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高中物理電磁學(xué)公式理解問題分析

所屬欄目:教育學(xué)論文 發(fā)布日期:2019-08-03 10:06 熱度:

     摘 要: 電磁學(xué)是高中物理學(xué)習(xí)中的重點和難點,其電磁學(xué)公式的理解又在學(xué)習(xí)過程中起到至關(guān)重要的作用,它是打好物理基礎(chǔ)、學(xué)懂物理知識、靈活應(yīng)用物理公式解題的根本。本文從認(rèn)識公式到理解公式,最后到應(yīng)用公式表述做了相關(guān)分析。

  關(guān)鍵詞: 電磁學(xué); 公式表述; 焦耳定律

高中物理電磁學(xué)公式理解問題分析

  眾所周知,公式是物理的靈魂。在物理學(xué)描述世界的過程中,公式是不可或缺的語言。而在物理學(xué)習(xí)過程中,公式也是我們理解定理、規(guī)律的最佳路徑。在學(xué)習(xí)中,對一個物理意義的闡述幾乎都是圍繞相關(guān)的公式而進行的。

  一、認(rèn)識公式成立條件

  公式成立條件看似是很無意義的問題,比如庫侖定律 F = k q1 q2 R2 的成立條件:真空、點電荷,幾乎是不需要思考的問題。但其實認(rèn)識高中的電磁學(xué)公式后,會發(fā)現(xiàn)對成立條件的思考是對公式理解、運用的前提。例如焦耳定律 Q = I 2 RT 。使用焦耳定律求電流的熱效應(yīng)是對一切電路成立的,但使用焦耳定律求功則僅限于純電阻電路中,即當(dāng)且僅當(dāng)電路為純電阻電路時 W = Q = I 2 RT 成立,當(dāng)電路中有電動機時 W > Q = I 2 RT 。這一點被廣泛應(yīng)用于高中各類考試、測驗中。相較于焦耳定律,對其推論成立條件的探索就更為重要。日常學(xué)習(xí)中,我們對 Q = UIT 或 Q = U2 R T 的使用也很多。但這兩式也是僅在純電阻電路中適用的。但很多同學(xué)卻常常在含電動機的電路中誤用,應(yīng)予以注意。

  二、理解公式成立條件

  我們對于公式成立條件的探究不應(yīng)局限于記憶,這樣的學(xué)習(xí)方式只會令物理變得呆板無趣,極大地戳傷了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。我們更應(yīng)該去推論公式成立條件的原因。以焦耳定律的推論來舉例,我們知道焦耳定律是普適的,但其推論卻不是,為解決這個現(xiàn)象,我們從焦耳定律的推論的來源入手,其初始是焦耳定律 Q = I 2 RT 結(jié)合歐姆定律 U = IR 便得到了它的推論 Q = UIT 與 Q = U2 R T 。我們發(fā)現(xiàn)歐姆定律的適用條件是純電阻電路,如此便找到了焦耳定律推論僅在純電阻電路中成立的原因。

  三、應(yīng)用公式表述問題

  公式的表述絕不是個物理量、運算的拼湊問題,公式的表述不同是對物理學(xué)規(guī)律的不同理解與闡述而非形式主義的改變。雖說同一公式的根本都是核心的物理規(guī)律,這是不能更改的,但公式的表述不同,其意義也會有較大差異。簡單來說 U = IR 與 R = U I 的表述就代表著所求是電勢還是電阻的問題,除此之外,我們知道 U 是會隨著式中的 I、R 變化而變化的,但后式中的 U/I 僅僅只是計算 R 大小的運算,R 的大小并不會隨 U、I 而變化。(對于可變電阻,如小燈泡,其電阻隨 U、I 變化的根本原因不是電學(xué)問題,而是熱學(xué)與材料學(xué)的問題,并且其電阻的變化規(guī)律遠比 U/I 要復(fù)雜的多)這是決定式與定義式之間的區(qū)別,這二者對于數(shù)學(xué)而言可以講完全等價,但在物理中,其意義的區(qū)別就很大,理解好這一類公式的表述,對于更好地理解物理規(guī)律有很大幫助。

  在高中課本中,有些公式相對其原式而言進行了一定的簡化,譬如法拉第電磁感應(yīng)定律的表達式 ε = - d dt ,在高中教學(xué)中使用的則是 ε =Δ Δt ,微分算符 d 在高中物理中的使用基本都由取極小變化量的 Δ 所取代,這二者在使用上對高中生而言幾乎沒有差別,值得注意的是法拉第電磁感應(yīng)定律原式中是有“—” 號的,其原因在于當(dāng)年馮諾依曼先生將該定律的數(shù)學(xué)形式寫出是 ε = k d dt ,此 k 為普適常量,最后實驗求得在國際單位制(SI) 下為—1,這個負號,是對于 ε、 的定義方向而言的。其解釋會牽扯到很多對于高中而言超綱的知識點,所以將其簡化為了 ε =Δ Δt 。但如果我們換個角度考慮一下,不要求掌握旋度、梯度這些麻煩的條件,只是單純的學(xué)習(xí) ε、 使用右手定則的方向定義的話,難度并不大,并且能使我們對法拉第電磁感應(yīng)定律有更好的理解與更好的方向判斷方法。與此同理的還有洛倫茲力的公式等等,筆者于此再對洛倫茲力的表述進行一定的“還原”:高中學(xué)到的洛倫茲力公式為 F = qVBsinθ ,但書上也說明,此式僅用于計算大小,其方向還需再判斷。而我們找到洛倫茲力的原式表述為: F → = q V → × B → ,在此式中,V、B 都是矢量形式,而力 F 的方向為其矢量積,即叉乘,再由 q 的正負決定叉乘結(jié)果的指向。對公式的新表述,能在一定程度上強化我們對公式的應(yīng)用能力與理解水平,也能提升我們對物理學(xué)的興趣,更重要的是,習(xí)慣了其非簡化版表述后對我們在高等教育中學(xué)習(xí)物理甚至是數(shù)學(xué)的幫助是將會是巨大的,畢竟新表述能讓我們更習(xí)慣于使用真正的物理語言。

  四、結(jié)語

  高中電磁學(xué)反映的是電場與磁場的相互作用關(guān)系,揭示的是物理宏觀世界的本質(zhì)規(guī)律,抽象的概念與規(guī)律缺乏表象基礎(chǔ),注重外部表面特征和非本質(zhì)聯(lián)系的高中學(xué)生對于可見度不高的電磁現(xiàn)象及電磁規(guī)律顯得很茫然。只有認(rèn)識公式、理解公式,準(zhǔn)確應(yīng)用公式表述問題,才能避免亂套公式、混淆公式的現(xiàn)象。

  參考文獻:

  [1]孟昭乾.物理課程與教學(xué)論[M].長春: 東北師范大學(xué)出版化,2005.143.

  [2]徐德軍.高中物理公式的分析與甄別[J].理科考試研究,2012,19( 15) : 23-25.

  [3]陸書紅.高中物理公式教學(xué)法的三點嘗試[J].新課程導(dǎo)學(xué),2018( 02) : 84.

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