大学物理课程教学中物理案例浅谈

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摘要：物理学是天文学、生物学、化学和地质学等众多学科的基础。物理学的美妙之处在于，用简单的物理理论，以及少量的基本概念、方程和假设，就可以解释和探索万千世界中的各种现象，并能直达事物的本质。大学物理是一门以实验为基础的理工科本科生必修课程，在教学中适当选择物理案例可以让学生了解物理学在生活中的应用和体现，明白物理源于生活、用于生活，发现物理学的美妙之处。该文根据学生的专业情况、物理基础和兴趣爱好等，浅析物理教学案例内容的选择。

关键词：物理学；大学物理；教学案例

几个世纪以来，为了节省时间、提高效率，人们一直在努力寻找更为高效的方法来完成任务，这也是科技发展的原动力之一。时至今日，人类在科技领域已经取得了巨大的进步。科技给了我们更快捷的沟通交流方式，也要求人们具备更高水准的知识和技能，不断学习新的理论知识、技术和工作技能等。大学物理这门课程内容体系庞杂，是国内外理工科本科生的公共基础课。但课程教学时间又十分有限，如何高效利用课堂教学时间是一个极其现实的问题。大学物理包括力学、热学、电学、磁学、光学、量子力学、相对论等内容。力学关注物体的运动；热力学处理具有大量粒子的系统的热、功、温度和统计行为；电磁学涉及与电、磁和电磁有关的领域；光学研究光的行为及其与材料的相互作用；相对论主要描述物体高速运动下的相关理论；量子力学主要研究微观粒子行为的理论。在大学物理课堂教学过程中，如何训练学生的逻辑思维能力、培养学生的科学探索精神和独立解决问题的能力，一直是一个值得探究的问题。这一系列目标的实现，都要以培养学生的学习兴趣为基础。课堂教学和实验演示能够激发学生的学习兴趣，实现对课堂教学时间的高效利用。物理实验是帮助学生理解物理概念和定理定律、解释物理现象本质的有效途径，许多学生对物理实验非常感兴趣，但由于实验仪器数量有限，而学生需求量大，大多数高校都无法同步进行大学物理的理论课程教学与实验教学，只能让学生交替进行实验。在大学物理课堂教学过程中，教师可以采用演示实验的方式填补实验的空缺，帮助学生理解物理概念、定理定律等内容。如果演示实验条件受限，也可以借助适当的教学案例，对大学物理实验及演示实验进行补充，这有助于加强学生对物理现象、物理原理的认识和理解。以下针对教学案例内容的选择问题，谈谈笔者在实际教学过程中的体会。不同专业学生未来的就业方向可能存在较大差异，平日里他们的关注点往往也大不相同。例如，机电学院的学生对汽车的驱动与制动、极限加速度和极限速度等机械类问题非常感兴趣；光电专业的学生热衷于讨论全息成像、激光干涉等与光学内容相关的实验现象；化工及材料学院的学生注重观察事物的物理化学变化过程。不同专业学生的关注点不同，其学习的侧重点也有所差异。华侨大学结合各个专业的学科特点和各个学院的实际需求，对大学物理课程内容进行详细分类。将一些章节设为所有专业学生必修内容，例如质点运动学、质点动力学、静电场、稳恒磁场、机械振动、波动及光学等；部分章节允许学生选修，例如化学与制药工程、生物工程与技术、环境科学与工程专业的学生可以选修刚体力学、交变电场、电磁感应等章节的内容，人工智能、网络与信息安全、计算机科学与技术专业的学生可以选修热力学章节内容。要明确学生的兴趣和优势，根据学生不同的专业、物理基础和兴趣爱好，在大学物理课程教学内容的讲授上有所区分。

1依据学生专业选择教学案例

1.1功能材料专业

功能材料专业的学生在材料制备实验室经常见到球磨机，球磨机可将块体样品快速制成粉末状样品，方便进一步表征样品性质。球磨机的核心组件是一个圆筒及里面的数个钢球，当圆筒被电动机驱动而绕轴高速旋转时，钢球会被抛至一定高度，随后脱离圆筒壁落下与块体样品碰撞，从而将样品击碎。经过多次反复碰撞，块状样品可以成为颗粒均匀的粉末状样品。球磨机的最佳转速是球磨机运行过程中的一个重要参数，利用圆周运动相关知识可以计算出这一参数的理论值。对圆周运动理论知识的学习，可以加深学生对球磨机工作原理的理解，进而指导学生调试和操控球磨机，达到学以致用的目的。

1.2电子信息工程专业

电磁学是电子信息工程专业一门重要的专业课，大学物理课程中电磁场这一章节对于该专业学生而言也格外重要。在授课过程中，教师可以将目前科学界对地球磁场形成的观点作为案例引入课堂。虽然地球的磁场模式与地球深处的条形磁铁产生的磁场模式相似，但地球磁场不是来源于大量的永久磁化材料。地球上确实有大量的铁矿床，但地核的高温使铁磁无法保持永久磁化的性质。科学家们认为，地球磁场的真正来源更有可能是地核中的对流。在液体内部循环的带电离子或电子可以产生磁场，就像电流回路一样。行星磁场的大小与行星的自转速度有关。木星的自转速度比地球快，太空探测器发现，木星的磁场比地球的强；金星的自转速度比地球慢，它的磁场也更弱。玄武岩是一种含铁的岩石，由海底火山活动喷出的物质形成。随着熔岩冷却，它会凝固并保留与地球磁场方向相关的信息图样。玄武岩提供的一些证据证实，在过去一百万年里，磁场的方向已经反转了几次。通过其他科学方法确定这些岩石产生的年代，就可以发现这些磁场周期性反转的时间。霍尔效应这一重要的实验现象也可以进行演示。当载流导体置于磁场中时，会在垂直于电流和磁场的方向上产生电位差。这一现象由EdwinHall（1855—1938）在1879年首次观察到，因此被称为霍尔效应。霍尔效应是由于电荷载流子受到磁力而偏转到导体的一侧而产生的。霍尔效应可以提供有关电荷载流子符号及其密度的信息，还可用于测量磁场的大小。

1.3光电专业

中学阶段学生接触的主要是与几何光学相关的光学知识。而在大学物理课程中，光学部分涉及光的干涉、衍射、偏振等波动光学内容。光电专业的学生已经比较熟悉一些常见的光学现象，因此，对光学原理的应用比较关注。光学测量可以达到非接触、高精度测量的目的，解决了接触式测量误差大、易形变的难题，在小型化、微型化产品的尺寸测量领域已得到广泛应用。例如，激光衍射可以精准测量细丝直径，干涉膨胀仪可以测量材料的膨胀系数，劈尖干涉仪可以用于检查光学元件平整度等。激光单缝衍射照射在不同宽度的狭缝时，在接收屏上可以观察到不同的衍射图样，单缝越窄，衍射现象越显著。沿着单缝的方向，激光束的传播受到限制，衍射条纹在接收屏上沿这一方向进行扩展。接收屏上衍射条纹对应的衍射角与单缝宽度之间存在反比关系，这一反比关系可以作为一种光学变换。单缝宽度的变化可以反映出物体之间间隔、位移、剖面等物理量的变化。阳光照射叠合在一起的两块纱布，透过其交错的经纬线可以产生彩色的花纹图样。两块纱布之间产生相对位移时，彩色花纹图样也会随之变化。这一图样称为莫尔条纹，也称作波纹条纹。利用重叠交叉的篱笆、芦苇、丝袜、蚊帐等材料，也可以产生莫尔条纹。采用单色平行光照射两个成一定角度放置、光栅常数不等的光栅，使一个光栅位置保持不动，移动另一个光栅时，可以通过莫尔条纹的位移求得光栅的位移。常见的光栅秤和数字万能显微镜都采用了光栅式测量技术，这一技术在物理长度、角度、位移、重量等物理量的测量中应用广泛[1-2]。

2依据学生物理基础选择教学案例

每学期开课前，教师要对学生的物理基础进行摸底，根据摸底结果补充或调整物理教学案例。如果学生基础相对薄弱，教师可以基于生活中常见的现象选择物理案例，易于学生理解物理现象的本质。将一些生活常识作为教学案例引入，有助于加强学生对物理知识的理解和运用。当电源插座的火线直接接地时，电路完成但会出现短路现象；处于不同电位的两点之间存在几乎为零的电阻时，会导致非常大的电流，发生短路。当这种情况意外发生时，正常运行的断路器会打开，保证电路不被损坏；但接触地面的人可能会因接触磨损的电线或其他裸露导体的火线而被电伤。电击会造成致命损伤，或导致重要器官（如心脏）的肌肉出现故障，对身体的损害程度取决于电流的大小、作用时间的长短、被火线接触到的身体部位以及存在电流的身体部位。5mA或更低的电流会引起电击感，但通常不会造成损害或损害很小；如果电流大于10mA，会导致肌肉收缩，人可能无法主动释放火线；如果是100mA左右的电流，即使仅通过人体几秒钟，也会使呼吸系统麻痹，结果可能是致命的。牛顿力学解决了运动速度远低于光速的物体的运动问题，但未能正确描述速度接近光速的物体的运动。牛顿理论预测可以通过大的电势差来加速电子或其他带电粒子运动。例如，可以通过使用几百万伏的电位差将电子加速到0.99c（c是光速）的速度。根据牛顿力学，如果提高电位差，则电子的动能也会随之增加，其速度可以提高至原来的数倍，达到光速的几倍。然而，实验表明，无论加速电压的大小如何，电子的速度以及宇宙中任何其他物体的速度总是小于光速的。牛顿力学与现代实验的结果相反，这反映了牛顿力学的局限性。孪生悖论是一个有趣的时间膨胀实验：Speedo和Goslo是一对双胞胎兄弟，他们20岁时，具有冒险精神的Speedo开始了一段史诗般的旅程，前往一个距离地球很遥远的行星。承载Speedo的航天器相对于双胞胎兄弟回家的惯性系能够达到0.9999c的速度。Speedo出发半年后开始想家，立即以相同的速度返回地球。令人震惊的是，Speedo认为他只离开了地球1年，只有21岁。但他回来后发现，Go⁃slo已经成了90多岁的老人了。狭义相对论不仅在理论物理学中具有重要作用，在实际生活中也具有重要应用，例如核电站和现代全球定位系统GPS装置的设计。GPS定位是利用卫星基本三角定位原理，GPS接收装置采用高轨道与精密定位的观察方式，通过测量无线电信号的传输时间测得距离，进而判断卫星在太空中的位置[2-4]。

3依据学生兴趣选择教学案例

很多男同学对军事尤为感兴趣。第二次世界大战期间，红外线技术被首次应用于军事当中。二战后，美国、英国、法国等国家先后对红外技术展开了军事应用方面的研究。美国最先研制出机载红外前视系统，随后，英国、法国也将红外前视系统应用在陆海空三军领域。红外技术以红外线的物理特性为基础，物质内部带电微粒的能量发生变化而产生的一种电磁波处于可见光谱中红光的频率之外，其波长介于可见光与无线电波之间，红外线光子的能量低于可见光，对一些活泼金属可以产生光电效应，这是红外技术应用的关键。利用这一效应可以把红外光转换成电信号，再将电信号转换成可见光，经放大处理，使人眼可以看见红外线照射的物体。目前，红外技术在火控、雷达、通信、隐形夜视、制导、侦察等军事领域都发挥着极其重要的作用。[2,5]

4依据物理原理的相关性选择教学案例

根据日常经验，每个人对力的概念都有一个基本理解。当我们把桌子移开时，我们会对它施加一个力；当我们掷球或踢球时，对球也会施加作用力。在这些物体运动的过程中，力将肌肉运动和物体速度关联起来。然而，力并不总会引起物理运动。例如，当我们坐着读书时，地球引力作用于我们的身体，但我们仍然保持静止。另一类力称为场力，不涉及两个物体之间的物理接触，而是通过空间作用实现的，例如两个物体之间的引力。引力使物体与地球保持联系，使行星围绕太阳运行。一个电荷对另一个电荷施加的电场力是比较容易理解的场力，这些电荷可能是形成原子的电子和质子的电荷。磁铁对一块铁施加的磁场力也是场力。在大学物理课程的实际教学过程中，可以采用适当的教学案例对容易混淆的物理原理进行区分。在波动光学这一章，根据教学进度，学生先后学习了干涉、衍射及光栅图像产生的物理原因。然而，当本章内容全部教学完成后，一些学生却将以上三种光学图像产生的物理原理及相应的物理方程混淆在一起。造成这一结果的原因在于，学生没有真正理解和掌握以上三种光学现象产生的物理原理。因此，教师在波动光学每一小节内容的讲解过程中，可以进行相应的演示实验，也可以将干涉、衍射、光栅三种光学原理在实际中的应用作为教学案例进行分析讲解。例如，利用薄膜干涉原理解释多彩的孔雀羽毛、五颜六色的肥皂泡等现象产生的物理原因；利用圆孔衍射原理解释天文望远镜、电子显微镜分辨率的问题。只有了解光的干涉及衍射原理，学生才能理解光栅图像产生的物理原因。在光的偏振特性讲授过程中，教师也可以将偏光显微镜作为教学案例进行讲解，利用偏光显微镜对铁电、铁磁等材料的畴结构进行现场观察和演示。以上针对大学物理课程教学中案例的选择问题进行了分析和讨论。此外，教师还可以灵活使用头脑风暴、合作学习小组、点击式问题、同行实践和辩论等教学方式，让学生参与到教学案例的分析过程中，及时获取学生的反馈。依据学生学习效果等反馈信息，适当调整教学案例，这样有助于提高教学效率。在课堂教学过程中，如果学生没有真正获得知识，那么快速授课就是没有意义的；如果大多数学生已经理解和掌握了授课内容，那么放慢授课速度也没有必要。只有密切关注学生的近期发展区域，才有助于学生的学习和认知发展。综上所述，在大学物理实际教学过程中，可以依据学生专业、兴趣、物理基础、学习效果、反馈信息等方面进行教学案例的设计和调整，这样既有助于学生对物理概念、定理定律的理解和运用，也能让学生深刻体会到大学物理并非空洞的理论，而是在实际生活中无处不在的。教师要用学生身边的物理现象激发学生学习物理知识的兴趣，最终为学生学习其他专业课程奠定坚实的基础。

作者:项阳 单位:华侨大学信息科学与工程学院