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大學(xué)物理電磁學(xué)學(xué)習(xí)方法
大學(xué)物理電磁學(xué)學(xué)習(xí)方法【1】
【摘要】大學(xué)物理是一般工程技術(shù)類專業(yè)大學(xué)本科生的一門必修基礎(chǔ)課程，主要是學(xué)習(xí)物理學(xué)的一些基本概念、現(xiàn)象及規(guī)律。
電磁學(xué)是研究電磁現(xiàn)象的規(guī)律以及物質(zhì)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)的科學(xué)，不僅蘊(yùn)含著豐富的物理知識(shí)，還包含著很多數(shù)學(xué)知識(shí)如微積分、矢量分析等，因此掌握正確的大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)方法是很重要的。
本文主要是根據(jù)作者對(duì)于大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)，進(jìn)而提出一些大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)方法。
【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理 電磁學(xué) 學(xué)習(xí)方法
一、前言
物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是自然界最基本形態(tài)的科學(xué)。
電磁學(xué)是物理學(xué)中的一個(gè)重要的分支，在我們的日常生活以及生產(chǎn)活動(dòng)當(dāng)中，無(wú)處不存在著電磁運(yùn)動(dòng)，因此學(xué)好電磁學(xué)是很有必要的。
大學(xué)物理電磁學(xué)主要是研究電磁波、電磁場(chǎng)以及有關(guān)電荷、帶電物體的動(dòng)力學(xué)等，在學(xué)習(xí)時(shí)不僅要掌握相應(yīng)的基本概念，還要掌握電磁學(xué)中的一些常見(jiàn)定理，如電場(chǎng)中的高斯定理、磁場(chǎng)中的安培環(huán)路定理等，通過(guò)運(yùn)用定理，深刻理解現(xiàn)象中的物理意義及規(guī)律。
下面將具體分析大學(xué)物理電磁學(xué)的若干學(xué)習(xí)方法。
二、關(guān)于電磁學(xué)
1.電磁學(xué)的起源與發(fā)展
我國(guó)是世界上最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用磁現(xiàn)象的國(guó)家之一，早在公元前三百年就發(fā)現(xiàn)了磁吸引鐵的現(xiàn)象。
到十九世紀(jì)，電流的磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)等相繼被發(fā)現(xiàn)，并且其規(guī)律也得到了準(zhǔn)確的表述，如歐姆定律、電磁感應(yīng)現(xiàn)象、楞次定律、麥克斯韋方程組等。
隨著電磁學(xué)的發(fā)展，生活中已經(jīng)出現(xiàn)了很多與電磁學(xué)有關(guān)的應(yīng)用，如指南針、避雷針、電磁爐、電磁起重機(jī)、磁懸浮列車等，并且在人們的日常生活及工作中發(fā)揮著重要的作用。
2.大學(xué)電磁學(xué)的常見(jiàn)基本定理
2.1高斯定理
高斯定理也稱為高斯公式，主要是表明在閉合曲面內(nèi)的電荷分布與產(chǎn)生的電場(chǎng)之間的關(guān)系。
靜電場(chǎng)的高斯定理公式為：
d=在該式中，左邊是電場(chǎng)強(qiáng)度的通量，右邊的q代表著包圍在封閉曲面內(nèi)的自由電荷和極化電荷的總和。
定理指出，電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)任意封閉曲面的通量與該封閉曲面內(nèi)電荷的代數(shù)和有關(guān)，而與曲面內(nèi)電荷的分布位置及曲面外的電荷無(wú)關(guān)。
此外，該公式一般用來(lái)求電場(chǎng)強(qiáng)度E，而并非是求電場(chǎng)強(qiáng)度的。
而磁場(chǎng)中的高斯定理公式為：
d=0該公式表明，無(wú)論是穩(wěn)恒磁場(chǎng)還是時(shí)變磁場(chǎng)，由于磁力線總是閉合曲線，如果將閉合曲面向外設(shè)為正方向，那么進(jìn)入曲面的磁通量為負(fù)，出來(lái)的磁通量則為正，故通過(guò)其中任何一個(gè)閉合曲面的總磁通量都為0。
2.2安培環(huán)路定理
安培環(huán)路定理是指在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿任何閉合路徑的線積分，等于這閉合路徑所包圍的各個(gè)電流的代數(shù)和乘以磁導(dǎo)率，這一定理反映了穩(wěn)恒磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線和載流導(dǎo)線的相互套連性。
磁場(chǎng)中的安培環(huán)路定理公式為：
d=?滋I
該式的左邊是磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)流，常用來(lái)求解磁感應(yīng)強(qiáng)度B。
由于該式中含有定積分，因此在求解時(shí)會(huì)有一定的困難，但當(dāng)磁場(chǎng)分布的對(duì)稱性較高時(shí)，利用該定理求解磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)簡(jiǎn)單很多。
在運(yùn)用該定理時(shí)，首先我們要選取合適的磁場(chǎng)回路，盡可能的選取各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度相等的回路，這樣便能將公式左邊的矢量�c乘積分轉(zhuǎn)化為標(biāo)量積分，把移到積分號(hào)外，這樣求解時(shí)便容易得多了。
三、大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)方法分析
1.在基本概念、常用定理的掌握上多下功夫
在學(xué)習(xí)電磁學(xué)時(shí)，首先要清楚的掌握與電磁學(xué)相關(guān)的一些基本概念，只有將概念掌握清楚了，才能在做題的時(shí)候加深理解，牢固的掌握知識(shí)。
但是在掌握基本概念時(shí)，還要注意一定的方法――一般來(lái)說(shuō)，我們都是從定義開(kāi)始掌握概念，但是僅僅根據(jù)定義是不夠的，我們還要做到以下幾點(diǎn)：首先，思考為什么要這樣定義?換一種說(shuō)法行不行?應(yīng)該注意什么?其次，還要掌握電磁學(xué)的一些基本定律和基本定理，結(jié)合定理才能更加深入的了解、掌握概念;最后，實(shí)踐檢驗(yàn)真知。
我們可以通過(guò)找一些具體的例題或者是問(wèn)題來(lái)鞏固自己對(duì)概念及定律、定理的理解和掌握。
2.注意掌握數(shù)學(xué)工具的運(yùn)用和訓(xùn)練問(wèn)題的分析能力
數(shù)學(xué)是物理的基礎(chǔ)，更是研究物理學(xué)的主要工具，因此學(xué)好數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)有很大的幫助。
在學(xué)習(xí)電磁學(xué)時(shí)，要充分利用所學(xué)的高等數(shù)學(xué)的知識(shí)去解決物理問(wèn)題，在運(yùn)用數(shù)學(xué)工具時(shí)，要透過(guò)數(shù)學(xué)公式看到公式中所要描述的物理知識(shí)，而不要被復(fù)雜的公式弄懵了，遇到一個(gè)問(wèn)題，不要急著去解答，先把重點(diǎn)放在物理模型、圖像上，通過(guò)仔細(xì)分析挖掘出模型及圖像蘊(yùn)含的信息，進(jìn)而用相應(yīng)的物理方程和方法進(jìn)行解答。
最后，還要注重電磁學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)是我們動(dòng)手檢驗(yàn)真理的最好方法，也是我們對(duì)自己所學(xué)知識(shí)良好的反饋途徑，我們要積極動(dòng)手去設(shè)計(jì)物理模型，如在做“用沖擊電流計(jì)測(cè)螺線管內(nèi)軸線上磁場(chǎng)的分布”這一實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們需要用到的實(shí)驗(yàn)器材有墻式?jīng)_擊電流計(jì)、螺線管、電阻箱、滑線變阻器、直流安培表等，首先我們應(yīng)明白該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理――當(dāng)螺線管通以電流I時(shí)，則螺線管內(nèi)軸線上任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：
B=?滋0n0(cos ?茁1-cos?茁2)
公式中的μ0為真空磁導(dǎo)率，n0為單位長(zhǎng)度線圈的匝數(shù)，β1和β2分別為螺線管內(nèi)軸線上某一點(diǎn)到兩端的張角大小。
根據(jù)這個(gè)原理，我們?cè)僭O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后計(jì)算、整理、分析，最后得出結(jié)論。
這樣通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，不僅能夠加深我們對(duì)物理基本概念的理解和基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，而且還能有效的提高我們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。
3.重視代數(shù)量的意義，正確運(yùn)用代數(shù)量
代數(shù)量又稱為雙向標(biāo)量，是描述兩種可能狀態(tài)的物理量，如分量=v+v，電壓V=V-V=・dl，這些物理量除了大小之外，還有方向。
代數(shù)量分為狀態(tài)型代數(shù)量和取向型代數(shù)量?jī)煞N，狀態(tài)型代數(shù)量如溫度T，導(dǎo)體電量Q，而取向型代數(shù)量則是指具有兩種相反取向的物理量，如上述分量，電壓Vab等。
物理量按其性質(zhì)可分為矢量和標(biāo)量，其中標(biāo)量又分為算數(shù)量和代數(shù)量。
矢量的計(jì)算比較復(fù)雜，因其不僅有大小，還有方向之分。
算數(shù)量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，因其只有正值;而代數(shù)量有正有負(fù)，如電荷、電位差、電通量、電動(dòng)勢(shì)等，計(jì)算過(guò)程中比較容易出錯(cuò)。
因此在學(xué)習(xí)電磁學(xué)時(shí)，我們必須清楚一些常見(jiàn)代數(shù)量的正負(fù)及其意義，結(jié)合題目具體的信息進(jìn)行分析辨別，從而解決問(wèn)題。
結(jié)束語(yǔ)：電磁學(xué)現(xiàn)象在我們的日常生活及工作中隨處可見(jiàn)，學(xué)好電磁學(xué)不僅是專業(yè)知識(shí)的需要，也是我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯男枰?/p>
電磁學(xué)是大學(xué)物理的一個(gè)重要內(nèi)容，學(xué)起來(lái)有一定的難度，我們一定要掌握正確的學(xué)習(xí)方法，在基本概念，基本定理、定律上多下功夫，熟練掌握數(shù)學(xué)工具的使用，重視各項(xiàng)代數(shù)量的含義，鍛煉自己的問(wèn)題分析能力，從而達(dá)到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。
參考文獻(xiàn)：
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大學(xué)物理電磁學(xué)中的方向問(wèn)題【2】
【摘要】在大學(xué)物理電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)中，有些物理量除了計(jì)算出其大小以外，還要指出其方向。
初學(xué)者由于受中學(xué)階段學(xué)習(xí)的影響，進(jìn)入大學(xué)后不習(xí)慣用大學(xué)里所學(xué)的方法來(lái)判斷方向，或者是不會(huì)利用某些公式求解物理量的方向，成為他們學(xué)習(xí)電磁學(xué)感到困難的原因之一。
【關(guān)鍵詞】電磁學(xué);物理量;判斷方向
大學(xué)物理電磁學(xué)中通常要求到這樣的一些物理量，如庫(kù)侖力、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)等，在計(jì)算時(shí)要求除了求出這些物理量的大小外，還要指明其方向。
初學(xué)者由于受中學(xué)階段所學(xué)方法的深刻影響，進(jìn)入大學(xué)后很難適應(yīng)大學(xué)的方法來(lái)判斷這些物理量的方向。
本文就電磁學(xué)學(xué)習(xí)中的一些物理量的方向的判斷進(jìn)行了總結(jié)。
一、電學(xué)部分物理量的方向的判斷
在大學(xué)物理電學(xué)部分的內(nèi)容中需要判斷方向的物理量主要有：庫(kù)侖力、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)梯度，它們都是矢量，因此在計(jì)算這些物理量的大小時(shí)，還需指明其方向。
下面分別介紹如何判斷這幾個(gè)物理量的方向。
1.庫(kù)侖力和電場(chǎng)強(qiáng)度方向的判斷
庫(kù)侖定律告訴我們，在真空中兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的作用力大小與其電量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比 。
作用力的方向沿著兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線方向。
即：
(1)在判斷兩個(gè)點(diǎn)電荷的受力方向時(shí)，首先要確定施力電荷與受力電荷，式中的r0表示由施力電荷指向受力電荷的單位矢量，單位矢量的方向確定后，再進(jìn)行力F的方向的判斷，分兩種情況來(lái)判斷，如圖1所示，圖中矢量r為q1、q2之間的位矢，單位矢量r0的方向就代表位矢r的方向。
力F的方向沿著兩個(gè)點(diǎn)電荷q1和q2的連線，設(shè)定q1為施力電荷，q2為受力電荷。
當(dāng)兩點(diǎn)電荷q1、q2極性同號(hào)時(shí)，F(xiàn)表現(xiàn)為斥力，其方向與單位矢量r0的方向相同;當(dāng)兩點(diǎn)電荷q1、q2極性相異時(shí)，F(xiàn)為吸力，其方向與單位矢量r0的方向相反。
圖1 點(diǎn)電荷q1對(duì)點(diǎn)電荷q2的作用力
圖2 點(diǎn)電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向
由于電場(chǎng)強(qiáng)度是根據(jù)庫(kù)侖力來(lái)進(jìn)行定義的，故其方向的判斷與庫(kù)侖力類似。
判斷點(diǎn)電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向，同樣先確定單位矢量r0的方向，這里規(guī)定是由場(chǎng)源指向場(chǎng)點(diǎn)(這一點(diǎn)實(shí)際上與庫(kù)侖力方向的判斷中r0的規(guī)定是一樣的，由電場(chǎng)強(qiáng)度的定義，是在所求點(diǎn)P點(diǎn)放置一單位正點(diǎn)電荷q0，q0在P點(diǎn)所受的力即為該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，即r0的方向由施力電荷Q指向受力電荷q0，也就是由場(chǎng)源指向場(chǎng)點(diǎn))，場(chǎng)源指產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度的源，即點(diǎn)電荷或帶電體，場(chǎng)點(diǎn)指所求點(diǎn)。
在判斷時(shí)，先要知道場(chǎng)源電荷的極性，若電荷Q為正電荷，則電場(chǎng)強(qiáng)度的方向沿r0的方向，反之逆著r0的方向指向電荷Q。
如圖2所示。
若場(chǎng)源是連續(xù)的帶電體，則都以點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)為基礎(chǔ)，分析場(chǎng)強(qiáng)的方向是一樣的。
先采用微元法將帶電體微分成無(wú)窮小的元，每一個(gè)元看做是點(diǎn)電荷，根據(jù)其極性判斷元電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)的方向，在綜合來(lái)看總的方向。
例如，判斷均勻帶電細(xì)圓環(huán)軸線上任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)的方向，設(shè)其帶電為Q，則，軸線上任一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)的方向沿軸線。
2.電勢(shì)梯度方向的判斷
根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)梯度之間的關(guān)系式E=-gradU，可知，靜電場(chǎng)中任意點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量等于該點(diǎn)電勢(shì)梯度矢量的負(fù)值。
也就是說(shuō)，要判斷電勢(shì)梯度的方向，就要先確定電場(chǎng)強(qiáng)度的方向，電勢(shì)梯度的方向與電場(chǎng)強(qiáng)度的方向相反。
二、磁學(xué)部分物理量的方向的判斷
磁學(xué)部分需要判斷方向的物理量主要有：磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁場(chǎng)強(qiáng)度)、洛倫茲力、安培力、磁化強(qiáng)度、磁化電流等，這里只介紹常用的幾個(gè)物理量的方向的判斷，即磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁場(chǎng)強(qiáng)度)、洛倫茲力、安培力方向的判斷，這幾個(gè)物理量都是矢量，判斷方向時(shí)均可用右手螺旋法則，尤其是兩個(gè)力的方向的判斷，在中學(xué)階段曾用左手定則來(lái)判斷，這里將全部用右手螺旋法則來(lái)判斷。
1.磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁場(chǎng)強(qiáng)度)的方向判斷
根據(jù)畢奧-薩伐爾定律：
電流元產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向即為的方向，該叉積遵循右手螺旋法則，如圖3所示。
即用右手四指從Idl經(jīng)小于1800角轉(zhuǎn)到r，則伸直的大拇指的指向就是dB的方向。
磁場(chǎng)強(qiáng)度的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向相同。
圖3 右手螺旋法則判斷dB的方向
圖4 右手螺旋法則判斷洛倫茲力的方向
2.洛倫茲力方向的判斷
根據(jù)洛倫茲力公式，洛倫茲力F的方向也有兩個(gè)矢量的叉積決定，因此也可用右手螺旋法則來(lái)判斷。
如圖4所示，若已知正電荷在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度的方向、磁場(chǎng)的方向，則運(yùn)動(dòng)電荷所受的磁場(chǎng)力(即洛倫茲力)也遵循右手螺旋法則，即右手四指指向速度v的方向，經(jīng)小于1800角轉(zhuǎn)向B，伸直的大拇指的方向即為正電荷的受力方向，若運(yùn)動(dòng)電荷極性為負(fù)，則受力方向與正電荷的受力方向相反。
因此首先要判斷正電荷的受力方向。
3.安培力方向的判斷
同樣根據(jù)安培力的公式，電流元Idl所受力的方向也由來(lái)決定。
如圖5所示。
若已知電流的方向和磁場(chǎng)的方向，則可判斷電流上任一電流元Idl所受的安培力的方向，即右手四指指向電流的方向，經(jīng)小于180o的方向轉(zhuǎn)向B，伸直的拇指的方向即為安培力的方向。
圖5 右手螺旋法則判斷安培力的方向
圖6 用楞次定律判斷回路內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向
三、電磁感應(yīng)部分物理量的方向的判斷
電磁感應(yīng)部分主要判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(或感應(yīng)電流)這一物理量的方向，判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向依據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向一致。
下面以磁鐵朝向或逆向載流回路運(yùn)動(dòng)為例，分四種情況來(lái)進(jìn)行感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)判斷。
如圖6所示。
首先規(guī)定回路l的繞行方向與回路所圍面積的法向n之間的關(guān)系為右手螺旋關(guān)系如圖6(a)所示。
1.當(dāng)n與磁場(chǎng)B之間的夾角小于900時(shí)
(1)磁鐵朝向回路運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖6(b)，回路中的磁場(chǎng)增強(qiáng)，則在回路中產(chǎn)生與原磁場(chǎng)B方向相反的磁場(chǎng)B感，B感的方向與回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)橛沂致菪P(guān)系，因此可以判斷出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與回路l的繞行方向相反。
(2)磁鐵逆向回路運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖6(c)，回路中的磁場(chǎng)減弱，則在回路中產(chǎn)生與原磁場(chǎng)B方向相同的磁場(chǎng)B感，B感的方向與回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)橛沂致菪P(guān)系，因此可以判斷出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與回路l的繞行方向相同。
2.當(dāng)n與磁場(chǎng)B之間的夾角大于90o時(shí)
(1)磁鐵朝向回路運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖6(d)，回路中的磁場(chǎng)增強(qiáng)，則在回路中產(chǎn)生與原磁場(chǎng)B方向相反的磁場(chǎng)B感，B感的方向與回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)橛沂致菪P(guān)系，因此可以判斷出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與回路l的繞行方向相同。
(2)磁鐵逆向回路運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖6(e)，回路中的磁場(chǎng)增強(qiáng)，則在回路中產(chǎn)生與原磁場(chǎng)B方向相同的磁場(chǎng)B感，B感的方向與回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)橛沂致菪P(guān)系，因此可以判斷出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與回路l的繞行方向相反。
大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)的思考與實(shí)踐【3】
摘要：本文從電磁學(xué)課程開(kāi)設(shè)的必要性、電磁學(xué)核心物理思想的提出以及電磁學(xué)中的數(shù)學(xué)物理分析能力的培養(yǎng)等方面闡述了在新形勢(shì)下大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)中如何突出核心內(nèi)容實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，并運(yùn)用于實(shí)踐，取得一定的效果。
關(guān)鍵詞：大學(xué)物理;電磁學(xué);物理思想;物理思維;場(chǎng)
電磁學(xué)教學(xué)一直是大學(xué)物理教學(xué)的重難點(diǎn)，一方面該課程存在知識(shí)較抽象難懂，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn);另一方面課程的新概念多，涉及的數(shù)學(xué)物理方法也多。
加之新形勢(shì)下大學(xué)物理課程受到的各種沖擊，如課程整合、微課、慕課的開(kāi)展等，電磁學(xué)教學(xué)改革迫在眉睫。
近年來(lái)，結(jié)合許多物理教育工作者從電磁學(xué)理論體系、電磁學(xué)數(shù)學(xué)物理方法等多方面提出改革方案[1][2][3]，我校的課程團(tuán)隊(duì)也從電磁學(xué)課程開(kāi)設(shè)的必要性、電磁學(xué)核心物理思想的提取以及電磁學(xué)中的數(shù)學(xué)物理分析能力的培養(yǎng)等方面闡述了在學(xué)時(shí)有限的電磁學(xué)教學(xué)中如何突出核心教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，并運(yùn)用于實(shí)踐，取得一定的效果。
一、充分認(rèn)識(shí)大學(xué)物理中電磁學(xué)教學(xué)的必要性和重要性
近年來(lái)，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)以壓縮學(xué)時(shí)和整合內(nèi)容為實(shí)現(xiàn)手段，給新背景下大學(xué)物理教學(xué)提出了新的考驗(yàn)。
有針對(duì)性地分層分類教學(xué)已經(jīng)打破了傳統(tǒng)體系的完整性，某些類型的大學(xué)物理課程已經(jīng)開(kāi)展了內(nèi)容的大刪除，電磁學(xué)是某些專業(yè)刪除的對(duì)象之一。
電磁學(xué)是研究電和磁相互作用、規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分支學(xué)科。
由于知識(shí)的膨脹，快餐文化的沖擊，經(jīng)典電磁理論被簡(jiǎn)單地認(rèn)為是脫離實(shí)際的概念和現(xiàn)象，定理定律以及復(fù)雜的微積分運(yùn)算的總和，基于學(xué)生學(xué)習(xí)反饋的“難”字，更是加深了對(duì)電磁學(xué)學(xué)習(xí)的誤解。
一方面是因?yàn)楝F(xiàn)有教學(xué)與新形勢(shì)需求之間的矛盾，另一方面是教學(xué)實(shí)施未能體現(xiàn)電磁學(xué)教學(xué)的核心和本質(zhì)。
無(wú)論是教育者還是被教育者都應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)的必要性和重要性。
1.經(jīng)典電磁學(xué)理論的建立過(guò)程確立了電磁學(xué)的重要物理地位。
眾所周知，電磁學(xué)理論的完善和牢固地位的確立經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期。
從早期單獨(dú)電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的研究，到18世紀(jì)中葉發(fā)現(xiàn)了電力和磁力的平方反比定律，到18世紀(jì)末電堆發(fā)明引入的電磁運(yùn)動(dòng)以及之后電流的磁效應(yīng)、歐姆定律、安培定律、電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)，再到19世紀(jì)中期，麥克斯韋建立電磁學(xué)理論，最終確立經(jīng)典電磁理論地位。
麥克斯韋建立的電磁場(chǎng)理論統(tǒng)一描述了各種電磁現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典電磁理學(xué)的大綜合，被人們公認(rèn)為繼牛頓之后學(xué)力學(xué)史上第二個(gè)里程碑式的人物[4]。
電磁學(xué)的學(xué)習(xí)承載了更多物理思想和物理思維方法以及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的，而非僅僅停留在理論學(xué)習(xí)的表面。
2.電磁學(xué)中核心物理思想明確了電磁學(xué)學(xué)習(xí)的重要性。
從經(jīng)典電磁理論的建立過(guò)程和電磁學(xué)理論框架中不難確立兩大核心物理思想。
第一是“場(chǎng)”理論的建立。
關(guān)于近距作用力和超距作用力的爭(zhēng)論，以法拉第的“場(chǎng)線”和“場(chǎng)”的提出打開(kāi)了另一扇理論分析的窗戶，從此在人們眼中物理對(duì)象不再僅僅是肉眼可見(jiàn)的實(shí)物，還多了一個(gè)看不見(jiàn)摸不著無(wú)處不在的場(chǎng)。
通過(guò)電磁學(xué)學(xué)習(xí)，建立“場(chǎng)”理論，初步掌握?qǐng)龌痉治龇椒ㄊ请姶艑W(xué)學(xué)習(xí)的目標(biāo)之一。
第二是電磁統(tǒng)一的物理思想。
人類從單獨(dú)的電現(xiàn)象和單獨(dú)的磁現(xiàn)象開(kāi)始研究，到奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，引發(fā)法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，到激發(fā)麥克斯韋經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的理論推導(dǎo)，提出感生電場(chǎng)和位移電流假設(shè)，最后統(tǒng)一了電和磁，建立電磁場(chǎng)方程。
人們眼中原來(lái)兩個(gè)完全不同的物理現(xiàn)象其內(nèi)涵本質(zhì)卻是一致的，電磁學(xué)理論的建立和學(xué)習(xí)充分體現(xiàn)了物理現(xiàn)象下面本質(zhì)的聯(lián)系。
基于自然界四種基本作用力的大統(tǒng)一理論分析也是科學(xué)家們一直探索的方向。
基于電磁學(xué)中出現(xiàn)的兩大核心物理思想[2]，電磁學(xué)的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。
3.電磁學(xué)中數(shù)學(xué)語(yǔ)言的表達(dá)必然強(qiáng)化高等數(shù)學(xué)基本知識(shí)的理解和應(yīng)用。
電磁場(chǎng)同其他場(chǎng)對(duì)象一樣，共同的特點(diǎn)是無(wú)處不在，即彌散性。
且電磁場(chǎng)是矢量場(chǎng)，具有疊加性。
所以分析場(chǎng)特性、相互作用時(shí)必不可少的數(shù)學(xué)工具是矢量和微積分。
眾所周知，矢量和微積分是高等數(shù)學(xué)中最基本也是最重要的數(shù)學(xué)知識(shí)，多數(shù)大學(xué)生學(xué)完高等數(shù)學(xué)后不能深刻地理解數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)的內(nèi)涵，數(shù)學(xué)課上更加強(qiáng)調(diào)定義和運(yùn)算法則，這就需要在實(shí)際對(duì)象研究中體現(xiàn)這些優(yōu)美的數(shù)學(xué)語(yǔ)言。
大學(xué)物理力學(xué)部分開(kāi)始接觸簡(jiǎn)單的矢量運(yùn)算的重點(diǎn)在一維的微積分應(yīng)用，電磁學(xué)從一維線性向三維空間作了推廣，并且把矢量運(yùn)算和微積分融合，即矢量微積分運(yùn)用較多。
比如通量、電勢(shì)、安培力求解等，并在這些數(shù)學(xué)分析中展現(xiàn)場(chǎng)特有的物理屬性、高斯定理的有源無(wú)源性、環(huán)路定理的有旋無(wú)旋性等。
電磁學(xué)教學(xué)一方面培養(yǎng)學(xué)生的物理思想，還有更重要的一個(gè)方面就是學(xué)會(huì)場(chǎng)理論的數(shù)學(xué)描述，并反哺數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)，提升數(shù)學(xué)與物理現(xiàn)象的互譯能力。
二、改革大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)，真正體現(xiàn)電磁學(xué)中的物理思想
1.以“場(chǎng)”為核心，開(kāi)展大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)。
經(jīng)典電磁學(xué)結(jié)構(gòu)明晰，從靜電學(xué)、靜磁學(xué)到電磁相互作用，最后引出麥克斯韋方程組。
在講授過(guò)程中，一方面延續(xù)傳統(tǒng)知識(shí)體系的講解順序，一方面不斷強(qiáng)化場(chǎng)分析過(guò)程中的特性和方法[5]，形成了特有的知識(shí)體系，強(qiáng)化物理思想，弱化復(fù)雜運(yùn)算。
新知識(shí)體系以“場(chǎng)”為中心，從場(chǎng)的彌散性、疊加性出發(fā)來(lái)分析講解場(chǎng)的基本參量，如電場(chǎng)強(qiáng)度等，分析場(chǎng)與介質(zhì)的作用;從場(chǎng)論的散度和旋度出發(fā)，分析講解高斯、環(huán)路定理，以及電、磁相互作用，最后基于高斯和環(huán)路得出麥克斯韋方程組。
2.重視經(jīng)典電磁學(xué)建立過(guò)程，確立電磁場(chǎng)統(tǒng)一理論。
通過(guò)在進(jìn)入電磁學(xué)學(xué)習(xí)前，引入電磁學(xué)緒論，重點(diǎn)介紹電磁學(xué)發(fā)展和建立過(guò)程。
麥克斯韋如何在庫(kù)侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、湯姆遜、法拉第等人的一系列實(shí)驗(yàn)成果和發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，以其深邃的洞察力和精湛的數(shù)學(xué)知識(shí)建立了完整的電磁場(chǎng)理論體系。
其中奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，打開(kāi)電磁相互作用的研究，到后來(lái)法拉第的電磁感應(yīng)，以及麥克斯韋重要的兩個(gè)概念的假設(shè)，貫穿于此，讓學(xué)生深刻理解科學(xué)家在電磁統(tǒng)一過(guò)程中的創(chuàng)新思維、大膽假設(shè)、科學(xué)實(shí)踐的精神，同時(shí)形成一個(gè)初步的電磁場(chǎng)理論體系。
三、重視大學(xué)物理電磁學(xué)中的物理和數(shù)學(xué)互譯能力的培養(yǎng)
1.場(chǎng)的特性和矢量微積分運(yùn)用。
“場(chǎng)”的彌散性和疊加性決定了場(chǎng)在具體定量分析中的思維方法。
比如，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的求解。
由于場(chǎng)源的不規(guī)則性，將場(chǎng)源先微元化，帶電體微元化為電荷元dq，通電流導(dǎo)線微元化為電流元Idl(矢量)，它們分別產(chǎn)生彌散的電場(chǎng)dE和磁場(chǎng)dB，而每一個(gè)微元產(chǎn)生的無(wú)處不在的場(chǎng)又在同一考察空間位置疊加，故采用積分運(yùn)算。
再比如磁場(chǎng)對(duì)通電流導(dǎo)線的作用，空間形態(tài)的導(dǎo)線在彌散性的磁場(chǎng)當(dāng)中，由于磁場(chǎng)的不均勻，分析安培力需要對(duì)導(dǎo)線先微元化，然后求解該微元導(dǎo)線的微小安培力再積分求和。
諸如此類基于彌散性的場(chǎng)作用分析很多，但是給學(xué)生講解時(shí)，在基本作用原理的基礎(chǔ)上還是要以場(chǎng)彌散性特點(diǎn)為背景，更能體現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算的意義。
“彌散性”特點(diǎn)還體現(xiàn)在一些定性分析中。
同學(xué)們經(jīng)常容易被空間一些實(shí)物限制了思維，把一些“場(chǎng)”“擋”在外面，考慮缺失，疊加的時(shí)候?qū)ξ⒎e分掌握不牢固，加之沒(méi)有充分理解場(chǎng)的“疊加”思想，常常按照例題依葫蘆畫瓢，沒(méi)有充分理解其思維特點(diǎn)。
再如，在研究導(dǎo)體靜電感應(yīng)并平衡的案例中，平衡后導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為零而形成的類似“屏蔽”的效果，這種由于“疊加”出現(xiàn)的零場(chǎng)值和最初場(chǎng)“彌散性”特點(diǎn)往往引起同學(xué)們的誤會(huì)，這也是對(duì)“彌散性”和“疊加性”理解的不足。
因此，在教學(xué)中的各個(gè)環(huán)節(jié)我們應(yīng)反復(fù)多次通過(guò)具體知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)強(qiáng)化“場(chǎng)”的特點(diǎn)。
2.初步建立場(chǎng)理論分析的梯度、散度、旋度的數(shù)學(xué)分析方法。
貫穿整個(gè)電磁學(xué)學(xué)習(xí)的高斯定理(散度)和環(huán)路定理(旋度)揭示了電磁場(chǎng)的更多時(shí)空特性。
靜電場(chǎng)的有源無(wú)旋性，穩(wěn)恒磁場(chǎng)的無(wú)源有旋性都通過(guò)高斯定理和環(huán)路定理得到了體現(xiàn)，加入變化磁場(chǎng)和變化電場(chǎng)(時(shí)變場(chǎng))的影響，最后的麥克斯韋方程組用簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)語(yǔ)言確立了電磁學(xué)統(tǒng)一理論，實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)自然界的又一次綜合[8]。
教學(xué)中，在完成麥克斯韋方程學(xué)習(xí)后，作為“場(chǎng)”對(duì)象的研究，設(shè)計(jì)了對(duì)散度、旋度、梯度三個(gè)場(chǎng)理論研究中的基本物理量的簡(jiǎn)單闡述。
對(duì)比介紹其他如流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)、引力場(chǎng)等類似場(chǎng)研究的共通性，明確作為彌散存在的場(chǎng)在研究上類似的一些思維分析方法。
以電磁場(chǎng)作為載體，讓學(xué)生了解場(chǎng)物質(zhì)研究的基本物理思想和方法，而不僅僅停留在高斯定理和環(huán)路定理以及相關(guān)案例解決的表面，缺乏知識(shí)的高度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。
四、小結(jié)
新形勢(shì)下的大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)任務(wù)艱巨，但是電磁學(xué)特有的物理屬性和物理思維方式，是開(kāi)啟“場(chǎng)”學(xué)習(xí)的大門，如何依托電磁學(xué)學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生能力是物理教育工作者需進(jìn)一步研究的課題，希望通過(guò)我們的思考和實(shí)踐能提供一個(gè)參考，共同促進(jìn)大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)。
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