重拾经典

汪超 李华振 杜伟伟

【摘要】大学物理中学生已经学过高斯定理，安培环路定理来解决电场力做功等问题，但是本质上还是落脚在研究和控制电压与电流上。《欧姆定律》是电学的经典，本文从大学物理实验入手，将大学物理的知识与《欧姆定律》相联系，使复杂的学习简单化，帮助学生更好的学习大学物理。

【关键词】《欧姆定律》 新旧结合 反本溯源

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）33-0233-02

一、引入

物理学理论体系非常严谨，是通过观察、分析和实验，应用数学表达建立物理模型，再通过实验的检验最终确立起来的。大学物理教学与初、高中物理教学是两个不同的阶段，但对现象的本质理解与背后的物理思想是没有变化的。

闭合电路的欧姆定律的内容在高中物理中占有很重要的地位，主要阐明直流电路中电压与电流之间的关系。学生通过对高中物理学习，学会用欧姆定律解决一些简单的物理问题。而进入大学以后，欧姆定律的内容不再明了的出现在课本中，因而学生忽略了欧姆定律的重要性。

中学的学习思维模式制约了大学生的逻辑思维和创新意识的培养，为专业课的学习增加了难度。高等数学的深入学习，对大学物理的学习起到了很强的推动作用。把抽象、复杂的物理现象用逻辑缜密的数学语言合理地演绎出来，将随机的物理过程归纳总结为物理规律呈现出来，是大学物理老师课堂讲授精辟之处。而大一部分新生会从思想上主观片面地认为，中学的物理只是学会了物理概念和认知了物质规律，而大学的学习是新知识学习的重新开始，摒弃了中学里的一切知识。要用高等数学里的微积分，以不变代变，以直代曲的微小单元求和法学好大学物理，用大学的新知识解决问题。然而又因为基础功底不扎实，往往是学了新知识忘了旧知识，学习效果不好，学习兴趣不高，这也是大学生学习的普遍状态。如何积极引导学生对新旧知识的融合，使学生脱离肤浅的物理学思维，又不被复杂的数学公式所迷绕，显得尤为重要。

我校物理教师应用物理知识的实用性，从大学物理教学效果出发，结合大学物理实验自身的特点和优势，探索、分析、研究、总结了针对我校学生的物理教学法，以期达到新旧知识融会贯通，化繁为简的效果。

二、教学案例

1.案例一 用模拟法描绘静电场

大学物理实验《用模拟法描绘静电场》就是一个《欧姆定律》在大学物理实验授课中应用的一个最好例证。由于实际工作中碰到的电场形状或介质的分布比较复杂，用理论方法计算有一定的困难。要知道电场的形状或介质的分布，一般都用实验的方法来确定。

直接对静电场进行测量是比较困难的，静电场的测量仪器只能采用静电式仪表，而实验中一般采用磁电式仪表，有电流才有反应；静电场中不会有电流，对这些仪表不会起作用，且仪表本身总是导体和电介质，一旦把仪器放入静电场中，探针上会产生感应电荷。这些电荷又产生电场和原电场叠加起来，使原电场发生畸变。所以实验时常用一种物理实验的方法——模拟法，即仿造一个电场（模拟场）与原电场完全一样。当用探针去测模拟场时，也不受干扰，因此可间接地测出模拟场中各點的电位，连接各等电位点作出等位线。根据电力线与等位线的垂直关系，描绘出电力线，即可形象地了解电场情况[1]。

该实验的实验原理重点是要给学生阐明静电场的模拟法思想，即一个稳恒电场为什么能够模拟真空中的静电场？原理主要分两部分来讲授。

第一部分，对于真空中的静电场，应用高斯定理直接求解出同轴电缆周围的电势分布的表达式

由于高等数学和大学物理电学内容学生大学一年级刚学习过，他们理解起来比较容易。

第二部分，讲授稳恒电流场的电势分布，此时如果回归欧姆定律的内容，问题就简单易懂了。在介绍完实验装置是在均匀的不良导体（如导电纸，稀硫酸铜溶液等）上的A，B电极间接通电源，在A、B电极附近就形成稳恒电流场，其中任一点电势V的计算就是应用欧姆定律内容的微分形式[2]。

从公式中，我们给学生阐明了用《欧姆定律》的内容解得的模拟场中的电势U的表达式和用高斯定理的应用解得的静电场中电势U的表达式是一样的。由此，解释了模拟场可以代替静电场的思想。

2.案例二 电子荷质比实验

物理实验中还有很多实验应用《欧姆定律》。《电子比荷的测定实验》是要测定电子的电荷量与质量之比，是英国物理学家JJ·汤姆逊在剑桥大学卡文迪许实验室做的一个著名实验，在近代物理学的发展史中占有重要的地位。

实验中，让电子垂直射入磁场，射入磁场的速度根据动能定理，由平行板加速电压决定[1]：

从公式中，我们要给学生阐明：

我们运用电子在磁场做匀速圆周运动来测量电子比荷。而与该圆周运动相关的物理量，电子的速度和磁感应强度分别由式（7）和式（8）确定。由式（7）可见，最终决定速度大小的是加速电压U的大小；由式（8）可见，最终决定磁感应强度的是线圈电流的大小。两方面的影响因素最终都是回归到电压U和电流I的控制上来。最终我们还是根据欧姆定律简单的电路来控制电压和电流从而实现该实验。通过控制变量的方法，调节U或者I，控制电子速度大小或者磁场的强弱，测出电子在磁场中的偏转直径，就能算出电子的荷质比。

三、结束语

本文整理了电磁学中的几个实验后，我们看到：学生在大学物理实验的电磁学部分的学习中，不论遇到如何复杂的公式和定律，最终都反本溯源，回归到电压与电流的应用和控制上，充分应用了《欧姆定律》内容。自然界中的物理规律和工程技术中的实际问题是复杂多样的，但《欧姆定律》是最为基础的，不忘初心，任凭一个物理现象的本质用多么复杂的数学公式去推导演绎，最终都要通过调控电压或电流的操作手段来达到物理实质论证和现象观察的效果。

反本溯源充分运用学生已经掌握的《欧姆定律》，积淀升华，将经典理论规律与新知识有机结合，让学生看到学习的《欧姆定律》的作用所在，使学生在思想上对解决问题的方法有一个质的飞跃。提高了学生的学习兴趣，帮助学生提高获取新知识的能力，培养学生分析和解决问题的能力。为学生在其他领域更好地学习打下坚实的基础。

参考文献：

[1]张季，李文亮等. 大学物理实验[M]. 西北工业大学出版社，2016.

[2]周惟公. 大学物理实验[M]. 高等教育出版社，2014.

[3]程守珠. 普通物理学（上、下）[M]. 高等教育出版社，2006.