大学物理《电磁学与光学》中工程教育的融入研究

王琳

摘 要：为适应现代社会对工程技术人才的更高要求，高教领域理论基础课程也迫切需要面向现代工程教育的教学改革和实践。大学物理是一切工程技术的理论基础，为了让学生在今后的实践工作中能够更好地将理论知识融汇到其中去，在大学物理《电磁学与光学》的授课时，作者将一些成功的工程技术相关案例作为素材融入到其中，增加了学生对基础知识的巩固，建立完整链条的物理模型及实际应用，强化了学生工程实践和科技创新意识，达到在大学物理课堂教学中工程实践和科技创新意识培养的要求。

关键词：电磁学与光学；工程教育；案例分析；课堂教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）17-0098-03

Abstract： In order to meet the higher requirements of engineering and technical talents in modern society， the higher education theoretical foundation course also urgently need to be geared to teaching reform and practicing of modern engineering education. Physics is the theoretical foundation of all engineering technology. In order to guide students to combine theory with practice， the author adds some successful engineering cases as course material into the course "Electromagnetics and Optics"， which consolidates the basic knowledge of students， establishes a complete chain of physical model and practical application， strengthens the students' engineering practice and innovation awareness， and thus meet the requirements of developing the engineering practice and innovation consciousness of science and technology in the classroom of college physics.

Keywords： electromagnetics and optics； engineering education； case analysis； classroom teaching

一、概述

随着社会的进步，科技的发展，工程教育理念逐步被融入到应用型大学的实践教学领域中。大学物理是面向几乎所有专业的核心基础课，为培养研究型人才打好物理基础。目前的工程技术，从原理上讲大多数都属于大学物理范畴。在教育的过程中，我们通过借助互联网时代下快速发展起来的多媒体教学技术，以及在教课书中融入成功的工程技术相关案例素材，以此来促进学生对于一些晦涩知识点的从其诞生到现在的实际生活的运用等方面进行深入地学习。这样新旧知识一脉相承形成完善的体系，通过经典理论的再现，新知识的引入顺理成章。本文以大学物理中的《电磁学与光学》为主，引入實际教学案例，在要求学生熟练掌握大学物理课本内常用专有名词的概念和一些物理现象的基本规律等后，在一定程度上将它们在实际工程案例中的运用进行介绍，从而让学生更好的理解理论与实践之间的关系，并且了解这些理论在现实生产技术领域内所开展的推广应用情况，这样有助于学生更好地掌握课本知识，提高学习的主动性和积极性，帮助学生在大学物理课堂教学中，建立理工科学习兴趣，树立工程教育意义。

二、电磁学和光学工程教育教学案例

（一）静电喷漆

静电喷漆属于静电学中的应用案例。雾化的油漆微粒在直流高压（80～90kV）电场中带负电荷，在电场力作用下，油漆微粒飞向带正电荷的工件表面，形成漆膜，此过程称为静电喷漆。

物理原理：静电喷漆是将被涂物当成正极，日常情景下接地；涂料雾化装置为负极，接电源设置为负极，如此在正负极间能够形成静电场。并且在负极附件区域内可以出现电晕放电，在放电地过程中使得涂料内的介质出现电荷的转移从而带电，并且进一步实现雾化。根据同性相离、异性相吸的原理，以及带电介质受电场力影响，涂料跟被涂物形成环抱效果，沿电场线向着静电喷漆喷过的带有正电荷的被涂物上，并且分布匀称且有较强的吸附能力，从而形成一层薄膜。

工程应用：根据国内外相关调研结果显示，静电喷漆技术作为近几年内研发出来的技术，它在各种工业内都受到了重视，主要被用来处理产品表面。相比与传统的产品表面处理工序而言，其发展势头如此好，在一定程度上是因为它具有如下几大特点：1.所需要的涂料很少就能达到想要的效果；2.绿色环保，不仅无毒害，而且在一定程度上能净化环境；3.能够使用机器化工作模式，减少人工操作，并且具有高效特征。

注意事项：1.工作时安全电压为小于9万伏，短路电流为小于0.7毫安，工作運转时超过安全电压，对相关工作人员会造成一定程度的不利影响。

2. 在进行完喷漆工作后，需要马上将喷枪接触地面。这样可以释放内部的电荷，减少进入到人身体上的电荷。

3. 为了避免意外短路时产生电火花，在进行工作时要与操作界面保持一公分以上的距离。

4. 在操作前务必要确认各部分的线路连接正常，一定要注意机壳和工件的接地正常，避免高压静电。

（二）生物磁学的应用研究

生物磁学属于静磁学中的应用案例。生物磁学是研究生物磁性和生物磁场的生物物理学。生物磁学研究与物理学、生物学、医学等密切相关，而且在工农业生产、医学诊断和治疗、生物工程等方面都有广阔应用前景。

生物材料的磁性：在对生物大分子的广泛研究中，发现大部分生物材料具有抗磁性，少数为顺磁性，极少数呈现铁磁性。

1. 生物材料的抗磁性，表现在生物分子在磁场作用下产生与磁场方向相反的运动，使原来的磁场减弱。一些绿色植物单细胞或者叶绿体放置于磁场中，当叶绿体的平面结构与磁场垂直取向时，分子受到的磁场力最大，与磁场平行时，磁场力最小。

2. 生物材料的顺磁性与其中有过渡金属离子的成分有关。生物机体内所具有的所有金属离子中，属于顺磁性金属离子有八种之余。例如进行氧化输送的血红蛋白，进行电子传递的细胞色素，DNA分子生物合成需要的核糖核苷酸还原酶等。此外，任何物质受磁场作用都有抗磁性，只不过在顺磁性物质中，由于顺磁性超过抗磁性，故整体对外表现为顺磁性。

3. 在生物体如磁性细菌、鸽子和个别人体发现有铁等具有磁性的金属物质存在，并且对生物体的生存具有重要的意义，能够让生物在一定程度上辨识方向，大雁南归靠的就是体内具有磁效应的罗盘准确的从千里遥途飞回鹊巢。科学家也曾发现在某些人的鼻窦骨的表层下约5？滋m处有一层铁质层，据估计与人的第六感觉即磁感觉有关。人体磁场远低于地磁场，约为10-12T，很难进行观察和研究，目前主要采用磁屏蔽原理和空間鉴别技术。

磁场的生物效应：

1. 磁致遗传效应：磁场处理能够在一定程度上诱导基因突变的现象。如用强度不同的磁场对大麦种子进行处理后，发现DNA合成率下降了，同时在第二代的染色体中也观测到了畸变。通过对生物基因突变学的相关研究进行综合分析，一部分生物研究学者认为，磁场对诱导基因突变主要是通过对DNA分子内部氢键的作用，使得DNA的结构发生变化，从而影响基因的表达。

2. 磁致生长效应：磁场对生物生命过程的各个阶段各个环节均具有一定的影响。如一旦磁场的强度超过了1.4T就能够在一定程度上对细菌生长产生严重的影响。此外，地磁场反向时，会导致生物灭绝。

3. 磁致放大效应：具有低能量的外加磁场，能够产生具有很大能量的生物效应。根据能量平衡相关原理来讲，这是磁场在生物效应中所起的作用，只能看着是起到的激发引导作用，通过其导致生物体内能量短时间内放大化作用。当外加磁场达到最大值时，生物效应就开始出现，随着磁场作用的增大，生物效应随之增大，这是一种累积效应。

（三）霍耳效应的应用

霍耳效应是美国物理学家爱德华·霍耳1879年发现的，霍耳效应就是把一块导电板放在磁感应强度为B磁场中，导电板通有纵向电流，这样，在导电板的横线两侧面就会呈现出一定的电势差，所产生的电势差即霍耳电压。表达式如公式（1），显然霍耳电压跟电流I成正比，跟磁场的磁感应强度B成正比，跟载流子的数密度n成反比。公式不仅揭示了电流与磁场之间的相互作用，而且体现了霍耳电压与载流子数密度之间的关系。

由公式（1）可知，若是金属导体，导体内部的载流子数密度n很高，霍耳效应很小；而半导体中，载流子数密度n比较低，因此会产生很强的霍耳效应。利用霍耳效应工作原理制备成的半导体元件在科研和生产中都有非常广泛的应用，主要包括判断半导体材料性质、测量磁场、测量电流、霍耳传感器、磁流体发电机和电磁流量计等。

1. 判断半导体的材料，根据霍耳电压的公式，可以通过测量外加磁场中的霍耳电压来判断传导载流子的类型，电子型半导体中的多数载流子带负电。空穴型半导体中的多数载流子带正电。两种类型的半导体相对应的霍耳电压方向正好相反。因此，通过电压表的偏转方向就可以很容易的判断电子型或空穴型半导体。同样的也可用来测量载流子的浓度，这种方法广泛的被应用在半导体掺杂载体的性质和浓度的测量上。

2. 测量磁场，霍耳效应本质上就是一种电磁效应，原理是在电流垂直的方向上加磁场，这样，就会在与电流和磁场平面垂直的方向上建立一个电场。所以，可以根据霍耳电压来测量未知磁场的分布。具体实验的方法是：将霍耳器件放置在未知磁场的任意位置，然后在磁场中旋转一周，仔细观察所测霍耳电压值的大小变化会由0增加到最大，然后由最大变化到0，当电压值最大时所对应的磁感应强度就是该点磁场的大小，此时霍耳器件的法线方向即该点磁场的方向。

3. 量电流，霍耳电流传感器是一种高性能的新型电气检测元件，可以用来隔离主电路回路和显示控制电路。并且最适合用来测量电力电子设备的过电流或短路保护电路中检测电流信号，还可以用来进行电流反馈和截流、稳流控制等。

4. 测量微小位移量，保持霍耳元器件的工作电流不变，使其在均匀磁场中移动，霍耳电压的输出值由磁场中的位移量来决定，所以能够用霍耳元件来测量微小位移量，即霍耳微位移传感器。该传感器的优点是惯性比较小、频率响应速度快、工作寿命较长。霍耳元件还可以用来制备其他类型的传感器，比方压力、应力、重力传感器等。

5. 磁流体发电机，基本原理就是霍耳效应。磁流体发电机是将物体的内能转化成电能的装置，两平行金属板之间有一个较强的磁场，一束等离子体以一定的速度喷射入磁场中，正、负离子在磁场力（洛伦兹力）的作用下发生偏转，然后分别聚焦到两极板上，这样两极板相当于直流稳压电源的两个电极。当等离子体作匀速直线运动时，此时，两板间的电压值达到最大即电源的电动势。

6. 电磁流量计，用来测量导电的液体。将流量计放在均匀磁场中，磁场垂直于前后两面，當导电液体中的带电粒子流经管道时，导体的上、下表面会分别带电，最终达到动态平衡状态。此时，电源电动势即上、下两表面间的电势差，导电液体在洛伦兹力和电场力这一对平衡力的作用下继续做匀速直线运动，流过导体管内横截面的流体体积也将保持恒定。实验所测的导电液体的流量就是单位体积内流过导体管内横截面积流体的体积。

霍耳传感器得益于集成电路的发展，并且随着大规模集成电路和微机械加工技术的发展，出现了三、四端口的固态霍耳传感器，使传感器制备工艺从二维平面发展到三维空间，实现了产品的微型化、产业化和实用化。近些年，科学家对量子霍耳器件的研究颇多，相信未来在该领域将会不断呈现出新的科研成果，更好地为人类服务。

（四）数字全息照相

数字全息照相属于光学中的应用案例。全息术是利用光的干涉同时记录物光的强度信息和相位信息，所产生的像是完全逼真的立体三维像，立体三维成像技术能够从各个角度及细节来反映真实情况，根据实际情况，对聚焦的距离进行调整。数字全息在物理学的各个方面的产业中均的到了不同程度的重视，以及推广应用。

1. 数字全息照相的两个过程

（1）波前全息记录：利用光的干涉记录物光的相位和强度分布。不同的光波通过激光器后别分割成两束。一束为物光波，另一束是与物光相干的参考光。通过对干涉条纹所呈现出来的性状以及密度来了解物光的分布。通过其呈现出的明暗来了解物光的振幅，感光底片将条纹记录下来，然后经过显影、定影处理后，就能够洗出一張与光栅相似结构的全息照片。

（2）物光波前再现：用一束参考光照射在全息图上，類似于光栅发生衍射，衍射光波中能够体现之前的物光波。由此，当顺着物光波进行观察，即能够看到具有之前物体所有特点的物体的再现像。

2. 数字全息照片的四个特征

（1）全息照片上的花纹基本在各个方面均有异于被摄物体，但是一旦有相干光束的帮助，物体图像却能通过花纹达到如实重现的效果。

（2）三维再现效果强，能够将各视角及细节都呈现出来，同时能够对比细微的差异。

（3）全息图只要任取其中一小片，同样可以用来重现物光波。类似于在小窗口观察物体一样，仍可以看到物体的全貌。但由于受光面积减少，成像光束的强度也相应的减弱；所以一旦全息图面积减小，其边缘的衍射效应更明显，从而影响像质。

（4）同一张照片上可以重叠动态中数张不同的全息图。曝光后经过处理再现时可重现不同图像。

三、工程教育在基础物理教学中的意义

将大学物理基础知识点相关的事例素材进行归纳整理，同时借助互联网时代下快速发展起来的多媒体教学技术，来将工程技术融入到大学物理课题教学中，会极大的提高学生对自然科学知识学习的兴趣。以电学中的电容器为例，工程技术上需要将大量的电荷储存起来，于是最早的电容器莱顿瓶诞生了。电容器是电子设备中的储能器件，广泛应用于电子工艺中的耦合、滤波和传感等多个领域。微型电容器和超大电容器是目前电容器发展的两个方向，其中微型电容器是微小型电路板的主要元件，而超大电容器是目前大力发展的新能源汽车等的重要部件。在大学物理《电磁学和光学》教学中，通过借助互联网时代下快速发展起来的多媒体教学技术，以及在教课书中融入成功的工程技术相关案例素材，将工程实践融入理论学习中，并且在课堂上已现实案例为基础来锻炼学生科技创新能力，加强其创新意识。通过这种教育模式来让学生熟悉工程应用领域。高度符合在大学物理课堂教学中注重工程教育培养的要求，值得进一步推广学习深入实践。

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