大学物理与中学物理课程恒定磁场部分的衔接研究

李艳红

摘要： 根据教育部制定的“高中物理课程标准”和教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会最新编制的“理工科类大学物理课程教学基本要求”，本文对大学物理教材和高中物理课程标准实验教材的恒定磁场部分进行了对比，通过分析总结了恒定磁场部分在内容和方法方面的衔接和深入。

关键词： 大学物理中学物理恒定磁场衔接

1.引言

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、基本相互作用规律的一门自然科学，它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产实践中的许多部门，是其他自然科学和工程技术的基础。在人类追求真理、探索未知世界的过程中物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，不仅物理学的知识对各行各业的工作起到指导作用，物理学的研究方法也被大量应用于其他学科及工程技术的各个方面，物理学在人才的科学素质培养中也具有十分重要的地位［１］。因此，以物理学为基础的大学物理课程，是高等学校理工科各专业学生一门重要的通识性必修基础课（大多数高校的文科专业也开设了相应的大学物理课程），是每个科学工作者和工程技术人员，以及管理人员所必备的。

近年来，随着我国教育改革的推进，非物理类专业大学物理的教学也遇到了一些新问题，其主要表现为以下几个方面：诸如存在物理教学内容不断膨胀而学时却在减少的矛盾，大学的不断扩招与学生的学习水平的矛盾，以及当前国内的大学物理教材一些内容与中学重复太多或有明显脱节的问题，等等。要使学生更快地在中学物理的基础上理解掌握大学物理的学习内容，大学物理课程与中学物理课程的衔接就成为了目前亟待研究的问题。

2.中学物理与大学物理恒定磁场内容的比较研究

2.1中学物理恒定磁场部分的内容标准

高中物理课程标准（以下简称“新课标”）的磁场知识在选修模块选修3-1中，教材包括电场、电路和磁场。新课标在磁场部分的内容标准［2］：

（1）列举磁现象在生活、生产中的应用。了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响。关注与磁相关的现代技术发展。

（2）了解磁场，知道磁感应强度和磁通量。会用磁感线描述磁场。

（3）会判断通电直导线和通电线圈周围磁场的方向。

（4）通过实验，认识安培力。会判断安培力的方向，会计算匀强磁场中安培力的大小。

（5）通过实验，认识洛仑兹力。会判断洛仑兹力的方向，会计算洛仑兹力的大小。了解电子束的磁偏转原理及其在科学技术中的应用。

2.2大学物理恒定磁场部分的内容要求。

教育部2008年颁发的“理工科类大学物理课程教学基本要求”（以下简称“要求”）中有恒定磁场部分的内容要求。

2.2.1真空中的恒定磁场

在真空中的恒定磁场中，内容要求有：恒定电流、电流密度和电动势；磁感应强度：毕奥—萨伐尔定律、磁感应强度叠加原理；恒定磁场的高斯定理和安培环路定理；洛伦兹力；安培定律。

2.2.2恒定磁场中的磁介质

在恒定磁场中的磁介质中，内容要求有：物质的磁性、顺磁质、抗磁质、铁磁质；有磁介质存在时的磁场。

2.3恒定磁场部分“新课标”和“要求”的比较

都涉及了例如磁场、磁感应强度、磁通量、安培力、洛伦兹力等磁场方面的基本概念，以及都要求会计算力的大小，只是要求要掌握的程度不同、计算方法不同；大学物理课程要求有而中学物理没有的主要是毕奥—萨伐尔定律、磁感应强度叠加原理，恒定磁场的高斯定理和安培环路定理，物质的磁性。

2.4恒定磁场部分高中物理教材和大学物理教材的比较

本文以2007年1月第2版的人民教育出版社的《物理》教材（普通高中课程标准实验教科书，以下简称高中物理教材）和2010年8月第1版的机械工业出版社出版的《大学物理》教材（以下简称大学物理教材）进行比较。

在高中物理教材的第二章中的电源、电流、电动势和电路在大学物理教材中第14章前两节中均有涉及，其中基本概念只是略微提过，研究方法和内容完全是更深层次；大学物理教材中第14章后四节的内容都是在高中物理教材的第三章磁场中的内容的基础上进行了更深入的描述，其中就包含新知识：毕奥—萨伐尔定律、磁感应强度叠加原理，恒定磁场的高斯定理和安培环路定理等；而大学物理教材的第15章的内容只是在高中物理教材中提到了一个概念：磁性。

3.大学物理和中学物理在恒定磁场部分的衔接和深入

3.1真空中的恒定磁场部分的衔接及深入

这一部分在中学和大学联系最主要的是磁感应强度这一块。在中学是用理想条件下的探究实验得出的结论：三块相同的条形磁铁并列的放在桌上，认为它们中间的磁场是均匀的，将一根直导线的水平悬挂在磁铁的两级间，导线的方向与磁场的方向垂直。保持磁场不变，改变电流强度和导线在磁场中的长度其中的任一条件，观察导线的受力情况。经过多次试验，得出安培力公式F=BIL，式中的B与电流和导线长度无关，但在不同的情况时B的值是不同的。而B正是能够表征磁场强弱的物理量——磁感应强度B=［3］，安培力是洛伦兹力的宏观变现，带电量q的粒子在均匀磁场中与磁场方向垂直以速度v运动，得出B=。方向由左手定则判定。在高等物理中，磁场对外的重要表现是磁场对引入场中的运动的试探电荷的作用。实验发现如果电荷在一点沿着与磁场方向垂直的方向运动时所受磁力最多F，而这个力正比于运动试探电荷的电荷量q，也正比于电荷运动的速度v，但比值却在这点具有确定的量值，而与运动试探电荷的qv值的大小无关。这样可引入磁感应强度（矢量B），大小可定义为B=。改点磁场的方向就是磁感应强度的方向［４］。在接下来的任一点电场强度的求解方面上就仿照静电场的方法引入了毕奥—萨伐尔定律d= （正电荷）。在关于洛伦兹力的数学表达式上，当带电粒子运动方向与磁场方向平行时受力为0；当带电粒子运动方向与磁场方向垂直时它所受的磁场力最强F，F=qvB；一般情况下带电粒子运动方向与磁场方向夹角为θ，此时F=qvBsinθ，根据右手定则确定洛伦兹力的矢量表达式为=q×（正电荷），负电荷的方向正好相反。

3.2恒定磁场中的磁介质部分的衔接及深入

关于磁性在高中物理中只是简单地提到物理被磁化后物体拥有磁性，简单地根据物体磁化的容易程度划分了顺磁质和抗磁质。在大学物理课程中，因为磁化后的介质会激发附加磁场，从而对原磁场产生变化得=+。根据相对磁导率μ的大小将磁介质分为四类：抗磁质（μ＜1），附加磁场磁感应强度与外磁场磁感应强度反向相反，磁介质内的磁场被削弱；顺磁质（μ＞1），附加磁场磁感应强度与外磁场磁感应强度反向相同，磁介质内的磁场被加强；铁磁质（μ?垌1），磁介质内的磁场被大大加强；完全抗磁体（μ=0），磁介质内的磁场等于0（如超导体）。然后根据叠加后的磁场和前面推导的公式进行不同的应用。

4.结语

通过分析大学物理教材和高中物理课程标准实验教材，我们知道，中学物理注重对知识的探究，大学物理静电场知识是在中学物理知识点的基础上，根据学生认知能力的提高，应用不同的方法，如微积分知识和矢量代数知识，把中学常用的在匀强磁场的结论推导到一般的静磁场中，并且为电磁场理论打下基础。

参考文献：

［1］教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会.理工科类大学物理课程教学基本要求.北京：高等教育出版社，2008.

［2］中华人民共和国教育部制定.普通高中物理课程标准（实验）.

［3］张大昌，彭前程等.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1.人民教育出版社，2007.

［4］尹国盛，杨毅.大学物理（上册）.北京：机械工业出版社，2010.