大學(xué)物理知識(shí)實(shí)用化教學(xué)研究

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作為理工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，大學(xué)物理不僅在實(shí)際生活中有著十分廣泛的應(yīng)用，而且為其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供了必要的物理基礎(chǔ)知識(shí)。因此，如何在有限的時(shí)間內(nèi)極大地激發(fā)學(xué)生對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性以及全面提高學(xué)生的物理科學(xué)素養(yǎng)就顯得尤為重要。大學(xué)物理雖然是一門與生活實(shí)際聯(lián)系緊密的課程，但在教材的編寫過程中通常只重理論而輕實(shí)際，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)需要面對(duì)諸多繁雜的理論推導(dǎo)，這樣不僅無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還讓很多學(xué)生對(duì)物理產(chǎn)生了畏懼心理，并最終演化為對(duì)大學(xué)物理這門課程的討厭和排斥。為了能夠改變現(xiàn)有大學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)物理知識(shí)存在困難和缺乏興趣等現(xiàn)狀，許多教師在教學(xué)內(nèi)容、手段和考核方式等方面進(jìn)行了改革[1-4]。然而，受限于種種因素，大部分教師在實(shí)際的教學(xué)過程中仍然采用傳統(tǒng)的“理論+例題”的教學(xué)模式，這樣無(wú)法有效的將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，從而導(dǎo)致教學(xué)課堂枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下等不良后果。為了能夠克服傳統(tǒng)教學(xué)模式所造成的諸多不足，作者在平時(shí)的教學(xué)過程中采用了物理知識(shí)實(shí)用化的教學(xué)方法。發(fā)現(xiàn)該教學(xué)方法因能優(yōu)化教學(xué)效果、活躍課堂氣氛、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題等能力而廣受學(xué)生喜愛。

一、動(dòng)量定理實(shí)用化的教學(xué)

（一）基本理論

牛頓第二定律的微分表達(dá)式為[5]：Fdt=dp。（1）考慮從t0到t1這一過程，對(duì)上式積分可得：上式等號(hào)最左邊用沖量表示：把式（3）代入式（2）可得動(dòng)量定理的最終表達(dá)式：I=P1-P0。（4）式（4）表明：在運(yùn)動(dòng)過程中，物體所受合外力的沖量等于其動(dòng)量的變化量。

（二）知識(shí)應(yīng)用

通過上述理論的講解，學(xué)生基本能夠理解動(dòng)量定理所包含的物理意義，但還不具備利用動(dòng)量定理來(lái)解決實(shí)際問題的能力。因此，作者將會(huì)進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考動(dòng)量定理在日常生活中有哪些用處，并提問：為什么對(duì)汽車都要限速行駛？在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生展開討論，最后請(qǐng)一位同學(xué)總結(jié)得出：對(duì)于同一輛汽車而言，它所具有的動(dòng)量與它的速度成正比，即速度越大時(shí)動(dòng)量也越大。而遇到特殊情況緊急停車的過程就是把汽車的動(dòng)量減小為零的過程。拋開個(gè)人的反應(yīng)速度而言，由式（4）可以看出，當(dāng)汽車速度太快導(dǎo)致動(dòng)量過大時(shí)，司機(jī)就無(wú)法做到立刻停車而造成交通事故。因?yàn)槠噭x車時(shí)提供的最大阻力是一個(gè)定值，所以當(dāng)動(dòng)量越大時(shí)停車所花的時(shí)間也越多，司機(jī)也就無(wú)法做到在緊急情況下立馬停車。接下來(lái)繼續(xù)追問：為什么在下雨天要減速慢行？通過討論并最終總結(jié)得出：下雨天路面變濕，這會(huì)減小汽車輪胎與地面之間的摩擦力，由式（4）可知此時(shí)所需的停車時(shí)間比平時(shí)更長(zhǎng)，所以當(dāng)汽車速度過快時(shí)，更容易出現(xiàn)交通事故。通過上述兩個(gè)思考題的講解，不僅能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，活躍課堂氣氛，還能讓學(xué)生把動(dòng)量定理與生活實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力，在此基礎(chǔ)上還給學(xué)生灌輸了安全駕駛的重要理念。

二、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理實(shí)用化的教學(xué)

（一）基本理論

質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)定理的微分表達(dá)式為[5]：表示質(zhì)心加速度，將式（6）代入式（5）可得質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理的最終表達(dá)式：上式表明，質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)和一個(gè)特殊的質(zhì)點(diǎn)具有相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：該質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)系具有相同的質(zhì)量，且該質(zhì)點(diǎn)所受到的力與質(zhì)點(diǎn)系所受到的外力矢量和相等。

（二）知識(shí)應(yīng)用

由于質(zhì)心是一個(gè)比較抽象的物理量，如果單純只是從理論上進(jìn)行推導(dǎo)講解，不僅無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還會(huì)使課堂變得枯燥無(wú)味，從而導(dǎo)致很多同學(xué)都無(wú)法理解質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理本質(zhì)內(nèi)涵。為了突破這一難點(diǎn)，作者將會(huì)列舉一些生活例子，將質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理實(shí)用化。如提問：在不倒出來(lái)的情況下怎樣才能把放在籮筐中的大地瓜挑出來(lái)？在分組討論后引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出：只要將籮筐左右搖晃就能把大地瓜挑出來(lái)。其原因是：我們可以把籮筐中的所有地瓜看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系，當(dāng)籮筐靜止時(shí)，質(zhì)點(diǎn)系所受的合外力為零，其質(zhì)心位于籮筐中的某一位置。將籮筐左右搖晃時(shí)，籮筐的底部將會(huì)脫離地面，此時(shí)質(zhì)心在豎直方向上受到的合外力不為零，即重力要大于支持力。在這個(gè)合外力的作用下，質(zhì)心會(huì)獲得一個(gè)向下的加速度而向籮筐底部方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致籮筐下部分的地瓜密度要大于其頂部的地瓜密度，這也就意味著大地瓜全都跑到籮筐的頂部了。此時(shí)我們就可以輕松的把大地瓜挑出來(lái)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考在日常生活中質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理還可以解決哪些問題，最后總結(jié)得出：利用質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理還可以用來(lái)挑選大瓜子、大花生、大土豆等。通過上述事例的講解，不僅讓枯燥繁雜的物理知識(shí)生活化，使其變得通俗易懂，還可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

三、伯努利方程實(shí)用化的教學(xué)

（一）基本理論

對(duì)同一條流線利用質(zhì)點(diǎn)組功能原理可以推導(dǎo)出伯努利方程的表達(dá)式為[5]：當(dāng)流體在水平流管中流動(dòng)時(shí)，伯努利方程變?yōu)椋河缮鲜娇芍?，?dāng)理想流體在水平管道中流動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部各點(diǎn)的壓強(qiáng)與流速成反比關(guān)系。

（二）知識(shí)應(yīng)用

由于伯努利方程的理論推導(dǎo)過程比較復(fù)雜，導(dǎo)致不少學(xué)生無(wú)法理解該方程所包含的物理意義。為了讓大家更好地理解伯努利方程，作者會(huì)通過以下方式將該方程實(shí)用化。首先提問：為什么在游泳館以外的水域游泳容易出問題？接下來(lái)引導(dǎo)學(xué)生討論總結(jié)得出：由于開放水域的水底地形比較復(fù)雜，容易形成暗流和旋渦，當(dāng)游泳者遇到暗流或旋渦時(shí)就會(huì)被卷入其中出不來(lái)，從而導(dǎo)致溺水。進(jìn)一步提問：為什么當(dāng)游泳者遇到暗流或旋渦時(shí)很難游出來(lái)？分析總結(jié)得出：暗流和旋渦處的水流速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域的水流速度，結(jié)合式（9）可知，暗流和旋渦處的壓強(qiáng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他區(qū)域的壓強(qiáng)，而這個(gè)壓強(qiáng)差導(dǎo)致的壓力差會(huì)使游泳者被緊緊的“吸”在暗流和旋渦區(qū)域出不來(lái)，最終導(dǎo)致溺水。借此機(jī)會(huì)告誡大家夏天千萬(wàn)不要在開放的水域游泳。為了進(jìn)一步加深大家對(duì)伯努利方程的理解，作者將繼續(xù)提問：為什么等火車的時(shí)候我們必須站在白色安全線以內(nèi)？經(jīng)討論分析得出：當(dāng)火車從我們身邊高速駛過時(shí)，人與火車之間的空氣會(huì)被火車帶著高速流動(dòng)，而人背離火車一邊的空氣流速則比較慢，由式（9）可知，此時(shí)人的兩邊會(huì)形成一個(gè)比較大的壓力差，且這個(gè)壓力差會(huì)推著人撞向火車，所以我們必須站在白色安全線以內(nèi)候車，更不能到鐵路附近游玩。以上討論不僅可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高其學(xué)習(xí)效率，還能培養(yǎng)學(xué)生利用物理知識(shí)排除潛在危險(xiǎn)的能力。

四、全反射實(shí)用化的教學(xué)

（一）基本理論

當(dāng)光波從折射率為n1的介質(zhì)入射到折射率為n2的介質(zhì)時(shí)要遵循折射定律，其表達(dá)式為：sinisinr=n2n1，式中i為入射角，r為折射角。上式變形可得：sinr=n1n2sini。（11）由上式可知，如果n1>n2，且角i為全反射臨界角ic時(shí)，可使上式等于1，即sinr=1，r=π2。這也就意味著當(dāng)入射角i=ic時(shí)，折射光線只能在兩種介質(zhì)的分界面上傳播。當(dāng)i＞ic時(shí)，入射光線則會(huì)在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生全反射，而無(wú)法折射進(jìn)另一種介質(zhì)中。

（二）知識(shí)應(yīng)用

為了加深大家對(duì)全反射的理解，作者將會(huì)引導(dǎo)學(xué)生思考在日常生活中全反射可以用在哪些方面，并詳細(xì)講解光纖是如何利用全反射實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)摹＞唧w如下：傳統(tǒng)光纖一般由二氧化硅材料拉制而成，因?yàn)樵摬牧暇哂辛己玫碾姶盘匦约俺偷膫鬏敁p耗等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)光纖的結(jié)構(gòu)主要包括纖芯和包層兩部分組成，具體結(jié)構(gòu)由圖1（a）所示。為了使光信號(hào)能夠在纖芯內(nèi)實(shí)現(xiàn)全反射傳輸，這就要求纖芯區(qū)域的折射率n1要大于包層區(qū)域的折射率n2。傳統(tǒng)階躍折射率光纖的折射率分布如圖1（b）所示。如今，為了使n1＞n2，我們可以通過在纖芯區(qū)域摻鍺或硅納米晶體等材料來(lái)提高纖芯的折射率，而在包層區(qū)域摻氟或其氧化物來(lái)降低包層的折射率。光信號(hào)在傳統(tǒng)光纖纖芯內(nèi)的傳播路徑如圖2（a）所示。從該圖可以看出：當(dāng)入射信號(hào)的入射角大于全反射的臨界角時(shí)，光信號(hào)就能在纖芯內(nèi)實(shí)現(xiàn)全反射傳播，從而大大降低其傳輸損耗。光信號(hào)在光纖纖芯內(nèi)傳播時(shí)的模場(chǎng)圖如圖2（b）所示。我們從此圖可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，光信號(hào)的絕大部分能量都被限制在纖芯區(qū)域，只有極少部分能量泄漏到包層，這樣就可以大大減小其傳輸損耗。然而，為了使光信號(hào)能夠在光纖中實(shí)現(xiàn)全反射傳播，我們不得不對(duì)光纖材料進(jìn)行摻雜，而光纖的電磁特性在摻雜后就會(huì)遭到破壞，再加上傳統(tǒng)光纖的結(jié)構(gòu)比較單一，所以我們無(wú)法靈活控制其導(dǎo)光特性。為了能夠克服這一難題，內(nèi)全反射光子晶體光纖則因應(yīng)而生。內(nèi)全反射光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。為了能夠有效減小包層折射率，在光纖的包層區(qū)域引入了三層按正六邊形分布的圓形空氣孔。光纖的纖芯位于其最中心位置，由一根石英棒代替一個(gè)圓形空氣孔所形成。由于光纖在拉制過程中沒有摻雜，所以該結(jié)構(gòu)可以在不破壞其電磁特性的同時(shí)極大地提高纖芯與包層之間的折射率差，這樣不僅能在纖芯內(nèi)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的全反射傳播，還能大大提高光纖對(duì)光信號(hào)的限制能力。圖3（b）為光信號(hào)在光子晶體光纖內(nèi)傳播時(shí)的電場(chǎng)分布圖。從該圖可以看出光信號(hào)能被很好的限制在纖芯區(qū)域內(nèi)傳輸。此外，由于光子晶體光纖的傳輸特性與其結(jié)構(gòu)形狀有密切聯(lián)系，而包層空氣孔的大小、形狀及分布周期都可以靈活設(shè)計(jì)，所以我們可以根據(jù)實(shí)際需要靈活控制光子晶體光纖的傳輸特性，從而使其獲得傳統(tǒng)光纖所不具備的高雙折射、高非線性、色散可調(diào)等諸多優(yōu)秀的導(dǎo)光特性。通過上述內(nèi)容的講解不僅可以極大地激發(fā)學(xué)生對(duì)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的熱愛，培養(yǎng)他們的科學(xué)創(chuàng)新能力，同時(shí)還可以把枯燥的理論知識(shí)實(shí)用化，活躍課堂氣氛，提高教學(xué)效率。

五、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)大學(xué)物理所具有的課程特點(diǎn)，結(jié)合生活事例，作者采用物理知識(shí)實(shí)用化的教學(xué)方法來(lái)克服傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足。實(shí)踐結(jié)果表明：合理地把物理知識(shí)實(shí)用化能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分發(fā)揮學(xué)生在課堂上的主體作用，從而提高課堂教學(xué)效果。此外，該教學(xué)方法還有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和運(yùn)用知識(shí)的能力。

作者:廖健飛 單位:武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院