浅谈大学物理课程的课堂教学
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第26卷第6期凯里学院学报V ol.26N o.6 2008年12月Journal o f Kaili U niversit y Dec.2008浅谈大学物理课程的课堂教学杨亚碧(贵州民族学院物理与电子信息科学学院,贵阳550025)摘 要:从建立清晰的物理概念、理想模型的建立、微分思想在物理学中的应用、物理解题及目的等方面对大学物理课程的课堂教学进行探讨.关键词:物理概念;理想模型;微分思想中图分类号:G64 42 文献标识码:A 文章编号:1673 9329(2008)06 0030 03物理学是研究物质的基本结构、相互作用、基本运动形式及其转化规律的自然科学.它的基本理论渗透于自然科学的各个领域,应用于生产技术的许多方面,是其他自然科学和工程技术的基础, 大学物理因此成为了理工科大学生的重要基础课.物理教育是培养学生科学素质的教育. 大学物理课程的教学目标在于让学生对物理学的基本概念,基本规律,基本方法有比较全面、系统的认识和正确的理解,为进一步的学习打下坚实的基础.在 大学物理课程教学的各个教学环节中,都应在传授知识的同时,注重分析问题和解决问题能力的培养,注重学生探索精神和创新意识的培养,实现学生知识、能力、素质的协调发展[1].1 建立清晰的物理概念概念是反映客观事物本质的或事物特有属性的一种抽象,是在大量观察的基础上应用逻辑思维的方法,把一些事物的本质的基础特征集中起来加以概括而形成的.物理学的发展表明,只有从大量同类物理现象与物理过程中抽象出科学的物理概念,人们才能对纷繁复杂的物理世界分门别类地进行研究,并做出简洁而概括的描述.例如,当机械运动、速度、加速度、惯性、力、质量等概念建立后,才能探索运动规律,形成科学的力学;当电路、电压、电阻、电场、磁场等概念建立起来后,才可能研究电路、电磁场运动的规律,从而发展起电磁学,所以物理概念是物理科学体系中最基本的单元.物理基础知识内容中的公式、定律、原理,无一不是反映有关物理概念之间的相互联系及严格的数量依从关系的,例如p=FS ,E=FQ,W=QU等等.由此可见,物理概念在物理基础知识中有着重要的地位,这个地位决定了它是学好物理基础知识的基础,是学好物理基础知识的台阶.例如,固体压强的概念是学生进一步学习认识液体压强、气体压强、浮力、气体定律、热机工作原理的基础与台阶.教师在教学中,讲清固体作用力和支持面的概念之后,用观察和实验的方法,抽象出与作用力、支持面有联系的压强概念之后,只要学生真正弄清这个概念的内涵,那么对概念的外延就能独立地认识和发展.比如液体压强的产生是液体的重力所致,从而导出p= gh的计算公式 气体压强是气体分子对器壁碰撞所致,讨论每个分子对器壁产生的压强意义不大,就大量分子而论,碰撞时作用在容器壁上的作用力与容器壁面积之比就是气体对器壁的压强,如果学生对两力平衡的概念是清楚的,很快就可掌握计算容器中气体分子的压强,可用外界加给的压强来计算,至于相关的其他定律就可迎刃而解了.概念的模糊,是 误人子弟的病毒,因此,教学中中应特别注意概念的准确性.并注意同一概念在不同学习阶段表达的层次性.例如,电场强度的概念,以比来定义电场强度E=FQ,中学已有之,常用理想实验引入.教学中应进一步讲述,(1)E是描述带电体周围的电场的物理量,它是空间的矢量点函数,离散的场每一点都有一个E对应.(2)E是从力的角度来描述电场的物理量,它只是借用了力而不是力,不需要受力物.(3)为什么可以这样定义,讲清这是由库仑定律,叠加原理决定的,不论求和还是积分,F总是和Q的一次方成正比,比值可反映该点电场的特点.又如电源电动势的定义为移动单位正电荷非静电力所作的功,学生在学习中往往会误认为有功才有电动势,因此在讲解电动势的概念时,应说明* 收稿日期:2008 10 10作者简介:杨亚碧(1962 ),女,贵州民族学院物理与电子信息科学学院副教授.电动势是反映电源能力的物理量,什么能力?把其他形式的能量转化为电能的能力,它是非静电力移动电荷所做的功(即转化的能量)与移动电荷的电量的比,既然反映的是能力,应与是否移动电荷,移动电荷的电量大小,正负等无关,也就是说,不移动电荷,不作功,仍然有电动势.2 理想模型的建立物理学所要解决的问题往往是很复杂的,例如地球一面绕太阳在公转,一面绕自身的转轴在自转,它受到太阳强大的引力作用,也受到其他行星和月球较弱的引力作用,在这同时,地面上各物体又相对于地面在不停地运动着,如大气流动形成的风,江河中的水流,大海的潮汛等,处理如此复杂的运动问题,必须分清主次,抓住主要因素,建立一定的简化模型,在弄清一些基本的典型问题的基础上,逐步深入地分析、解剖更为复杂的实际问题.例如,任何物体都有一定的大小、形状、质量和内部结构,即使是很小的原子、电子以及其他基本粒子也不例外 一般地说,物体运动时,其内部各点的位置变化常是各不相同的,而且物体的大小和形状也可能发生变化;但是,如果在我们所研究的问题中,物体的大小和形状不起作用,或者所起的作用并不显著又可以忽略不计时,我们就可以近似地把这个物体看作是一个具有质量而没有大小和形状的理想物体,称为质点 例如,研究地球绕太阳的公转时,由于地球的平均半径比地球与太阳间的距离小得多,地球上各点相对于太阳的运动可视为相同.这时,就可以忽略地球的大小和形状,把地球当作一个质点;但是,在研究地球的自转时,如果仍然把地球看作一个质点,显然就没有实际意义了.由此可见,一个物体是否可以抽象为一个质点,应根据问题的不同情况决定.几百年来,人们对天体运动的研究证明,把天体看成质点能够正确地解决不少问题,所以,把物质看作质点的抽象方法是有很大的实际意义的[2].概括起来说,当物体的形状、大小与所研究的问题无关,或者其形状、大小对运动的影响很少,可以忽略不计时,我们将不考虑物体的形状和大小,而把它看成为一个点,并认为整个物体的质量和某些物理属性都集中在这个点上,这样抽象化了的模型就称为质点.虽然质点只能代表比较局限的一类运动物体,但是研究质点的运动有着更普遍的意义 在力学问题中,如果一物体的线度与它的运动范围相比不算很小,它的转动、变形不能忽略时,质点这个概念对它并不适用,这时,我们可以把这个物体分割成许多小块,使每小块的线度小到在这个问题中能满足质点的条件,这样就可以把任意形状和大小的物体都看成是一大群质点的集合,而研究质点运动的方法也就可以作为研究这一物体运动的出发点[3].又如,有些物体各部分之间的距离变化很小,因此它的形变可以忽略,而把它看成是形状和大小都不改变的物体,这种简化了的模型称为刚体.质点和刚体是两个常用的力学模型.物理学中还有理想气体、点电荷、完全弹性体等模型,它们都是实际物体在一定条件下的抽象.把复杂的具体的物体用简单的抽象的模型来代替,这样可以简化它的条件,突出它的主要矛盾,找出其中的规律,因此这是一种重要的科学分析方法.在物理学课程的教学中,应使学生逐渐熟悉这种分析问题的方法.3 微分思想在物理学中的应用微分方法是研究物理问题的常用方法,一般说来,某一物理量发生连续而不均匀变化时,直接选整体或整个过程无法求解,这时必须应用微分方法.例如,有一质点在变力F的作用下,沿任意曲线从P点运用到Q点(如图1所示).求在此过程中变力F对质点所做的功,由于F是变力,为此,我们要把总位移 r分解成很多微小的位移元d r,在每个位移元d r内,可认为F是恒定的,所以F 所作的元功可以表示为d A=F!d r=F co s d s.图1式中是d r与F之间的夹角,d s是与d r相对应的路程元.当元位移d r取得无限小时,它的模与d s 相等.在质点从点P到达点Q的过程中,力F对质点所作的总功则可表示为[4]A=∀Q P d A=∀Q P F!d r =∀Q P F cos d s.图2又如,一半径为r的圆形线圈通以电流I,位于磁感应强度B的匀强磁场中,当线圈平面与磁场方向平行时,求磁场对该圆形载流线圈的力矩.我们可以设想把圆分成若干细条,当每条的宽!31!第6期杨亚碧:浅谈大学物理课程的课堂教学度足够细的时候,可以把这一图形当作是矩形,并把每一矩形都看成是一个通有电流I的线圈,由于相邻两个矩形边上的电流效应都相互抵消,所以这许多狭长的矩形加起来就相当于整个线圈(如图2),磁场对整个线圈的力矩也就等于磁场对每一狭长的矩形线圈的力矩之和.假设第i个矩形的面积为S i,则磁场对它的力矩为M i=BI S i,所以整个圆形线圈所受的力矩是为M=#i M i=BI#i S i= BI S=BI!r2 这种 割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣的朴素微分思想,在我国古代被称为 割圆术.我们可以应用这一重要的思想方法,用已知的,可求的来逼近未知的,要求的.不论研究什么形式的运动总可以把变化过程加以分割,在局部上 以不变代变使之简单,在整体上以 近似代替 精确,把变量暂时地 僵化为常量,便于从 常量的研究中探求解决变量问题的途径.这种思想方法在物理学中广泛应用,所以在教学过程中应让学生体会这种思想方法,并进一步引导学生运用这一思想方法去解决一些实际问题.4 物理解题的方法及目的要学好大学物理,独立认真地做一定量的习题非常必要.通过习题,不但可以帮助学生复习和巩固所学的知识,而且可以对其加深理解,扩大学习的知识面,达到培养学生运用所学原理解决实际问题能力的目的.为了提高学生分析问题和解决问题的能力,每介绍完一章的内容,都应总结该章所学的主要物理概念,物理规律和主要公式,讲解相应的例题.在求解例题之前,首先对题目进行定性的物理分析,分析题意、分析涉及的概念和过程.通过分析判定问题的性质,明确物理量之间的关系,确定解题的关键,正确选择对应的物理规律,指出用该定理解题应注意的问题,确定解题的步骤和方法[5].比如学习安培环路定理∀(L)∀!d l=#0#i I i时要注意:1.#iI i是闭合曲线内电流的代数和,而线积分中的B则是闭合曲线内电流的磁场和闭合曲线外电流的磁场的共同效应.2.当#i I i=0时,B 矢量对闭合曲线的线积分等于零,但曲线上各点的B可以不等于零.其解题步骤为:(1)分析磁场的分布,判断能否用安培环路定理求解.(2)取积分环路.为了能通过∀∀!d l求得B,积分环路的选择应满足下列条件:(a)闭合曲线必须通过所求的点.(b)整个曲线上B的方向与曲线处处相切,曲线上B的数字处处相等.或者该曲线的一部分满足上述条件,而其他部分处的B与曲线垂直.又如计算电位的方法有两种:(1)由电位的定义求电位分布.电场中P,Q两点的电位差为U pQ=∀Q P E!d l,在用该式进行计算时要注意以下几个方面:(a)为了使计算简便,根据积分与路径无关,可以选取适当的积分路径,一般总是使E与d l的方向夹角∃=0,!2或!.(b)由于不同空间区域内场强分布的具体函数形式可能不同,这种情形需要分段积分.(c)空间电场中电位的绝对值与电位零点选取有关,一般说来在带电体是有限大的问题中,可选无穷远处为电位的零点.若带电体为无限大,则选带电体上电位为零.(2)用点电荷的电位和电位迭加原理求.已知点电荷电场中某点的电位为U P=Q4!%1r,根据迭加原理,点电荷系电场中的电位为U P=#n i=114!%Q ir i,若带电体是连续分布的,则U P=∀∃Pd Q4!%1r,由于U是标量,电位迭加是标量迭加,比计算场强时的矢量迭加要简单得多.在计算U P=∀∃Pd Q4!%1r时,要注意r是表示产生电场的源点到场点的距离,在迭加时各个r的坐标可能不一致,运算时要把它们统一在一个坐标系中表示.在解完每道例题之后,通过 说明的形式总结归纳在求解过程中所涉及到的解决实际问题的方法和技巧,讨论在实际问题中所表现出的各种物理规律和结论.通过 分析可以加深对基本内容的理解,提高分析和判断问题的能力.根据笔者多年的教学实践经验,在大学物理课程的教学中应加强以上四方面的训练,使学生对物理学的基本概念、基本规律、基本方法有比较全面、系统的认识和正确的理解,为进一步的学习要下坚实的基础.参考文献:[1]王莉,张晓.大学物理学习指导与解题指南[M].北京:机械工业出版社,2005.[2]程守洙,江之永.普通物理学[M].北京:人民教育出版社,1982.[3]复旦大学%物理学&编写组.物理学[M].北京:高等教育出版社,1985.[4]刘克哲.物理学[M].北京:高等教育出版社,1999[5]张孝林,徐忠锋.大学物理典型题详解[M].北京:科学出版社,2003.[责任编辑:潘志清]!32!凯里学院学报第26卷。