浅析电磁学教学中几个要点的把握

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  电磁学是研究物质电磁运动规律的一门科学,电磁运动是比机械运动更高级、更复杂的运动,电磁理论是近代量子理论和现代技术的重要基础,也是探索微观世界的重要理论。因此,有必要对电磁学内容做一些分析。
  一、电磁学的发展历程
  人类很早就认识了磁现象和电现象,我国在战国末期就发现了磁铁矿吸引铁的现象,在东汉初期就有带电的琥珀吸引轻小物体的记载。但是,人类对电磁现象的系统研究,却是在欧洲文艺复兴之后开展起来的,到19世纪才建立了完整的电磁学理论。在电磁学发展过程中,涌现了无数科学家通过科学假说、实验验证、理论分析等研究过程,一步步对自然规律进行揭示。其中比较典型的有:1785年库仑定律的发现,使电学进入了定量研究阶段,真正成为一门科学;1820年奥斯特电流磁效应的发现,揭示了电流能够产生磁场;1821年安培的分子电流假说,揭示了磁现象的电本质;1831年法拉第电磁感应定律的发现,进一步揭示了电和磁的密切联系;19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象成果的基础上,建立了完整的电磁场理论,并成功预言了电磁波的存在,1888年赫兹的实验证实了麦克斯韦的电磁场理论,从而电磁学发展到了顶峰。
  二、电磁学的知识结构和知识规律
  1.知识结构
  2.知识规律
  “电场”一章是学好电磁学的基础和关键,基本概念多,且抽象,如电场强度、电场线、电势和电势能等。教材从电荷在电场中受力和电场力做功两个角度研究电场的基本性质,许多知识要在力学知识的基础上学习。
  “恒定电流”一章是在初中基础上的充实、扩展和提高,重要的物理规律有欧姆定律、电阻定律和焦耳定律,电路的等效处理方法和实验的设计是本章的重点。
  “磁场”一章阐明了磁与电的统一性,用研究电场的方法进行类比,可较好地解决磁场和磁感强度的概念。由安培力导出洛仑兹力,由洛仑兹力导出带电粒子在匀强磁场中的运动规律等,因此,分析推理是本章的特点。
  “电磁感应”一章的重要物理规律是法拉第电磁感应定律和愣次定理,这部分知识中,能量守恒定律是将各知识点串起来的主线。由于楞次定律较抽象,要通过实验进行分析、归纳,需加强学生的抽象思维能力。
  “交变电流”和“电磁波”是在电场和磁场基础上结合电磁感应的理论和实践。麦克斯韦的电磁场理论总结了电磁场的规律,同时也把波动理论从机械波推到电磁波,从而对物质的波动性的认识提高了一步。
  三、电磁学的研究方式:“场”和“路”
  电荷周围存在电场,每个带电粒子都被电场包围着,运动电荷的周围除了电场还存在磁场,磁体的周围也存在磁场。现在的科学实验和广泛的生产实践完全肯定了场的观点,并证明了电磁场可以脱离电荷和电流而独立存在,电磁场是物质的一种形式,是物质相互作用的特殊方式,也是电磁运动的实质。教材中以场为主线,主要有电场、磁场和电磁场。电场强度和电势是描述电场性质的两个重要物理量。磁感强度是描述磁场性质的重要物理量。电磁感应规律是反映电场和磁场间密切联系的一种物理现象。麦克斯韦从理论上指出了变化的电场和磁场总是相互联系的,一个不可分割的统一体,这就是电磁场。库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律为建立麦克斯韦理论,提供了基础和实验规律。
  电路知识具有广泛的实用价值,以路为主线,主要有直流电路、交流电路(包括振荡电路)。欧姆定律是从实验中总结出来的一条重要规律,是解决电路问题的重要依据。要会分析电路的连接方式(串联或并联)及等效处理方法,电功和电功率的计算,不仅能解决直流电路问题,还可以解决交流电路的问题。
  四、电磁学问题的解决途径:“力”和“能”
  电磁场的重要特性是对其中的电荷、运动电荷、电流有力的作用,即带电粒子在电场中受到电场力,运动电荷在磁场中受到洛仑兹力,通电导线在磁场中受到安培力,这些力和重力、弹力、摩擦力一样,都是根据性质命名的力。分析带电物体在场中的运动情况时,力的作用效果仍遵从牛顿运动定律、动量定理和动能定理,研究方法还是力学方法。
  力学中,从力对物体做功得到动能定理开始,接着又推导出机械能守恒定律;电学中从电场力做功得到电势能的概念开始,接着利用能量守恒推导出闭合电路欧姆定律和法拉第电磁感应定律,我们更加深入和扩展了对能量守恒的认识。由于电磁能容易和机械能、内能、化学能和光能等各种形式的能互相转化,所以电磁能就成了各种形式能量的转换中心,电磁能广泛地应用于农业生产和现代化技术的各个领域。
  (责任编辑易志毅)
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