如何在中学物理课引入现代科技概念

蔡琤

【摘 要】本文以高中物理选修1-1第四章电磁波及其应用为例，介绍在新课程改革的背景下，老师如何采用各种教学模式实现物理原理与现代科技的结合。用较通俗的语言介绍了电磁波的各种传播方式，并介绍了波信号的调制与解调，以及电磁波在生活中的应用的例子。

【关键词】电磁波;现代科技;渗透式教学

1.教师应具备的物理理论与高科技概念

1.1Maxwell电磁理论

1.1.1Maxwell方程组

由高斯定理知道电荷可以激发电场，由法拉第电磁感应定律知道变化的磁场激发涡旋电场。由于尚未发现磁荷的存在，目前激发磁场的方式除了运动电荷外还有变化的电场，均以涡旋方式激发磁场，因此磁力线总是闭合的。由此总结推演出一组完整的方程组，即

Maxwell方程组是电磁场的运动方程，该方程在电磁学中的地位同牛顿定律在力学中的地位同样重要，电磁波的运动规律以Maxwell方程为基础。

1.1.2电磁波的辐射

电偶极辐射是最常见的形式。

辐射场的能流为

因为■∝sin2θ，θ从0到■，随角度增加能流密度增大。如图1示。

P只与源有关，把■对一个封闭球面积分得总辐射功率P。

P=■■，因为■正比于w2，所以■正比于w4，功率P也正比于w4。频率变大，辐射功率迅速增大。

电偶极辐射場与库仑场的区别

库仑场的场源是静止电荷，所以▽·■（■）=0。

■■d■=■

库仑场与距离是反平方定律，所以在远区的能量为零。电偶极辐射场是由运动电荷辐射出电磁场，能量可以传到无限远，因为场与距离是反比关系：

■=■（■×■）×■

■=■■×■

电偶极辐射的能量可传到远场，电磁波是横波。

1.1.3电磁波的传播

变化的电场和磁场能相互激发。相互激发的过程使电磁场脱离场源而独立地在空间中传播，形成电磁波，满足如下波动方程

其中c=■

上式说明真空中一切电磁波都是以光速c传播的。

1.1.3.1电磁波的衍射

当电磁波在传播过程中遇到障碍物或者透过屏幕上的小孔时，会产生偏离原来方向的出射电磁波，这种现象称为衍射现象。相比较而言，波长大的电磁波更易发生衍射现象，通常衍射角与屏障尺度具有反比关系，即θ～λ/a。

1.1.3.2电磁波通过等离子体的反射、折射与吸收

电磁波在不同介质的分界面上要发生反射和折射，当电磁波以一定的入射角进入电离层时，由于电离层的等离子态在一定波长范围内的折射率n<1，会发生类似于光学中的反射现象，电磁波以相同的角度射出电离层。

设由下而上的电离层电子密度依次为N1，N2，…，Nm，其中0

另外，电离层对电磁波具有吸收作用，当电磁波进入电离层后，电离层内的自由电子受到电磁波的作用而产生运动，运动的自由电子与气体分子发生碰撞需要消耗能量。这个能量是来自电磁波的，即电磁波通过电离层时要消耗能量，这种现象称为电离层对电磁波的吸收。

1.1.3.3电磁波的散射

当从天线辐射出去的电磁波，投射到尺度在波长量级的不均匀体时，部分电磁波将偏离原来的方向而分散传播，从侧向也可以接收到电磁波即波的散射传播。

1.2现代通信概念

信号：信号是指随时间变化的物理量。信号可以分为连续时间信号和离散的数字时间信号。

载波：用于传送信号而未经调制的电磁波。

调制：把各种基带信号加到载波上，使发射的载波随信号而改变的过程。信息技术中采用的一种对信号进行调制与解调的方法（如下图所示），

首先，先将一个缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器将信号放大，最后再通过滤波器取出放大后的缓变信号。信号调制的类型，一般的正（余）弦凋制可分为幅度调制、频率调制、相位调制三种，简称为调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。中波、短波一般采用调幅方法，超短波一般采用调频方法。

2.教学理念的转变——渗透式教学

2.1渗透的内容

我认为在中学教学中，适当地向学生介绍一些超越大纲要求的内容，哪怕是提一下，对学生扩展知识面、联系前沿科技等都大有益处。在教学中可尝试，很多概念（如衍射角约为波长比屏障尺度、通信带宽正比于载波频率、趋肤效应和穿透深度、辐射功率正比于频率四次方等）尽管是中学所没有的，但让学生了解一些结论，就可打开现代科技的窗口，了解在生活中无处不在的高科技，学生虽然不一定知其所以然，但如果会用结论解释现象和说明原理也是一种能力的体现。

2.2渗透的过程

其实渗透式教学虽然是一种教学模式，但不能将其模式化，教师在课堂中可以采取多种多样的教学方法（如选择讲授法、问题讨论法、探究式教学等）使整节课连贯，过渡自然。老师要力求在使用教学方法达到传递知识的同时培养学生各自的能力（如观察能力、收集资料的能力、语言表述能力等）。同时，渗透的内容有延续性，学生对所学内容有兴趣，自然会将知识迁移到课后、生活中、读书看报时。

2.3渗透的效果

渗透教学旨在培养学生的个体发展，所以渗透式教学所要达到的效果就是在学生学到知识的同时培养其能力，提高其学习兴趣，让学习不仅仅只停留在课本上。

3.以电磁波应用为题的现代科技教学尝试

3.1无线电通信历史

对于这一部分内容的教学，教师可以采用“学生讲演法”的教学方法。在课前将学生分成若干个小组，各小组自行推举组长，分配人员收集资料，上台讲演，教师在学生讲演的基础上进行提问、鼓励性的评价、总结。

希望通过这样的模式，培养学生的个性，增加学生的自信，并体味物理与科技的密切联系。

附：无线电通信历史

1895年，俄国波波夫和意大利马可尼分别发明了无线电报机。1897年5月18日，马可尼实现了横跨布里斯托尔海峡的无线电通信。

由于无线电通信不需要昂贵的地面线路和海底电缆，因而受到人们的重视。它首先用在难于铺设线路的海上通信。第一艘装有无线电台的船只是美国的“圣保罗”号邮船。后来，海上无线电通信接二连三地在援救海上遇险船只中发挥作用。

1901年，无线电波越过了大西洋，人类首次实现了隔洋无线电通信。两年后，无线电话试验成功。至今，无线电广播、电视、微波通信、卫星通讯和光通信……电磁波使整个世界面貌发生了深刻的变化。

3.2电磁波谱

对于电磁波谱的学习主要采用“讲授法”，对于电磁波各波段应用，主要采用“自学指导法”，先给学生出示自学提纲，学生自己完成提纲中的问题;再让学生自由讨论，提纲中的问题;最后再由学生的自学情况进行小结。

通过这样的模式，提高学生的自学能力，口头表达能力，通过自学、思考问题、讨论、总结的方式，学生对本节内容的理解也许远高于教师的“一言谈”的效果。但是，学生可能会走神，所以一方面要选简单易懂的课进行自学，另一方面在学生思考时教师要在学生中来回巡视，了解学生自学情况，适当给予帮助，另外在学生讨论时，老师要鼓励每一位同学都参与进讨论，不要只是几位同学的“几言谈”。

3.3微波炉、电磁炉的工作原理

第二节的末尾有一个课题研究：丰富多彩的电磁波世界，我希望通过这一部分的学习能够知道电磁炉、微波炉的工作原理，同时能够利用家里的电器来研究电磁现象。让学生体会电磁波在现实生活中的应用。

对于微波炉、电磁炉的原理，其中要用到电磁波的趋肤效应、磁导率等知识，这些知识学生可能没有学过需要教师用最通俗的语言把它讲明白。

【参考文献】

[1]何定梁.生活中的物理[M].上海远东出版社，2003，141，147

[2]李洪才.電动力学基础[M].福建教育出版社，2005，115-139

[3]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2003，151-154，166-167，259-260

（福州延安中学，福建 福州 350000）