普通物理中的“學科結構”

田國瑞

(揚州職業大學電子工程學院　江蘇 揚州　225009)

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普通物理中的“學科結構”

田國瑞

(揚州職業大學電子工程學院江蘇 揚州225009)

用圖示法分析討論了普通物理中的“學科結構”，并作了適當的解釋，對教師的教學和學生的學習具有一定的參考價值．

普通物理學學科結構普通物理教學

1　引言

普通物理學包括力學、熱學、電磁學、光學、近代物理學5個部分，在普通物理教學中，既有理論教學，又有實驗教學．在教學中，教師必須從總體結構上對各部分有所把握才能根據教學大綱更好地處理教材，突出重點、突破難點，上好每一堂課．因此，整個教學過程就是從具體到一般，然后從一般到整體的過程．對于讀書來說，就是先從薄到厚，然后再從厚到薄的過程，厚積而薄發，從而形成一個良好的知識-技能結構．

2　《力學》的學科結構

力學的學科結構如圖1所示.

圖1　力學結構圖

它的基礎是牛頓力學三定律，既有靜力學、運動學、動力學、動量定理、動能定理、角動量定理和3個守恒定律，又有時空變換和應用與延伸[1]．其中，研究力對空間的累積作用，從而引出功和能(動能、勢能)及保守力與非保守力的概念，以及動能定理、功能原理和機械能守恒定律．研究力對時間的累積作用，從而可得出質點動量定理和質點系的動量定理和動量守恒定律．對力矩進行討論可得角動量定理和角動量守恒定律．

質點、質點組、剛體等是理想模型，而對于理想與現實的矛盾可由圖2來說明．

圖2　理想模型示意圖

如果物體的大小和形狀的改變不能忽略，我們就必須把它作為變形體處理，變形體一般可以分為彈性體和流體兩類．一般地說，固體是彈性體，液體和氣體是流體，固體可以分為晶體、準晶體和非晶體3類，晶體本身又可分為單晶體和多晶體，而具有單一完整周期性的單晶體稱為理想晶體．當外力除去后，物體能夠完全回復原來的狀況，又稱為理想彈性體．理想液體就是絕對不可壓縮而又沒有黏滯性的液體．

3　《熱學》的學科結構

熱學的學科結構如圖3所示[2]，它由宏觀理論、微觀理論和物性學3部分組成．其中宏觀理論包括熱力學4個定律，是平衡態熱力學和非平衡態熱力學的基礎，微觀理論包括氣體分子運動論和氣體內的輸運過程，它所對應的統計物理結構圖如圖4所示[3]．

物性學部分包括實際氣體、液體、固體、相和相變．而理想氣體作為模型既可以用于討論宏觀理論，又可以用于討論微觀理論．當然，我們也可以運用范德瓦爾斯氣體模型等來研究實際氣體．

圖3　熱學結構圖

圖4　統計物理結構圖

4　《電磁學》的學科結構

電磁學的學科結構如圖5所示[4]，它包括靜電場、靜磁場、渦旋電場假設、位移電流假設和電磁場，各部分由矢量分析公式表示，其中電磁場部分由麥克斯韋4個方程組成．在有介質存在時，E和H都和介質的特性有關，麥克斯韋方程組是不完備的，需補充描述介質性質的方程．如：D=εE，B=μH，j=σE 式中ε，μ和σ分別為介質的介電常數、磁導率和導體的電導率．

圖5　電磁學結構圖

5　《光學》的學科結構圖

現在對于全部光學現象的理論解釋是有麥克斯韋電磁場理論和量子理論聯合得出的．光學的學科結構圖如圖6所示[5]，它由光的電磁場理論、波動光學、幾何光學、相對論光學、量子光學和現代光學組成，其中波動光學包括光的干涉、衍射和偏振．波動光學中把光看成電磁波，幾何光學不考慮光的波動性，而只根據光能量沿著光線傳播的概念來處理問題．

圖6　光學結構圖

6　《近代物理學》的學科結構

近代物理學的學科結構如圖7所示，它包括原子分子物理、原子核物理、粒子物理和天體物理及固體物理等[6]，它們是建立在以量子論和相對論為標志的研究物質的結構、運動和相互作用的各種理論及實驗方法之上的．

圖7　近代物理學結構圖

7　師專物理系的普通物理教學

在普通物理教學中，教師起著關鍵的作用，俗話說“臺上一分鐘，臺下十年功”，教師所在的院系中的地位和作用也是值得分析和討論的．圖8是某師專物理系各教研室的結構圖，其中包括普通物理教研室及各教研組和大學物理實驗室和各實驗分室．

圖8　某師專物理系各教研室的結構圖

立足于普通物理可見， 在計算物理方面可以用MATLAB來求解普通物理中的習題等[7]，也可以實現從普通物理到理論物理的過渡，及搭起從“電磁學”到“電路分析基礎”的橋梁，以及建立起普通物理與中學物理之間的聯系及提高．它既有縱向聯系又有橫向聯系，是一個有機的整體．

8　結束語

學科結構只是對各學科的總體上的分析，各知識結構的形成還須不斷地積累和升華，因此，還可以在各個層次上進行分析，從而形成一個完備的體系．

1查有梁.牛頓力學的橫向研究.成都:四川教育出版社，2014.75

2黃淑清,聶宜如,申先甲.熱學教程.北京:高等教育出版社，1987

3郝柏林.中國大百科全書(物理學)-統計物理學.北京:中國大百科全書出版社，1987.1028～1035

4石開屏,張傳坤,吳玉喜.大學物理專題選講(電磁學).南京:江蘇教育出版社，1988.4～10

5鄭玉祥,陳良堯.近代光學.北京:電子工業出版社，2011

6徐克尊,陳向軍,陳宏芳.近代物理學.合肥:中國科學技術大學出版社，2008

7鐘季康,鮑鴻吉.大學物理習題計算機解法——MATLAB編程應用.北京:機械工業出版社，2008

Subject Structure in General Physics

Tianguorui

(School of Electronic Engineering,Yangzhou Polytechnic College,Yangzhou，Jiangsu225009)

With graphic method analysis to discuss the subject structure of general physics,and the appropriate explanation,to teacher's teaching and student's study has certain reference value.

general physics；the discipline structure；general physics teaching

2016-03-01)