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理工科学生学习大学物理的重要性理工科的学习与研究发展都是以自然科学为基础，而自然科学中最基础的学科便是物理。
化学中反应的进行源于物理性质的改变，生物体的各种机能体现着物理规律，建筑物的性能构造、机械的运转也与物理息息相关...可以说所有理工学科都离不开物理知识的应用。
因此，物理成为了几乎每位理工科学生的必修课。
大学物理可以说是中学物理的延伸扩展，在中学物理的基础上加入了更深刻本质的知识，特别是将高等数学微积分的思想方法引入大学物理，即扩宽了知识面，同时也为解决物理问题提供了更好的方法，解决了许多用简单运算不能解决的物理问题，极大地增加了物理的应用范围。
不仅如此，大学物理还为我们学习其他专业基础课程提供了帮助，加深了我们对这些课程的理解，如大学物理中讲述的热学内容为我们学习物理化学打下了较好的基础，下面以大学物理和物理化学中讲述热力学第一定律的不同为例说明：大学物理表达物理化学表达区别联系表达式Q=ΔE+A ΔU=Q+W ΔU=ΔE，W=-A，dA=pdv,Δw=-P amb dv 虽然表达方式不同但本质一样定体摩尔热容（摩尔定容热容）C V=TQddV=2iR(理想气体)C,m v=n1×TQddV大学物理重点讨论理想气体的性质，物理化学讨论范围较广定义相近定压摩尔热容（摩尔定压热容）C p=TQddp=R+C VC m p,=n1×dTd Q p同上同上从上表可以看出，虽然讲的都是热力学第一定律，物理化学是在大学物理讨论的内容上的扩展，可见大学物理的学科基础性。
大学物理实验教学的重要性物理实验是大学物理教学中不可或缺的一部分，其重要性不可忽视。
通过实验，学生能够亲自动手操作，观察自然现象，并利用科学方法进行数据记录和分析，从而加深对物理原理和概念的理解。
本文将从动手操作的重要性、实践能力的培养和科学精神的培养三个方面来阐述大学物理实验教学的重要性。
一、动手操作的重要性大学物理实验教学鼓励学生亲自动手操作实验设备，进行实验操作。
这种亲身参与不仅能够提高学生的兴趣和参与度，还能够帮助他们更好地理解和掌握物理原理。
首先，动手操作可以帮助学生更直观地感受和理解物理现象。
在实验中，学生可以亲眼目睹实验现象的发生，通过观察和测量，他们能够直接感受到物理规律和概念在实际中的应用。
其次，动手操作可以培养学生的实践动手能力。
物理实验需要学生动手操作实验仪器、进行数据采集和处理等一系列实际操作。
通过不断地实践，学生能够提高操作技能，培养实验思维和实践动手能力。
最后，动手操作可以培养学生分析问题和解决问题的能力。
在物理实验中，学生需要根据实验现象设计实验方案、分析实验数据，并得出结论。
这种实验设计和数据分析的过程，能够锻炼学生的思维能力和问题解决能力。
二、实践能力的培养大学物理实验教学不仅要重视学生对物理知识的掌握，更要注重培养学生的实践能力。
实践能力是学生在解决实际问题时，运用所学知识进行实践操作和分析的能力。
首先，物理实验能够培养学生的实验设计和方案制定能力。
在实验过程中，学生需要通过分析实验目的和要求，设计和制定实验方案。
这种实验设计能力不仅要求学生对物理知识的掌握，还要求他们能够将所学知识应用到实际问题中。
其次，物理实验能够培养学生的数据采集和处理能力。
在实验中，学生需要熟练掌握各种实验仪器的使用方法，准确地测量和记录实验数据，并进行数据处理和分析。
这种数据采集和处理能力是学生进行科学研究和实践工作的基础。
最后，物理实验能够培养学生的实验结果分析和结论得出能力。
在实验结束后，学生需要对实验数据进行分析，通过比较和推理，得出科学结论。
物理图像的功能及运用作者：黄芳琳来源：《理科考试研究·高中》2015年第09期随着信息化社会的快速发展，“图”成为人们交流和解决问题的重要方式，纵观高考物理题，几乎每个题目都有配图，本文首先分析图像的教育功能，接着就如何发挥其正面的教育价值谈几点笔者的看法，望能有助于教学实践.一、物理图像的教育、教学功能物理图像作为学生在物理学习过程中不可缺少的一种图像，其教育功能有如下几个：1.增强教学的视觉效果“绘画是一种描述.” 通过物理图像能够将抽象的物理模型和用语言难以描述的情境形象化，有利于操作意象，提取存储在学生头脑中的物理知识和规律.平时地教学有意识地渗透图像法，能够促进学生看、想、画能力的有效提高.2.物理图像有助于提升创造性思维在解决问题的过程中，尤其是复杂的物理问题，常规做法没办法解决的，我们借助于图像法可以很快地解决，有助于提升学生的创造性思维.例如，带电粒子在交变电场中的运动，由于情景复杂，如果直接用函数演绎耗时且容易出错，如果对应着U-t图作v-t图，再借助于图像信息求参量，斜率与加速度相对应，围成的面积与位移相对应，找到情境中的限定条件，从临界出发，问题迎刃而解.3.有助于学生审美情趣的提升图形有着形象、直观的特点，不仅如此，同一幅图像从不同的视角去观察，形成的视觉效果和表现力也不一样，分析图像或作图的过程中，需要学生将物理量之间的关系融会贯通，还需要学生有一定的空间想象能力，从图形出发得到信息，发挥想象联系规律，能够增强学习动机，感悟图像的美.二、图像在高中物理教学中的运用1.借助于图像帮助学生理解物理概念抽象的概念形象化，如力的示意图，有了力的示意图，一个带有箭头的线段帮助学生将抽象的力形象化的表示出来.再例如，在人教版选修3-4中，教材中给的波长的概念文字叙述较长，学生往往容易出现理解上的障碍，此时我们只要把图像画出来（如图1所示）就一目了然了.[TP9GW28.TIF，BP#]2.借助于图像促进规律的理解图像可以令物理过程形象化，例如牛顿第一定律教学，我们和学生讲伽利略理想斜面实验，如果空讲学生难以理解伽利略理想斜面实验的科学性，但如果我们首先用“记忆小球”和“光滑轨道”给学生演示伽利略理想斜面实验，然后在此基础上将示意图投影出来，让学生直观地看到物理过程，学习效果自然很好.3.借助于图像解决复杂物理问题进入高中，有很多学生感觉物理难！根本原因在于对物理过程分析难以到位，不过借助于图像就可以将问题简化.例如，上海物理2008年高考题，运动员跳伞这样一个复杂的、实际运动过程，如何求整个过程人的位移呢？从图像（如图2所示）出发，借助于图像法可以估算位移.[TP9GW29.TIF，BP#]再例如，2006年全国卷（Ⅰ）的第24题，是传送带问题，传送带问题在2014年江苏物理高考题中更是作为压轴题出现.下面我们以2006年全国卷（Ⅰ）的第24题为例，就如何借助于图像处理问题进行分析.[TP9GW30.TIF，Y#]（1）分析物理过程如图3所示：首先和学生分析物理过程，规范地作出过程图如图3所示，将相对位移表示出来.（2）构建函数图象如图4所示：要求学生借助于三角板或直尺，将煤块和传送带的速度时间图像作出来，并注意美观.学生作出图后，从“v-t图如何求位移？”这个问题出发，学生透过图4，很清晰地看到图像中阴影部分的三角形面积即为煤炭在传送带上留下的黑色痕迹，将物理问题的解答变成了简单的数学问题.[TP9GW31.TIF，BP#]4.借助于图像提高学生的实验能力高中物理教学不可缺失“实验”，实验课离不开图，原理图，数据处理图等等都直接关系到实验教学的质量.例如，人教版必修一中的“探究小车速度随时间变化的规律”实验，对于纸带的处理，可以借助于平均速度公式求瞬时速度，然后再作出v-t图求斜率则是加速度，当然还可以直接将纸带进行剪接摆放如图5所示，中点连线画出v-t图求加速度.。
非线性动力学相图意义非线性动力学相图是研究非线性动力系统中各种运动状态的定量和定性规律，特别是运动模式演化行为的科学。
一般认为，随时间而变化的工程、物理、化学、生物、电磁，甚至天体、地质系统都可称为动力系统。
如果这些变化是用非线性方程（包括常微、偏微、代数等方程）描述，则称为非线性动力系统。
非线性方程的求解方法远没有线性方程那样完善，所以非线性动力学相图的发展较晚。
天然沙质海岸及河床上存在着不同形式的床面形态,其运动变化受床面附近推移质泥沙的运动特性所决定.从床面层内推移质集体运动出发,探讨了推移质运动过程的非线性动力学相图特性,发现泥沙起动,推移质平衡输沙以及床面形态由平整到沙纹及沙垄等不同发展阶段,受推移质运动过程的非线性动力特征所决定,它们分别对应于推移运动过程中的不同非线性状态.通过与法国夏都水利实验室床面形态试验比较,进一步证明:"床面形态从平整到沙垄的演化与否"由推移质泥沙运动过程的突变特性所决定,"突变分界线"是平整床面与沙纹及沙垄床面的分界曲线。
英译：Nonlinear dynamic phase diagram is a science to study the quantitative and qualitative laws of various motion states innonlinear dynamic systems, especially the evolution behavior of motion modes.It is generally believed that engineering, physics, chemistry, biology, electromagnetism, even celestial bodies and geological systems that change with time can be called dynamic systems. If these changes are described by nonlinear equations (including ordinary differential, partial differential and algebraic equations), they are called nonlinear dynamic systems. The solution method of nonlinear equation is far from perfect as that of linear equation, so the development of nonlinear dynamic phase diagram is late.There are different forms of bed forms on the natural sandy coast and river bed, and their movement changes are determined by the movement characteristics of bed load and sediment near the bed Starting from the collective movement of bed load in the bed surface layer, the nonlinear dynamic phase diagram characteristics of the bed load movement process are discussed. It is found that the different development stages of sediment initiation, bed load equilibrium transport and bed surface morphology from leveling to sand ridges and ridges are determined by the non-linear dynamiccharacteristics of the bed load movement process, which correspond to different nonlinear states in the process of bed load movement Through comparison with the bed surface morphology test of the French Xiadu water conservancy laboratory, it is further proved that "the evolution of the bed surface morphology from leveling to sand ridge" is determined by the sudden change characteristics of the bed load sediment movement process, and the "sudden change boundary" is the boundary curve between the flat bed surface and the sand ridge and the sand ridge bed surface.。
大学物理波动光学摘要：波动光学是大学物理课程中重要的组成部分，主要研究光的波动性质及其在介质中的传播规律。
本文主要介绍了波动光学的基本概念、波动方程、干涉现象、衍射现象、偏振现象以及光学仪器等，旨在为读者提供系统的波动光学知识，为进一步学习和研究打下基础。
一、引言波动光学是研究光波在传播过程中所表现出的波动性质的科学。
光波是一种电磁波，具有波动性、粒子性和量子性。
波动光学主要关注光的波动性质，研究光波在介质中的传播、反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。
波动光学在科学技术、工程应用、日常生活等领域具有广泛的应用，如光纤通信、激光技术、光学仪器等。
二、波动方程波动方程是描述波动现象的基本方程。
光波在真空中的传播速度为c，介质中的传播速度为v。
波动方程可以表示为：∇^2E(1/c^2)∂^2E/∂t^2=0其中，E表示电场强度，∇^2表示拉普拉斯算子，t表示时间。
该方程描述了光波在空间和时间上的传播规律。
三、干涉现象1.极化干涉：当两束相干光波在空间某点相遇时，它们的电场矢量方向相同，相互加强，形成明条纹；当电场矢量方向相反，相互抵消，形成暗条纹。
2.非极化干涉：当两束相干光波在空间某点相遇时，它们的电场矢量方向垂直，相互叠加，形成干涉条纹。
四、衍射现象衍射现象是光波传播过程中遇到障碍物或通过狭缝时产生的现象。
衍射现象的本质是光波的传播方向发生改变，使得光波在空间中形成干涉图样。
衍射现象可以分为菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两种：1.菲涅耳衍射：当光波通过狭缝或障碍物时，光波在衍射角较小的情况下发生的衍射现象。
菲涅耳衍射的衍射图样与狭缝或障碍物的形状、大小以及光波的波长有关。
2.夫琅禾费衍射：当光波通过狭缝或障碍物时，光波在衍射角较大的情况下发生的衍射现象。
夫琅禾费衍射的衍射图样与狭缝或障碍物的形状、大小以及光波的波长有关。
五、偏振现象偏振现象是光波在传播过程中，电场矢量在空间某一方向上振动的现象。
偏振光具有方向性，其电场矢量只在一个特定方向上振动。
浅谈实验大学物理教学中的重要作用浅谈实验大学物理教学中的重要作用摘要：随着教育改革制度的不断加大高等学校的学生综合素质水平不断的提高，其中大学物理实验课在理工类的大学生中扮演着越来越重要的角色。
在我国大学物理实验是一门入门级的必修课程，它对提高学生们的探索精神、求知精神和创新精神发挥了不可取代的作用。
关键词：实验大学物理教学作用大学物理是高校专业根底学科，大学物理实验在物理教学中发挥着重要的作用。
在大学物理实验教学中，学生通过实际的动手操作和亲身实践，能够激发学生的探索精神和团队合作意识。
本文主要从大学物理实验教学现状分析、如何发挥物理实验教学在培养学生实验探究能力中的作用以及对教师重视物理实验教学的重要性和培养学生的实验能力的建议三个方面来对大学物理教学的重要作用进行了分析。
一、大学物理实验教学现状分析1、在现在的大学物理实验课上学生们只是形势的去进行实验，在实验之前大多数的学生都以知道所要进行实验的实验结果。
因此，学生们在做实验是只是根据老师的做法去机械的完成就可以。
这样就失去了实验课本身的意义，很难激发出学生们的创新意识和独立思考的能力。
2、在大学物理的实验课中还是传承了传统的教学模式，老师在上边讲学生在下边听。
在讲课的过程中老师有时会把实验过程亲自演示一遍，这样的话学生们早就知道了实验结果对动手操作失去了兴趣。
失去独立思考的能力后学生们只能机械的进行实验操作，有的时候学生们根本不清楚实验的原理和实验目的。
3、在实验结束后老师往往是根据学生的实验报告来给学生成绩，而一些学生为得到高分去窃取他人的实验结果，而这样的评分标准并不能反映一个学生的操作能力和探索能力。
4、在试验的过程中有的学生做不出实验结果其原因并不是实验步骤进行错误而是实验仪器损坏。
在我国大多数的大学实验室中的仪器都过于陈旧另外一些学生对仪器不加保护致使仪器的精确度下降，加上学校的经费有限不能及时的对仪器进行换新。
学生们在有限的仪器下只能进行简单的操作，严重的影响到了学生们的创新精神。
物理化学动力学物理化学动力学是物理化学的一个重要分支，它主要研究化学反应的速率和机理。
这门学科对于理解和控制化学反应过程具有极其重要的意义。
想象一下，我们在实验室里进行一个化学反应，我们想知道这个反应多快能完成，以及它是怎么一步步发生的。
这就是物理化学动力学要研究的问题。
首先，让我们来谈谈反应速率。
反应速率简单来说，就是单位时间内反应物或生成物浓度的变化量。
比如，氢气和氧气反应生成水，我们可以通过测量氢气或氧气浓度随时间的变化，来计算这个反应的速率。
但这里有个关键的点，反应速率不是一个固定的值，它会受到很多因素的影响。
温度就是一个非常重要的因素。
一般来说，温度越高，反应速率就越快。
这就好比我们跑步，天气热的时候，身体的代谢加快，我们跑得也更快。
在化学反应中，温度升高，分子运动变得更加剧烈，分子之间碰撞的机会增加，而且碰撞时具有足够能量的分子比例也增大，从而使得有效碰撞增加，反应速率加快。
反应物的浓度也会影响反应速率。
浓度越高，分子之间相互碰撞的机会就越多，反应也就更容易发生。
打个比方，如果在一个房间里只有几个人，大家碰到彼此的机会就比较少；但如果房间里挤满了人，相互碰到的概率就大大增加了。
催化剂是另一个能显著改变反应速率的因素。
催化剂本身在反应前后的质量和化学性质不变，但它能为反应提供一条更“容易走”的路径，降低反应的活化能，从而加快反应速率。
就像我们爬山，如果有一条修好的阶梯，我们就能更快更轻松地到达山顶。
除了这些因素，压力、溶剂性质等也可能对反应速率产生影响。
了解了影响反应速率的因素，接下来我们深入探讨一下反应机理。
反应机理描述的是反应物是如何一步步转化为生成物的。
它包括了一系列的基元反应，每个基元反应都有自己特定的速率和规律。
比如说，一个看似简单的氢气和氯气反应生成氯化氢的过程，实际上可能包含了多个步骤。
通过实验和理论分析，我们可以推测出这些基元反应，并了解整个反应的微观过程。
研究反应机理通常需要借助各种实验技术和理论方法。
论图像教学在物理教学中的地位和作用(一)龙海四中欧阳雄邮编 363100[摘要]本文运用认知心理学、形象思维科学理论和物理学史实结合中学物理教学实践，阐述了图像教学在物理教学中的地位和作用，突破了传统教学理论中图只是直观教学辅助手段的狭隘的观点. 指出：物理图像是形象和抽象的统一；进行图像教学能同时提高学生的抽象和形象思维能力.物理图像及其构成方法是物理知识结构的组成要素，构图是物理解题能力的关键要素之一. 重视图像教学培养想象力是发展学生创新能力的重要基础.[关键词]图像抽象构图形象思维创新形象思维物理图像教学是中学物理教学的有机组成部分之一.以高中一年级物理课程人教版教材为例，约两百页的高一物理课本共计有315幅插图①，平均每页有一到两幅图；若整个高一年物理总新授课时以100节计算，平均每节课要有近3幅的图.考虑到教师再自行增加的图，实际用图就远不止这些了.所以，很难设想一节没有图像的物理课.这些图是课文不可分割的组成成分，教学过程中运用这些图，教会学生识图、用图就是物理教学的当然组成成分之一.心理学研究发现，“在人的思维过程中，如果没有和思维内容相联系的表象，思考就发生困难.”许多优秀的物理学家以自己的成功经验说明想象力在科学研究中的重要作用.教学实践也证明，让学生的头脑中存储大量的物理图像，在头脑中对这些图像进行再认识、分解、组合、再创造，既是理解掌握物理知识的必经历程，也是培养学生想象力从而培养其创造力的过程.本人认为，研究物理图像教学可以作为深入研究在中学物理教学中培养学生形象思维能力和创新能力的突破口，具有重大的意义.一．物理图像是形象和抽象的统一传统的教学理论认为, “学生学习知识，一般说来，是从生动的直观开始的.生动的直观能使学生获得关于事物生动而具体的认识.但是，感性认识并没有揭露事物的本质.人们对事物本质的认识要通过一系列的抽象来完成. 不过，教学的‘生动的直观’并不是目的，而是手段，它是为了帮助学生得以形成正确的概念、较为牢固地掌握规律.”②确良这种观点固然在某种程度上表明了包括运用图像等直观教学手段的重要性，但显然，这种观点也把“生动的直观”简单地等同于“感性认识”，是“不能揭露事物的本质”的，这样图像教学在物理教学过程中处于配角的地位就是十分自然的事了.思维科学的研究指出，形象思维就是用典型形象或概括性的形象来完成把握同类事物的共同特征这一思维任务.③各种科学模型、几何图、设计图以及其他各种科学图像、图表等，都兼有形象性和概括性的特点. 这同直观的感性认识是迥然不同的.当然，它不是抽象的概括，而是形象的概括. 可见，物理图像是形象和抽象的统一.中学物理教学中的图像主要有两类，第一类是描物拟形的摹状图.绘制摹状图实际上是对物理现象进行形象的抽象，按其抽象程度又可依次分为实物相片、实物图、结构简图、示意图、规范制图等.第二类是函数图像，赋抽象的函数关系以直观的形象.中学物理教学中常用的有一次函数、二次函数、反比例函数、三角函数及它们的分段函数图像等.物理学家沃纳﹒海森堡把抽象定义为：“一种可能性，只用一种观点思考一个物体或者一组物体，而不管物体的所有其他特征.抽象的本质在于抽出一个与其他特征对比来看是特别重要的特征.”从这个意义上讲，作为客体的忠实摹写，实物相片、图就不只是提供感性材料的有力手段，它把客体从背景中剥离出来，就是具有了初步的抽象的性质.结构简图、物理现象示意图去掉了一些次要或不必要的细节，突出了物理现象、过程的主要方面，其抽象性是无庸置疑的. 例如图一甲表示滑动变阻器的结构简图，用折线表示绕在瓷筒上的电阻线，用一条直线段表示金属滑杆，用箭头表示滑片，突出了变阻器主要构件，有助于学生理解变阻器的作用. 由此可见合理的结构简图有利于抽象地分析、理解物理现象.甲乙图一用一条或几条直线段表示某个或几个相联系的运动过程，在相应的线段上标明各自的位移（路程）、速度、加速度、运动时间等，这样来表示某个运动过程的图叫做运动示意图. 运动示意图一般地舍去了运动物体的具体形状和大小（当成一个点，即质点），以直线代替曲线而不管具体的运动路线，紧紧抓住了路程和速度、时间的关系，虽则是形象的，然其抽象意味更浓，更有助于对现象进行抽象的思考.例1．在赤道上方有一条东西方向的导线，导线中通有自东向西的电流，则导线受到地磁场的作用力方向是A.向上B.向下C.向南D.向北这个问题涉及地理方向、电流方向、地磁场方向和导线受力方向共四组方向的组合，想象起来比较困难. 教学中发现只要画出其情景示意图则大部分学生是能解决这个问题的.规范做图是物理教学的内容之一.正确做“力的图示、光路图、电路图”等是中学生必须具备的基本技能. 教材中对各种规范做图都提出了明确的要求并做出了示范，这里不重复. 应着重指出的是：一、各种规范作图所用的符号一般地是表示了所代表事物的最主要的特征，其抽象性是明确的（如图一乙是表示电路图中表示滑动变阻器的符号）. 二、作为技能要求，规范做图不可能是一学就会的，而是需要一定的练习、巩固；随着教学内容的深化不断地补充和完善.例如，学生从初二年开始就学力的图示，这时画的是单个力.到学“同一直线上二力合成”的时候，在同一个图中要画出两个至三个力，这时应指出同一个图上所画的不同的几个力必须用同一个标度.到了高一年学习互成角度的力的合成，则应进一步指出准确画出表示力的方向的角度的重要性，作为矢量，在力图中平移一个力并不会改变合成的结果.由上可见，各种摹状图既在特定的程度上保留了物理对象的形象特征，但又具有一定的抽象性，所以说，摹状图是形象和抽象的统一.运用图表、函数图像处理实验数据以期得出物理量之间的数量关系，是研究物理学的重要方法之一.在初中阶段学生就学了用T-t图像表示熔化过程和沸腾过程，应用数学函数，在事实上构成了中学物理教学的一个难点，运用函数图像的形象特点,突破这个难点，学生的物理学习能力就会有一个质的飞跃.以二维函数图像为例，它的两个数轴表示了两个物理量，数轴上的长度则用于表示相应物理量的大小（有时还用量的正负号表示方向），在坐标平面上描绘的图像则表示了两个物理量之间的关系，物体的具体形象在这里已经全无踪迹，可以说这是在图形上所实现的对物理现象的极度的抽象，是一种抽象的形象.用形象的方法表示抽象的规律，比起函数式更易为人们理解和接受，成为科学研究的利器.④运用函数图像的教学要结合学生数学能力发展的实际，重视其寓抽象于形象的特色,循序渐进地进行.例如学习使用一次函数的图像表示匀变速直线运动时，应先学表示初速为零的匀加速运动，举出多组具体数字并结合着画几个函数图及其相应的运动过程的示意图作为参照图进行比较，避免过分抽象化；之后，再运用变式法学习用它来表示各种类型的匀变速直线运动；最后还应明确它的一些抽象意义：图线的倾斜程度表示加速度，图线和坐标轴围成的面积表示位移，利用该图像可以推导出大量有关于匀变速直线运动的具体规律、公式等.在物理学中还有少数基于类比而做出的“抽象的示意图”.如据三角函数图像画出的电磁“波”，用阶梯状排列的几条线段表示电子“跃迁的能级”，绕核运动的电子“云”，等等，把那些眼不能见的现象形象地表示出来，充分说明图像在物理学理论研究的重要作用.即使在现代理论物理的研究中诸如“费米球”、“势阱”、“隧道效应”等亦处处显示出形象在抽象的理论研究中的优越地位.以上，我们考察了中学物理教学中经常运用的几类图，结论是这些图像能形象又抽象（正所谓“形神兼备”）地表示相应的生动的物理现象及其规律，既简单明了又完整高效. 因此，教学中运用物理图像不能简单地看成只是一种只是起辅助作用的“直观教学手段”. 积极而有目的地进行图像教学既有助于学生正确理解抽象的物理概念和规律，使学生既能够“按图索骥”，又能够按图索“义”.在运用图像进行概括、分析和综合等思维活动过程中全面锻炼并提高抽象和形象思维能力.（待续）。
- 95 -第25卷第6期 呼伦贝尔学院学报 No.6 Vol.25 2017年12月 Journal of Hulunbeier University Published in December.2017
在大学物理中适当增加斑图动力学内容的重要性
陈绍英1 袁国勇2 （1.呼伦贝尔学院学报编辑部 内蒙古 海拉尔 021008； 2.河北师范大学物理科学与信息工程学院 河北 石家庄 050016）
摘 要：作为非线性科学研究领域的一个重要分支，斑图动力学是中一直受到广大学者的重视，而螺旋波动力学又是斑图动力学中的重要研究方向。把斑图动力学的核心内容介绍给本科生，可进一步丰富学生的非线性科学知识，加深其对学科交叉重要意义的认识，促进创新能力的培养。 关键词：斑图 螺旋波 交叉学科 中图分类号：O415.6；Q612 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－４６０１（２０１７）０６－００９５－０７
当前，非线性科学各个研究领域非常活跃，其中斑图（ｐａｔｔｅｒｎ）动力学的研究一直受到专家、学者们的关注。把非线性科学的知识内容融入到本科课堂中已有了很多探索［１－３］，并且在有些高校中
已取得很好的效果，编写了相应的教材，开设了相关课程或选修课［４－５］，但在非线性知识内容介绍
上主要集中在混沌（包括量子混沌）、分形、混沌控制等方面［６－９］，而对和大自然及人们生活紧密相
关的斑图动力学内容介绍的较少。斑图是在空间或时间上具有某种规律性的非均匀宏观结构，许许多多的斑图结构形成了绚丽多彩的大自然。不同的系统在不同的条件下可产生各式各样的斑图，它广泛存在于我们的世界中。如宇宙中的星际分布，连绵起伏的沙丘及微观世界原子、分子的自组织排列。同样，在人们日常生活中斑图也是随处可见的。例如，动物皮毛表面上的斑纹，土地的龟裂，液体受热的对流花样等等，可以说绮丽多彩的各种各样的斑图是自然给予人类最美丽的馈赠，如图１所示。而人类在对这些瑰丽的时空结构充满好奇的同时，也在孜孜不倦地探究着这些时空斑图背后的产生机理和规律。因而了解斑图的产生机制，对于揭开自然界形成之谜有重
要意义。在斑图动力学的研究领域中，螺旋波动力学一直是一个重要的研究方向并取得长足的进展，也是在实践中有重要应用的研究领域，特别是其在医学上对开发新的治疗心脏病方法将具有重要的指导意义。时代发展要求高校物理教育改革不断深化，将新的研究成果引入到本科课程中有助于创新型人才的培养，促进本科教学水平的不断提升。斑图动力学作为一门横向科学，研究的内容学科交叉是它一大特点，涉及到物理学、化学、数学、生物学、医学等多个学科领域。因此，将斑图动力学研究比较成熟的部分内容适当引入大学物理本科课程中有利于学生综合素质的提高。笔者一直关心大学物理教学现代化问题，此前也曾撰文讨论过把混沌理论及混沌控制的思想引入大学物理本科教学中［８］。国内有很多院校也
在此方面做了有益的尝试，在拓展学生知识面，培养学生创新意识方面起到较好的作用。 1. 斑图动力学的历史和研究进展 斑图动力学是非线性科学领域内的一个重要分支，它和孤立子与孤波，时空混沌，元胞自动机，分形结构等非线性问题同样受到研究者的关注。从热力学角度看，自然界的斑图既可存在热力学
收收稿日期：2017-11-28 作者简介：陈绍英（1964—），男，汉族，呼伦贝尔学院物理与电子信息学院教授，博士。研究方向：非线性理论方面研究。基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZZ14310),河北省高等学校科学技术研究项目（ZD2015080）。 - 96 -
图1 自然界中存在的典型时空斑图结构[引自文献10] 斑图动力学是非线性科学领域内的一个重要分支，它和孤立子与孤波，时空混沌，元胞自动机，分形结构等非线性问题同样受到研究者的关注。从热力学角度看，自然界的斑图既可存在热力学平衡条件下的系统中，也可存在于许多远离平衡态的非线性系统中。对于前者，例如各种矿石上出现的沉积结构、无机化学中晶体结构形成的斑图等，可用统计物理的有关原理和热力学平衡态知识解释。根据平衡态热力学规律，在给定的温度与压强时，系统会自发地向吉布斯自由能最小的方向移动，形成某些空间有序结构［１０］。而对于后
者，例如斑马体表的条纹、化学反应的振荡波等， 则需要从动力学角度探讨这类斑图的成因和规律，因为它们是在远离热力学平衡态的情况下形成的，经典的热力学理论对其不再适用。现在所说的斑图动力学就是以远离平衡态条件下形成的斑图为研究对象的科学。对于非平衡态斑图的形成机制还没有成熟的理论，均匀定态的线性失稳导致图灵分岔、霍普夫分岔、有限波失稳是目前的一个基本观点。随着人们的深入研究，十几年来在流体对流系统、振荡沙盘系统、非线性光学系统、反应扩散系统以及介质阻挡放电系统中都获得了丰富的斑图模式［１１］，如图２所示。在斑图动力
学的研究中，有两类斑图引起了不同领域的研究者广泛的关注。一类是空间上呈现周期有序而时间静态的定态结构，如体表带有条纹状、斑点状花纹的斑马、海螺、豹子等，由被称为计算机理论之父的英国著名科学家阿伦图灵（Ａｌａｎ Ｔｕｒｉｎｇ）最早对此作了预言和解释，故这类斑图称之为图灵斑图。图灵斑图对应空间平移对称性破缺，是由系统局部失稳形成的，系统在相空间中一个空间均匀定态的失稳是其发生的机制，它对应的非平
衡相变可以通过对方程均匀定态解的微扰分析得到。直到上世纪九十年代初，图灵斑图才首次在实验上由我国学者欧阳颀等人观察到 ［１２］。另一类
斑图的特点是不仅在空间上呈现周期性的结构，而且在时间上也呈现周期性的振荡行为，这类斑图起源于系统的全局失稳，其系统在相空间中的空间均匀定态解是稳定的，但由于系统的某些特殊性质，它在一定条件下会自组织形成各类时空斑图，这类斑图通常被称之为波斑图［１３］。
图2 各种系统的斑图(a)生物系统; (b)化学反应系统; (c)Faraday系统;(d)对流系统;(e) 非线性光学系统;（f）介质阻挡放电系统。引自文献[11]
１９００年法国科学家贝纳尔（Ｈ．Ｂéｎａｒｄ）对流体力学中热对流现象的研究可认为是对斑图的形成及其动力学最早开始的系统实验和理论研究。而现代斑图动力学研究的开端，一般认为始于图灵为解释动物皮毛表面的斑纹以及生物发育过程中的各种器官的分化问题于１９５２年提出的图灵斑图理论。但这一工作在当时没有引起足够重视，几乎与此同时，前苏联科学家别洛乌索夫（Ｂ．Ｐ．Ｂｅｌｏｕｓｏｖ）和扎包廷斯基（Ａ．Ｍ．Ｚｈａｂｏｔｉｎｓｋｙ）在著名的Ｂｅｌｏｕｓｏｖ－Ｚｈａｂｏｔｉｎｓｋｙ化学振荡反应（简称Ｂ－Ｚ反应）实验中发现了一类更具有广泛意义的动态自波斑图，如螺旋波（ｓｐｉｒａｌ ｗａｖｅ）、靶波（ｔａｒｇｅｔ ｗａｖｅ）［１４－１５］等。斑图动力学真正作为一门科学并引
起研究者重视得益于上世纪七十年代美国科学家维夫瑞（Ａ．Ｔ．Ｗｉｎｆｒｅｅ）的工作，他将这一发现介绍给西方科学界，自此，在很多学科领域斑图动力学研究得到了快速发展，特别是１９９０年实验中发现了图灵斑图后，斑图动力学的研究就一直成为非线性研究中的热点。 - 97 -
2.研究螺旋波的重要意义 螺旋波和回卷波是在远离热力学平衡态情况下形成的斑图之一，人们把二维系统的叫螺旋波，三维系统的叫回卷波，螺旋波动力学是斑图动力学研究中最受关注的方向。因此我们认为在课程中应主要介绍反应扩散系统中螺旋波的研究成果。因为反应扩散系统涉及的范围非常广泛，其动力学行为丰富并和很多生命现象相联系，包括半贫瘠地区的植物生长模型［１６］物理系统的气体放电模型［１７］、生态系统中的捕食者－猎物模型［１８］以及传染病的传播［１９］、农业人口的迁移［２０］、森林火灾的蔓延［２１］、球场观众席上的人浪［２２］等都可以演化成为反应扩散方程。从某种角度说，反应扩散方程是描写自然界运动的基本方程之一，因此，吸引了包括化学、物理学、数学、生命科学、计算机科学等诸多领域的研究者。反应扩散系统中的螺旋波按其形式分为两类：时序振荡系统中的螺旋波和可激发系统中的螺旋波。时序振荡系统中的螺旋波属于相波；可激发系统中的螺旋波属于激发波，两者的成因是不同的。在这里以介绍可激系统中产生的螺旋波为主。螺旋波的动力学中心（波头）是一个时空点拓扑缺陷，即数学上的奇点，这也是吸引科学工作者对螺旋波研究感兴趣的另一个重要原因。因为在波头邻域内反应扩散方程不再成立，解决此类点缺陷问题始终是非线性研究的难点。 螺旋波和回卷波是最常见又比较稳定的非平衡斑图中的一种图像。与形成靶波和平面波斑图不同，螺旋波不需要持续的激发源，它本身是自激的，在可激媒质、振荡介质和双稳系统中都能产生螺旋波。例如心肌组织的电信号［２３］、反应扩散系统的化学波 ［２４］、正在聚集的粘性霉菌［２５］、小鸡的视网膜［２６］、蛙类卵细胞中的钙离子波［２７］以及铂催化剂表面的一氧化碳氧化［２８］等都能观测到这种斑图。这里重点介绍一种典型的可激发介质—心肌组织。心脏中的组织变异即组织的纤维化以及组织局部缺血等现象是心脏疾病发生的重要原因之一。实验发现：心肌中血液流动性降低可以导致心肌梗塞，有可能造成心肌细胞的大片死亡，从而形成整片的非传导性组织［２９］，即可能形成螺旋波的缺陷。在心脏病患者中观察到的一类心律不齐或心动过速现象，可能是由于心肌电信号出现螺旋波而引起的。心动过速一般是心肌纤维性颤动的预兆。纤维性颤动分为房颤和室颤。房颤一般会在较短的时间自行消失，威胁人的生命程度不大。但室颤却不同， 它是一种极其严重的心律失常，若不及时处理，很快就会危及人的生命，而心颤致死的过程与螺旋心肌电波的失稳有密切的关系。到目前为止，越来越多的实验研究都表明，心律不齐，尤其是心室颤动（ｖｅｎｔｒｉｃｕｌａｒ ｆｉｂｒｉｌｌａｔｉｏｎ）和心动过速，与螺旋波及其失稳而形成的湍流态有着密切的关系［３０］。室颤发生时，人体心脏的电活动趋于紊乱。
由于完全失去同步性，心肌细胞不能协调一致地、有节律地收缩和舒张，心脏正常供血功能丧失，具有突发性和抢救难度大的特点 ［３１］。目前对于这类病
变，人们主要用电极将６ ｋＶ的电压直接作用在患者胸部（闭腔疗法）或者将约０． ６ ｋＶ电压直接作用在心脏上来刺激心脏，将心脏打停，待螺旋波消失，然后再用心脏起搏器重新启动心脏。临床上使用除颤器除颤虽已是一种较成熟的方法，但用这种方法病人较为痛苦而且还会给心肌组织造成解剖性缺陷，为以后心颤发生留下隐患，整体治愈率并不理想。发生室颤有多种原因，如心脏原来有解剖性问题，还有的是由突发事件引起的，如很多心脏病人猝死就是这种情况。据调查，在美国每年发生大约３０万人心脏猝死的病人中，有一多半源于室颤。号称我国三大杀手的疾病即心脏病、癌症、中风中，室颤也位列其中［３２］。因此，室颤引起的心脏猝死对当今心脏病专家、相关领域学者提出了重要挑战。通过对螺旋波理论的研究得出的初步结论，如果螺旋波运动规律能被掌握，使用很小的电压（５ｍＶ左右）就能将螺旋波引出心脏［３３］，如果能付诸实践
