大學(xué)物理知識實用化教學(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。因此，如何在有限的時間內(nèi)極大地激發(fā)學(xué)生對大學(xué)物理的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性、主動性以及全面提高學(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際，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時需要面對諸多繁雜的理論推導(dǎo)，這樣不僅無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還讓很多學(xué)生對物理產(chǎn)生了畏懼心理，并最終演化為對大學(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)生對學(xué)習(xí)物理知識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行了改革[1-4]。然而，受限于種種因素，大部分教師在實際的教學(xué)過程中仍然采用傳統(tǒng)的“理論+例題”的教學(xué)模式，這樣無法有效的將理論知識與實際應(yīng)用聯(lián)系起來，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，作者在平時的教學(xué)過程中采用了物理知識實用化的教學(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、動量定理實用化的教學(xué)
（一）基本理論
牛頓第二定律的微分表達式為[5]：Fdt=dp。（1）考慮從t0到t1這一過程，對上式積分可得：上式等號最左邊用沖量表示：把式（3）代入式（2）可得動量定理的最終表達式：I=P1-P0。（4）式（4）表明：在運動過程中，物體所受合外力的沖量等于其動量的變化量。
（二）知識應(yīng)用
通過上述理論的講解，學(xué)生基本能夠理解動量定理所包含的物理意義，但還不具備利用動量定理來解決實際問題的能力。因此，作者將會進一步引導(dǎo)學(xué)生思考動量定理在日常生活中有哪些用處，并提問：為什么對汽車都要限速行駛？在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生展開討論，最后請一位同學(xué)總結(jié)得出：對于同一輛汽車而言，它所具有的動量與它的速度成正比，即速度越大時動量也越大。而遇到特殊情況緊急停車的過程就是把汽車的動量減小為零的過程。拋開個人的反應(yīng)速度而言，由式（4）可以看出，當汽車速度太快導(dǎo)致動量過大時，司機就無法做到立刻停車而造成交通事故。因為汽車剎車時提供的最大阻力是一個定值，所以當動量越大時停車所花的時間也越多，司機也就無法做到在緊急情況下立馬停車。接下來繼續(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，這會減小汽車輪胎與地面之間的摩擦力，由式（4）可知此時所需的停車時間比平時更長，所以當汽車速度過快時，更容易出現(xiàn)交通事故。通過上述兩個思考題的講解，不僅能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性，活躍課堂氣氛，還能讓學(xué)生把動量定理與生活實踐聯(lián)系起來，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)心運動定理實用化的教學(xué)
（一）基本理論
質(zhì)點系運動定理的微分表達式為[5]：表示質(zhì)心加速度，將式（6）代入式（5）可得質(zhì)心運動定理的最終表達式：上式表明，質(zhì)心的運動和一個特殊的質(zhì)點具有相同的運動規(guī)律：該質(zhì)點與質(zhì)點系具有相同的質(zhì)量，且該質(zhì)點所受到的力與質(zhì)點系所受到的外力矢量和相等。
（二）知識應(yīng)用
由于質(zhì)心是一個比較抽象的物理量，如果單純只是從理論上進行推導(dǎo)講解，不僅無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還會使課堂變得枯燥無味，從而導(dǎo)致很多同學(xué)都無法理解質(zhì)心運動定理本質(zhì)內(nèi)涵。為了突破這一難點，作者將會列舉一些生活例子，將質(zhì)心運動定理實用化。如提問：在不倒出來的情況下怎樣才能把放在籮筐中的大地瓜挑出來？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。其原因是：我們可以把籮筐中的所有地瓜看成一個質(zhì)點系，當籮筐靜止時，質(zhì)點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，籮筐的底部將會脫離地面，此時質(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。在這個合外力的作用下，質(zhì)心會獲得一個向下的加速度而向籮筐底部方向運動，進而導(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。此時我們就可以輕松的把大地瓜挑出來。在此基礎(chǔ)上進一步引導(dǎo)學(xué)生思考在日常生活中質(zhì)心運動定理還可以解決哪些問題，最后總結(jié)得出：利用質(zhì)心運動定理還可以用來挑選大瓜子、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、伯努利方程實用化的教學(xué)
（一）基本理論
對同一條流線利用質(zhì)點組功能原理可以推導(dǎo)出伯努利方程的表達式為[5]：當流體在水平流管中流動時，伯努利方程變?yōu)椋河缮鲜娇芍斃硐肓黧w在水平管道中流動時，其內(nèi)部各點的壓強與流速成反比關(guān)系。
（二）知識應(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，作者會通過以下方式將該方程實用化。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，當游泳者遇到暗流或旋渦時就會被卷入其中出不來，從而導(dǎo)致溺水。進一步提問：為什么當游泳者遇到暗流或旋渦時很難游出來？分析總結(jié)得出：暗流和旋渦處的水流速度要遠遠大于其他區(qū)域的水流速度，結(jié)合式（9）可知，暗流和旋渦處的壓強要遠遠小于其他區(qū)域的壓強，而這個壓強差導(dǎo)致的壓力差會使游泳者被緊緊的“吸”在暗流和旋渦區(qū)域出不來，最終導(dǎo)致溺水。借此機會告誡大家夏天千萬不要在開放的水域游泳。為了進一步加深大家對伯努利方程的理解，作者將繼續(xù)提問：為什么等火車的時候我們必須站在白色安全線以內(nèi)？經(jīng)討論分析得出：當火車從我們身邊高速駛過時，人與火車之間的空氣會被火車帶著高速流動，而人背離火車一邊的空氣流速則比較慢，由式（9）可知，此時人的兩邊會形成一個比較大的壓力差，且這個壓力差會推著人撞向火車，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)生利用物理知識排除潛在危險的能力。
四、全反射實用化的教學(xué)
（一）基本理論
當光波從折射率為n1的介質(zhì)入射到折射率為n2的介質(zhì)時要遵循折射定律，其表達式為：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，可使上式等于1，即sinr=1，r=π2。這也就意味著當入射角i=ic時，折射光線只能在兩種介質(zhì)的分界面上傳播。當i＞ic時，入射光線則會在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生全反射，而無法折射進另一種介質(zhì)中。
（二）知識應(yīng)用
為了加深大家對全反射的理解，作者將會引導(dǎo)學(xué)生思考在日常生活中全反射可以用在哪些方面，并詳細講解光纖是如何利用全反射實現(xiàn)信號傳輸?shù)?。具體如下：傳統(tǒng)光纖一般由二氧化硅材料拉制而成，因為該材料具有良好的電磁特性及超低的傳輸損耗等優(yōu)點。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。為了使光信號能夠在纖芯內(nèi)實現(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提高纖芯的折射率，而在包層區(qū)域摻氟或其氧化物來降低包層的折射率。光信號在傳統(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：當入射信號的入射角大于全反射的臨界角時，光信號就能在纖芯內(nèi)實現(xiàn)全反射傳播，從而大大降低其傳輸損耗。光信號在光纖纖芯內(nèi)傳播時的模場圖如圖2（b）所示。我們從此圖可以發(fā)現(xiàn)：當光信號在光纖中傳輸時，光信號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，為了使光信號能夠在光纖中實現(xiàn)全反射傳播，我們不得不對光纖材料進行摻雜，而光纖的電磁特性在摻雜后就會遭到破壞，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)實現(xiàn)光信號的全反射傳播，還能大大提高光纖對光信號的限制能力。圖3（b）為光信號在光子晶體光纖內(nèi)傳播時的電場分布圖。從該圖可以看出光信號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，所以我們可以根據(jù)實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)生對先進科學(xué)技術(shù)的熱愛，培養(yǎng)他們的科學(xué)創(chuàng)新能力，同時還可以把枯燥的理論知識實用化，活躍課堂氣氛，提高教學(xué)效率。
五、結(jié)束語
根據(jù)大學(xué)物理所具有的課程特點，結(jié)合生活事例，作者采用物理知識實用化的教學(xué)方法來克服傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足。實踐結(jié)果表明：合理地把物理知識實用化能有效調(diào)動學(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)新思維和運用知識的能力。
作者:廖健飛 單位:武夷學(xué)院機電工程學(xué)院
