大學物理與中學物理課程恒定磁場部分的銜接研究

李艷紅

摘要： 根據教育部制定的“高中物理課程標準”和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最新編制的“理工科類大學物理課程教學基本要求”，本文對大學物理教材和高中物理課程標準實驗教材的恒定磁場部分進行了對比，通過分析總結了恒定磁場部分在內容和方法方面的銜接和深入。

關鍵詞： 大學物理中學物理恒定磁場銜接

1.引言

物理學是研究物質的基本結構、基本運動形式、基本相互作用規律的一門自然科學，它的基本理論滲透在自然科學的各個領域，應用于生產實踐中的許多部門，是其他自然科學和工程技術的基礎。在人類追求真理、探索未知世界的過程中物理學展現了一系列科學的世界觀和方法論，不僅物理學的知識對各行各業的工作起到指導作用，物理學的研究方法也被大量應用于其他學科及工程技術的各個方面，物理學在人才的科學素質培養中也具有十分重要的地位［１］。因此，以物理學為基礎的大學物理課程，是高等學校理工科各專業學生一門重要的通識性必修基礎課（大多數高校的文科專業也開設了相應的大學物理課程），是每個科學工作者和工程技術人員，以及管理人員所必備的。

近年來，隨著我國教育改革的推進，非物理類專業大學物理的教學也遇到了一些新問題，其主要表現為以下幾個方面：諸如存在物理教學內容不斷膨脹而學時卻在減少的矛盾，大學的不斷擴招與學生的學習水平的矛盾，以及當前國內的大學物理教材一些內容與中學重復太多或有明顯脫節的問題，等等。要使學生更快地在中學物理的基礎上理解掌握大學物理的學習內容，大學物理課程與中學物理課程的銜接就成為了目前亟待研究的問題。

2.中學物理與大學物理恒定磁場內容的比較研究

2.1中學物理恒定磁場部分的內容標準

高中物理課程標準（以下簡稱“新課標”）的磁場知識在選修模塊選修3-1中，教材包括電場、電路和磁場。新課標在磁場部分的內容標準［2］：

（1）列舉磁現象在生活、生產中的應用。了解我國古代在磁現象方面的研究成果及其對人類文明的影響。關注與磁相關的現代技術發展。

（2）了解磁場，知道磁感應強度和磁通量。會用磁感線描述磁場。

（3）會判斷通電直導線和通電線圈周圍磁場的方向。

（4）通過實驗，認識安培力。會判斷安培力的方向，會計算勻強磁場中安培力的大小。

（5）通過實驗，認識洛侖茲力。會判斷洛侖茲力的方向，會計算洛侖茲力的大小。了解電子束的磁偏轉原理及其在科學技術中的應用。

2.2大學物理恒定磁場部分的內容要求。

教育部2008年頒發的“理工科類大學物理課程教學基本要求”（以下簡稱“要求”）中有恒定磁場部分的內容要求。

2.2.1真空中的恒定磁場

在真空中的恒定磁場中，內容要求有：恒定電流、電流密度和電動勢；磁感應強度：畢奧—薩伐爾定律、磁感應強度疊加原理；恒定磁場的高斯定理和安培環路定理；洛倫茲力；安培定律。

2.2.2恒定磁場中的磁介質

在恒定磁場中的磁介質中，內容要求有：物質的磁性、順磁質、抗磁質、鐵磁質；有磁介質存在時的磁場。

2.3恒定磁場部分“新課標”和“要求”的比較

都涉及了例如磁場、磁感應強度、磁通量、安培力、洛倫茲力等磁場方面的基本概念，以及都要求會計算力的大小，只是要求要掌握的程度不同、計算方法不同；大學物理課程要求有而中學物理沒有的主要是畢奧—薩伐爾定律、磁感應強度疊加原理，恒定磁場的高斯定理和安培環路定理，物質的磁性。

2.4恒定磁場部分高中物理教材和大學物理教材的比較

本文以2007年1月第2版的人民教育出版社的《物理》教材（普通高中課程標準實驗教科書，以下簡稱高中物理教材）和2010年8月第1版的機械工業出版社出版的《大學物理》教材（以下簡稱大學物理教材）進行比較。

在高中物理教材的第二章中的電源、電流、電動勢和電路在大學物理教材中第14章前兩節中均有涉及，其中基本概念只是略微提過，研究方法和內容完全是更深層次；大學物理教材中第14章后四節的內容都是在高中物理教材的第三章磁場中的內容的基礎上進行了更深入的描述，其中就包含新知識：畢奧—薩伐爾定律、磁感應強度疊加原理，恒定磁場的高斯定理和安培環路定理等；而大學物理教材的第15章的內容只是在高中物理教材中提到了一個概念：磁性。

3.大學物理和中學物理在恒定磁場部分的銜接和深入

3.1真空中的恒定磁場部分的銜接及深入

這一部分在中學和大學聯系最主要的是磁感應強度這一塊。在中學是用理想條件下的探究實驗得出的結論：三塊相同的條形磁鐵并列的放在桌上，認為它們中間的磁場是均勻的，將一根直導線的水平懸掛在磁鐵的兩級間，導線的方向與磁場的方向垂直。保持磁場不變，改變電流強度和導線在磁場中的長度其中的任一條件，觀察導線的受力情況。經過多次試驗，得出安培力公式F=BIL，式中的B與電流和導線長度無關，但在不同的情況時B的值是不同的。而B正是能夠表征磁場強弱的物理量——磁感應強度B=［3］，安培力是洛倫茲力的宏觀變現，帶電量q的粒子在均勻磁場中與磁場方向垂直以速度v運動，得出B=。方向由左手定則判定。在高等物理中，磁場對外的重要表現是磁場對引入場中的運動的試探電荷的作用。實驗發現如果電荷在一點沿著與磁場方向垂直的方向運動時所受磁力最多F，而這個力正比于運動試探電荷的電荷量q，也正比于電荷運動的速度v，但比值卻在這點具有確定的量值，而與運動試探電荷的qv值的大小無關。這樣可引入磁感應強度（矢量B），大小可定義為B=。改點磁場的方向就是磁感應強度的方向［４］。在接下來的任一點電場強度的求解方面上就仿照靜電場的方法引入了畢奧—薩伐爾定律d= （正電荷）。在關于洛倫茲力的數學表達式上，當帶電粒子運動方向與磁場方向平行時受力為0；當帶電粒子運動方向與磁場方向垂直時它所受的磁場力最強F，F=qvB；一般情況下帶電粒子運動方向與磁場方向夾角為θ，此時F=qvBsinθ，根據右手定則確定洛倫茲力的矢量表達式為=q×（正電荷），負電荷的方向正好相反。

3.2恒定磁場中的磁介質部分的銜接及深入

關于磁性在高中物理中只是簡單地提到物理被磁化后物體擁有磁性，簡單地根據物體磁化的容易程度劃分了順磁質和抗磁質。在大學物理課程中，因為磁化后的介質會激發附加磁場，從而對原磁場產生變化得=+。根據相對磁導率μ的大小將磁介質分為四類：抗磁質（μ＜1），附加磁場磁感應強度與外磁場磁感應強度反向相反，磁介質內的磁場被削弱；順磁質（μ＞1），附加磁場磁感應強度與外磁場磁感應強度反向相同，磁介質內的磁場被加強；鐵磁質（μ?垌1），磁介質內的磁場被大大加強；完全抗磁體（μ=0），磁介質內的磁場等于0（如超導體）。然后根據疊加后的磁場和前面推導的公式進行不同的應用。

4.結語

通過分析大學物理教材和高中物理課程標準實驗教材，我們知道，中學物理注重對知識的探究，大學物理靜電場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，應用不同的方法，如微積分知識和矢量代數知識，把中學常用的在勻強磁場的結論推導到一般的靜磁場中，并且為電磁場理論打下基礎。

參考文獻：

［1］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.北京：高等教育出版社，2008.

［2］中華人民共和國教育部制定.普通高中物理課程標準（實驗）.

［3］張大昌，彭前程等.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1.人民教育出版社，2007.

［4］尹國盛，楊毅.大學物理（上冊）.北京：機械工業出版社，2010.