電流假說并得到全電流環路定律.位移電流的引入深刻揭露了電場和磁場的內在聯系和依存關系，反映了自然現象的對稱性.法拉第電磁感應定律說明變化的磁場能激發渦旋電場，位移電流的論點說明變化的電場能激發渦旋磁場，兩種變化的場永遠互相聯系著，形成了統一的電磁場.麥克斯韋建立了統一的電磁場理論，即麥克斯韋方程組.并且介紹了電磁場的物質性、相對性和統一性.通過求解真空中的麥克斯韋方程組可以推導出電磁波的產生機理及其基本性質.對于有介質的情況，必須引入介質性能方程才能完整地描述.

5 結論

通過對大學物理教材和高中物理課程標準實驗教材電磁感應和電磁波部分的分析知道，中學物理注重對知識的探究，大學物理電磁感應知識是在中學物理知識點的基礎上，根據學生認知能力的提高，應用不同的研究方法，如微積分和矢量代數知識，把中學階段特殊的結論推導到一般的情況，并且在此基礎上深入學習，引入麥克斯韋“渦旋電場”和“位移電流”的兩個基本假設，使學生了解麥克斯韋方程組的物理思想并建立起統一電磁場的概念以及認識電磁場的物質性、相對性和統一性.在教學中做好大學物理和中學物理課程的銜接，不但可以提高大學物理的教學質量，增強學生學習大學物理的興趣，而且有利于大學后繼課程，尤其是專業課程的教學，有利于學生綜合素質的提高，將對學生今后的學習與發展產生深遠的影響

1 李尚仁，等.高中物理課程標準教師讀本.武漢：華中師范大學出版社，2003

2 教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會物理基礎課程教學指導分委員會.理工科類大學物理課程教學基本要求（2010年版）.北京：高等教育出版社，2008

3 張大昌.普通高中課程標準實驗教科書 物理·選修3-2.北京：人民教育出版社，2006

4 張大昌.普通高中課程標準實驗教科書 物理·選修3-4.北京：人民教育出版社，2007

5 尹國盛，彭成曉.大學物理（下冊）.北京：機械工業出版社，2010