大学物理与中学物理课程衔接个例研究＊——电磁感应和电磁波部分

张光彪 王孟禄

（河南大学物理与电子学院 河南 开封 475004）

吕良军

（黄河水利职业技术学院 河南 开封 475004）

尹国盛

（河南大学物理与电子学院 河南 开封 475004）

1 引言

当前，中学物理课程改革和大学物理课程改革都在进行.大学阶段，学生学习的大量物理概念都是在高中或者初中时学过的.因此大学物理课程与中学物理课程应该如何衔接成为一个非常重要的问题.在教材设计上，如何避免对中学知识作繁琐的重复讲解和知识衔接上的断点十分重要.在大学课堂教学中，由于大部分重要概念高中阶段都学过，学生往往容易忽视对这些物理概念新的内涵的学习，用本来应该起固定作用的原概念来代替新学习的物理概念.所以，大学物理概念的教学应该将重点放在物理概念所扩充的内涵上.大学物理教材的编写，应该考虑与中学物理概念的衔接，尽量减少与中学物理原有固定概念的重复内容，使教材内容新颖、简练、重点突出.

2 中学物理电磁感应和电磁波的内容标准

高中物理课程标准［1］（以下简称“新课标”）的电磁感应和电磁波知识在选修模块中.《选修3-2》包括电磁感应、交变电流、传感器三部分，新课标关于电磁感应的内容标准包括四点：

（1）收集资料，了解电磁感应现象的发现过程，体会人类探索自然规律的科学态度和科学精神.

（2）通过实验，理解感应电流的产生条件.举例说明电磁感应在生活和生产中的应用.

（3）通过探究，理解楞次定律.理解法拉第电磁感应定律.

（4）通过实验，了解自感现象和涡流现象.举例说明自感现象和涡流现象在生活和生产中的应用.

《选修3-4》包括机械振动与机械波、电磁振荡与电磁波、光、相对论内容，新课标关于电磁振荡与电磁波的内容标准包括五点：

（1）初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想以及在物理学发展史上的意义.

（2）了解电磁波的产生.通过电磁波体会电磁场的物质性.

一些企业已经充分认识到这一点，在经营管理中采取了先进的方法降低时间成本。例如大型连锁超市沃尔玛就是靠时间成本管理实现“天天低价”的承诺。它建立了高效快捷的物流配送系统，大部分商品采用现代化的机械设备运输传送，节约了人力资源的成本与时间，保证进货从仓库调度到任意一家分店的时间不超过48小时。它充分利用现代卫星通信网络使配送及时，分店的库存即时补充，产品到达消费者的时间缩短。其他行业企业可以借鉴这一成功案例，重新审视各项成本的构成，从降低时间成本的角度获取额外收益。

（3）了解电磁波的发射、传播和接收.

（4）通过实例认识电磁波谱，知道光是电磁波.

（5）了解电磁波的应用和在科技、经济、社会发展中的作用.

3 大学物理电磁感应和电磁波知识的内容要求

按文献［2］大学物理课程的教学内容分为A，B两类：A为核心内容，B为扩展内容.电磁感应和电磁波部分的内容和要求见表1.

表1 大学物理电磁感应和电磁波部分的内容和要求

4 大学物理与中学物理课程电磁感应和电磁波知识的衔接和深入

物理知识具有系统性和连贯性，大学物理的部分知识是在中学物理基础上的提高.教学时，首先简要复习中学物理知识，随后指出中学物理知识的局限性或特殊性，从而比较自然地引入课题.在教学中需要注意，复习中学的内容要重点突出、简明扼要，目的是要由此引入大学物理新内容，重点是讲解大学物理知识.

4.1 电磁感应定律的衔接和深入

电磁感应现象、楞次定律、法拉第电磁感应定律已经在中学物理教材［3］中较为深入地学习过.在大学物理教学中首先进行简要复习，回顾一下什么是电磁感应现象；产生电磁感应的条件；确定感应电流方向的法则和感应电动势的大小，随后指出中学物理中法拉第电磁感应定律局限性或特殊性，即只能定量处理磁通量随时间均匀变化的情况.引入微积分这一数学工具，并考虑楞次定律可以将法拉第电磁感应定律重新更为严谨地表示成

由式（1）理论上可以得出任意回路中的感应电动势.

4.2 动生电动势和感生电动势的衔接和深入

图1 动生电动势的典型装置

由中学知识可知，动生电动势的大小为单位时间内切割磁力线的条数

方向由楞次定律确定.在大学物理中，可以由法拉第电磁感应定律推导出，选取回路绕行方向为顺时针方向，则回路的磁通量增量为

根据法拉第电磁感应定律，在导线段AB上产生的动生电动势为

负号说明电动势方向与所设方向相反.从式（2）和式（3）可以看出两者对动生电动势的表述本质上是一致的.然而在实际应用中，运动的导体、速度的方向、磁场的方向三者并不始终是两两垂直，甚至对运动导体的每一部分，以上三者也不完全相同，因此很多情况下往往无法直接使用式（2）.解决这个问题的途径有二：一是使用法拉第电磁感应定律即式（1）.二是使用微积分和矢量代数数学工具，将式（2）改写为

中学物理，对动生电动势形成的物理机制并没有进行深入的讨论，在大学物理教学中可以用洛伦兹力的理论推出.洛伦兹力所做总功为零，实质上表示了能量的转换与守恒；洛伦兹力在这里起了一个能量转换的作用，一方面接受外力的功，同时驱动电荷运动做功.简单地讲就是回路的电能来自外界的机械能，而不是来自磁场的能量.

感生电动势在中学物理中已有初步的了解，在教学过程中只需简要复习，然后提出“感生电动势相应的非静电力是什么”，引发学生深入的思考，得出静止电荷在变化磁场中也要受到一个力的作用；但这个力既不是洛伦兹力，也不是库仑力，而是一种尚未认识的力的结论.最后给出麦克斯韦涡旋电场假说，不论有无导体或导体回路，变化的磁场都将在其周围空间产生具有闭合电场线的电场.这样使学生更加容易接受这一假说.引入涡旋电场Ek后，法拉第电磁感应定律可表示为

对学生而言，涡旋电场是一个比较难理解的概念.通过分析涡旋电场和静电场的相似之处和不同之处，使学生更加准确的掌握这一概念.

4.3 自感和互感的衔接和深入

自感本质上是一种特殊的电磁感应现象，即线圈中的电流发生变化而在线圈自身中引起感应电动势的现象.在大学物理课程中其概念并没有太大的变化，因此对自感现象只需要简单的复习即可.然而其数学描述应用了微积分，从而能够定量描述更加普遍的自感现象.

互感现象在中学只做简单介绍.大学物理中以两个相邻的线圈为例，在毕奥 －萨伐尔定律和电磁感应定律的基础上详细地介绍了互感现象、互感电动势以及互感系数.

4.4 磁场能量的衔接和深入

中学物理对此部分内容没作要求，大学物理中则介绍了自感为L的载流线圈所具有的磁场的能量，即自感磁能以及磁场的能量如何用磁场强度来表示等.

4.5 电磁场和电磁波的衔接和深入

中学物理［4］中，由LC振荡电路出发定性的描述了电磁波的发射、传播和接收机制，通过电磁波体会电磁场的物质性，知道光是电磁波.初步了解麦克斯韦电磁场理论的基本思想及其在物理学发展史上的意义.

在大学物理教材［5］中，为了论述的严谨，首先提出位移电流假说并得到全电流环路定律.位移电流的引入深刻揭露了电场和磁场的内在联系和依存关系，反映了自然现象的对称性.法拉第电磁感应定律说明变化的磁场能激发涡旋电场，位移电流的论点说明变化的电场能激发涡旋磁场，两种变化的场永远互相联系着，形成了统一的电磁场.麦克斯韦建立了统一的电磁场理论，即麦克斯韦方程组.并且介绍了电磁场的物质性、相对性和统一性.通过求解真空中的麦克斯韦方程组可以推导出电磁波的产生机理及其基本性质.对于有介质的情况，必须引入介质性能方程才能完整地描述.

5 结论

通过对大学物理教材和高中物理课程标准实验教材电磁感应和电磁波部分的分析知道，中学物理注重对知识的探究，大学物理电磁感应知识是在中学物理知识点的基础上，根据学生认知能力的提高，应用不同的研究方法，如微积分和矢量代数知识，把中学阶段特殊的结论推导到一般的情况，并且在此基础上深入学习，引入麦克斯韦“涡旋电场”和“位移电流”的两个基本假设，使学生了解麦克斯韦方程组的物理思想并建立起统一电磁场的概念以及认识电磁场的物质性、相对性和统一性.在教学中做好大学物理和中学物理课程的衔接，不但可以提高大学物理的教学质量，增强学生学习大学物理的兴趣，而且有利于大学后继课程，尤其是专业课程的教学，有利于学生综合素质的提高，将对学生今后的学习与发展产生深远的影响

1 李尚仁，等.高中物理课程标准教师读本.武汉：华中师范大学出版社，2003

2 教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会.理工科类大学物理课程教学基本要求（2010年版）.北京：高等教育出版社，2008

3 张大昌.普通高中课程标准实验教科书 物理·选修3-2.北京：人民教育出版社，2006

4 张大昌.普通高中课程标准实验教科书 物理·选修3-4.北京：人民教育出版社，2007

5 尹国盛，彭成晓.大学物理（下册）.北京：机械工业出版社，2010