大学物理知识实用化教学研究
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作为理工科专业的基础课程，大学物理不仅在实际生活中有着十分广泛的应用，而且为其他专业课程的学习提供了必要的物理基础知识。因此，如何在有限的时间内极大地激发学生对大学物理的学习兴趣，充分调动其学习积极性、主动性以及全面提高学生的物理科学素养就显得尤为重要。大学物理虽然是一门与生活实际联系紧密的课程，但在教材的编写过程中通常只重理论而轻实际，使学生在学习时需要面对诸多繁杂的理论推导，这样不仅无法激发学生的学习兴趣，还让很多学生对物理产生了畏惧心理，并最终演化为对大学物理这门课程的讨厌和排斥。为了能够改变现有大学生对学习物理知识存在困难和缺乏兴趣等现状，许多教师在教学内容、手段和考核方式等方面进行了改革[1-4]。然而，受限于种种因素，大部分教师在实际的教学过程中仍然采用传统的“理论+例题”的教学模式，这样无法有效的将理论知识与实际应用联系起来，从而导致教学课堂枯燥，学生学习效率低下等不良后果。为了能够克服传统教学模式所造成的诸多不足，作者在平时的教学过程中采用了物理知识实用化的教学方法。发现该教学方法因能优化教学效果、活跃课堂气氛、培养学生分析和解决问题等能力而广受学生喜爱。
一、动量定理实用化的教学
（一）基本理论
牛顿第二定律的微分表达式为[5]：Fdt=dp。（1）考虑从t0到t1这一过程，对上式积分可得：上式等号最左边用冲量表示：把式（3）代入式（2）可得动量定理的最终表达式：I=P1-P0。（4）式（4）表明：在运动过程中，物体所受合外力的冲量等于其动量的变化量。
（二）知识应用
通过上述理论的讲解，学生基本能够理解动量定理所包含的物理意义，但还不具备利用动量定理来解决实际问题的能力。因此，作者将会进一步引导学生思考动量定理在日常生活中有哪些用处，并提问：为什么对汽车都要限速行驶？在此基础上引导学生展开讨论，最后请一位同学总结得出：对于同一辆汽车而言，它所具有的动量与它的速度成正比，即速度越大时动量也越大。而遇到特殊情况紧急停车的过程就是把汽车的动量减小为零的过程。抛开个人的反应速度而言，由式（4）可以看出，当汽车速度太快导致动量过大时，司机就无法做到立刻停车而造成交通事故。因为汽车刹车时提供的最大阻力是一个定值，所以当动量越大时停车所花的时间也越多，司机也就无法做到在紧急情况下立马停车。接下来继续追问：为什么在下雨天要减速慢行？通过讨论并最终总结得出：下雨天路面变湿，这会减小汽车轮胎与地面之间的摩擦力，由式（4）可知此时所需的停车时间比平时更长，所以当汽车速度过快时，更容易出现交通事故。通过上述两个思考题的讲解，不仅能够充分调动学生的积极性，活跃课堂气氛，还能让学生把动量定理与生活实践联系起来，培养学生学以致用的能力，在此基础上还给学生灌输了安全驾驶的重要理念。
二、质心运动定理实用化的教学
（一）基本理论
质点系运动定理的微分表达式为[5]：表示质心加速度，将式（6）代入式（5）可得质心运动定理的最终表达式：上式表明，质心的运动和一个特殊的质点具有相同的运动规律：该质点与质点系具有相同的质量，且该质点所受到的力与质点系所受到的外力矢量和相等。
（二）知识应用
由于质心是一个比较抽象的物理量，如果单纯只是从理论上进行推导讲解，不仅无法激发学生的学习兴趣，还会使课堂变得枯燥无味，从而导致很多同学都无法理解质心运动定理本质内涵。为了突破这一难点，作者将会列举一些生活例子，将质心运动定理实用化。如提问：在不倒出来的情况下怎样才能把放在箩筐中的大地瓜挑出来？在分组讨论后引导学生总结得出：只要将箩筐左右摇晃就能把大地瓜挑出来。其原因是：我们可以把箩筐中的所有地瓜看成一个质点系，当箩筐静止时，质点系所受的合外力为零，其质心位于箩筐中的某一位置。将箩筐左右摇晃时，箩筐的底部将会脱离地面，此时质心在竖直方向上受到的合外力不为零，即重力要大于支持力。在这个合外力的作用下，质心会获得一个向下的加速度而向箩筐底部方向运动，进而导致箩筐下部分的地瓜密度要大于其顶部的地瓜密度，这也就意味着大地瓜全都跑到箩筐的顶部了。此时我们就可以轻松的把大地瓜挑出来。在此基础上进一步引导学生思考在日常生活中质心运动定理还可以解决哪些问题，最后总结得出：利用质心运动定理还可以用来挑选大瓜子、大花生、大土豆等。通过上述事例的讲解，不仅让枯燥繁杂的物理知识生活化，使其变得通俗易懂，还可以极大地激发学生的学习热情，培养学生分析和解决问题的能力。
三、伯努利方程实用化的教学
（一）基本理论
对同一条流线利用质点组功能原理可以推导出伯努利方程的表达式为[5]：当流体在水平流管中流动时，伯努利方程变为：由上式可知，当理想流体在水平管道中流动时，其内部各点的压强与流速成反比关系。
（二）知识应用
由于伯努利方程的理论推导过程比较复杂，导致不少学生无法理解该方程所包含的物理意义。为了让大家更好地理解伯努利方程，作者会通过以下方式将该方程实用化。首先提问：为什么在游泳馆以外的水域游泳容易出问题？接下来引导学生讨论总结得出：由于开放水域的水底地形比较复杂，容易形成暗流和旋涡，当游泳者遇到暗流或旋涡时就会被卷入其中出不来，从而导致溺水。进一步提问：为什么当游泳者遇到暗流或旋涡时很难游出来？分析总结得出：暗流和旋涡处的水流速度要远远大于其他区域的水流速度，结合式（9）可知，暗流和旋涡处的压强要远远小于其他区域的压强，而这个压强差导致的压力差会使游泳者被紧紧的“吸”在暗流和旋涡区域出不来，最终导致溺水。借此机会告诫大家夏天千万不要在开放的水域游泳。为了进一步加深大家对伯努利方程的理解，作者将继续提问：为什么等火车的时候我们必须站在白色安全线以内？经讨论分析得出：当火车从我们身边高速驶过时，人与火车之间的空气会被火车带着高速流动，而人背离火车一边的空气流速则比较慢，由式（9）可知，此时人的两边会形成一个比较大的压力差，且这个压力差会推着人撞向火车，所以我们必须站在白色安全线以内候车，更不能到铁路附近游玩。以上讨论不仅可以充分调动学生的学习积极性，提高其学习效率，还能培养学生利用物理知识排除潜在危险的能力。
四、全反射实用化的教学
（一）基本理论
当光波从折射率为n1的介质入射到折射率为n2的介质时要遵循折射定律，其表达式为：sinisinr=n2n1，式中i为入射角，r为折射角。上式变形可得：sinr=n1n2sini。（11）由上式可知，如果n1>n2，且角i为全反射临界角ic时，可使上式等于1，即sinr=1，r=π2。这也就意味着当入射角i=ic时，折射光线只能在两种介质的分界面上传播。当i＞ic时，入射光线则会在两种介质的分界面上发生全反射，而无法折射进另一种介质中。
（二）知识应用
为了加深大家对全反射的理解，作者将会引导学生思考在日常生活中全反射可以用在哪些方面，并详细讲解光纤是如何利用全反射实现信号传输的。具体如下：传统光纤一般由二氧化硅材料拉制而成，因为该材料具有良好的电磁特性及超低的传输损耗等优点。传统光纤的结构主要包括纤芯和包层两部分组成，具体结构由图1（a）所示。为了使光信号能够在纤芯内实现全反射传输，这就要求纤芯区域的折射率n1要大于包层区域的折射率n2。传统阶跃折射率光纤的折射率分布如图1（b）所示。如今，为了使n1＞n2，我们可以通过在纤芯区域掺锗或硅纳米晶体等材料来提高纤芯的折射率，而在包层区域掺氟或其氧化物来降低包层的折射率。光信号在传统光纤纤芯内的传播路径如图2（a）所示。从该图可以看出：当入射信号的入射角大于全反射的临界角时，光信号就能在纤芯内实现全反射传播，从而大大降低其传输损耗。光信号在光纤纤芯内传播时的模场图如图2（b）所示。我们从此图可以发现：当光信号在光纤中传输时，光信号的绝大部分能量都被限制在纤芯区域，只有极少部分能量泄漏到包层，这样就可以大大减小其传输损耗。然而，为了使光信号能够在光纤中实现全反射传播，我们不得不对光纤材料进行掺杂，而光纤的电磁特性在掺杂后就会遭到破坏，再加上传统光纤的结构比较单一，所以我们无法灵活控制其导光特性。为了能够克服这一难题，内全反射光子晶体光纤则因应而生。内全反射光子晶体光纤的结构如图3（a）所示。为了能够有效减小包层折射率，在光纤的包层区域引入了三层按正六边形分布的圆形空气孔。光纤的纤芯位于其最中心位置，由一根石英棒代替一个圆形空气孔所形成。由于光纤在拉制过程中没有掺杂，所以该结构可以在不破坏其电磁特性的同时极大地提高纤芯与包层之间的折射率差，这样不仅能在纤芯内实现光信号的全反射传播，还能大大提高光纤对光信号的限制能力。图3（b）为光信号在光子晶体光纤内传播时的电场分布图。从该图可以看出光信号能被很好的限制在纤芯区域内传输。此外，由于光子晶体光纤的传输特性与其结构形状有密切联系，而包层空气孔的大小、形状及分布周期都可以灵活设计，所以我们可以根据实际需要灵活控制光子晶体光纤的传输特性，从而使其获得传统光纤所不具备的高双折射、高非线性、色散可调等诸多优秀的导光特性。通过上述内容的讲解不仅可以极大地激发学生对先进科学技术的热爱，培养他们的科学创新能力，同时还可以把枯燥的理论知识实用化，活跃课堂气氛，提高教学效率。
五、结束语
根据大学物理所具有的课程特点，结合生活事例，作者采用物理知识实用化的教学方法来克服传统教学模式的不足。实践结果表明：合理地把物理知识实用化能有效调动学生的学习积极性，充分发挥学生在课堂上的主体作用，从而提高课堂教学效果。此外，该教学方法还有利于培养学生的创新思维和运用知识的能力。
作者:廖健飞 单位:武夷学院机电工程学院
