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大學(xué)物理電磁學(xué)學(xué)習(xí)方法
大學(xué)物理電磁學(xué)學(xué)習(xí)方法【1】
【摘要】大學(xué)物理是一般工程技術(shù)類專業(yè)大學(xué)本科生的一門必修基礎(chǔ)課程，主要是學(xué)習(xí)物理學(xué)的一些基本概念、現(xiàn)象及規(guī)律。
電磁學(xué)是研究電磁現(xiàn)象的規(guī)律以及物質(zhì)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)的科學(xué)，不僅蘊含著豐富的物理知識，還包含著很多數(shù)學(xué)知識如微積分、矢量分析等，因此掌握正確的大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)方法是很重要的。
本文主要是根據(jù)作者對于大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)，進而提出一些大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)方法。
【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理 電磁學(xué) 學(xué)習(xí)方法
一、前言
物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是自然界最基本形態(tài)的科學(xué)。
電磁學(xué)是物理學(xué)中的一個重要的分支，在我們的日常生活以及生產(chǎn)活動當(dāng)中，無處不存在著電磁運動，因此學(xué)好電磁學(xué)是很有必要的。
大學(xué)物理電磁學(xué)主要是研究電磁波、電磁場以及有關(guān)電荷、帶電物體的動力學(xué)等，在學(xué)習(xí)時不僅要掌握相應(yīng)的基本概念，還要掌握電磁學(xué)中的一些常見定理，如電場中的高斯定理、磁場中的安培環(huán)路定理等，通過運用定理，深刻理解現(xiàn)象中的物理意義及規(guī)律。
下面將具體分析大學(xué)物理電磁學(xué)的若干學(xué)習(xí)方法。
二、關(guān)于電磁學(xué)
1.電磁學(xué)的起源與發(fā)展
我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用磁現(xiàn)象的國家之一，早在公元前三百年就發(fā)現(xiàn)了磁吸引鐵的現(xiàn)象。
到十九世紀(jì)，電流的磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)等相繼被發(fā)現(xiàn)，并且其規(guī)律也得到了準(zhǔn)確的表述，如歐姆定律、電磁感應(yīng)現(xiàn)象、楞次定律、麥克斯韋方程組等。
隨著電磁學(xué)的發(fā)展，生活中已經(jīng)出現(xiàn)了很多與電磁學(xué)有關(guān)的應(yīng)用，如指南針、避雷針、電磁爐、電磁起重機、磁懸浮列車等，并且在人們的日常生活及工作中發(fā)揮著重要的作用。
2.大學(xué)電磁學(xué)的常見基本定理
2.1高斯定理
高斯定理也稱為高斯公式，主要是表明在閉合曲面內(nèi)的電荷分布與產(chǎn)生的電場之間的關(guān)系。
靜電場的高斯定理公式為：
d=在該式中，左邊是電場強度的通量，右邊的q代表著包圍在封閉曲面內(nèi)的自由電荷和極化電荷的總和。
定理指出，電場強度對任意封閉曲面的通量與該封閉曲面內(nèi)電荷的代數(shù)和有關(guān)，而與曲面內(nèi)電荷的分布位置及曲面外的電荷無關(guān)。
此外，該公式一般用來求電場強度E，而并非是求電場強度的。
而磁場中的高斯定理公式為：
d=0該公式表明，無論是穩(wěn)恒磁場還是時變磁場，由于磁力線總是閉合曲線，如果將閉合曲面向外設(shè)為正方向，那么進入曲面的磁通量為負(fù)，出來的磁通量則為正，故通過其中任何一個閉合曲面的總磁通量都為0。
2.2安培環(huán)路定理
安培環(huán)路定理是指在穩(wěn)恒磁場中，磁感應(yīng)強度B沿任何閉合路徑的線積分，等于這閉合路徑所包圍的各個電流的代數(shù)和乘以磁導(dǎo)率，這一定理反映了穩(wěn)恒磁場的磁感應(yīng)線和載流導(dǎo)線的相互套連性。
磁場中的安培環(huán)路定理公式為：
d=?滋I
該式的左邊是磁場強度環(huán)流，常用來求解磁感應(yīng)強度B。
由于該式中含有定積分，因此在求解時會有一定的困難，但當(dāng)磁場分布的對稱性較高時，利用該定理求解磁感應(yīng)強度就會簡單很多。
在運用該定理時，首先我們要選取合適的磁場回路，盡可能的選取各點磁感應(yīng)強度相等的回路，這樣便能將公式左邊的矢量�c乘積分轉(zhuǎn)化為標(biāo)量積分，把移到積分號外，這樣求解時便容易得多了。
三、大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)方法分析
1.在基本概念、常用定理的掌握上多下功夫
在學(xué)習(xí)電磁學(xué)時，首先要清楚的掌握與電磁學(xué)相關(guān)的一些基本概念，只有將概念掌握清楚了，才能在做題的時候加深理解，牢固的掌握知識。
但是在掌握基本概念時，還要注意一定的方法――一般來說，我們都是從定義開始掌握概念，但是僅僅根據(jù)定義是不夠的，我們還要做到以下幾點：首先，思考為什么要這樣定義?換一種說法行不行?應(yīng)該注意什么?其次，還要掌握電磁學(xué)的一些基本定律和基本定理，結(jié)合定理才能更加深入的了解、掌握概念;最后，實踐檢驗真知。
我們可以通過找一些具體的例題或者是問題來鞏固自己對概念及定律、定理的理解和掌握。
2.注意掌握數(shù)學(xué)工具的運用和訓(xùn)練問題的分析能力
數(shù)學(xué)是物理的基礎(chǔ)，更是研究物理學(xué)的主要工具，因此學(xué)好數(shù)學(xué)知識對大學(xué)物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)有很大的幫助。
在學(xué)習(xí)電磁學(xué)時，要充分利用所學(xué)的高等數(shù)學(xué)的知識去解決物理問題，在運用數(shù)學(xué)工具時，要透過數(shù)學(xué)公式看到公式中所要描述的物理知識，而不要被復(fù)雜的公式弄懵了，遇到一個問題，不要急著去解答，先把重點放在物理模型、圖像上，通過仔細(xì)分析挖掘出模型及圖像蘊含的信息，進而用相應(yīng)的物理方程和方法進行解答。
最后，還要注重電磁學(xué)相關(guān)實驗的學(xué)習(xí)，實驗是我們動手檢驗真理的最好方法，也是我們對自己所學(xué)知識良好的反饋途徑，我們要積極動手去設(shè)計物理模型，如在做“用沖擊電流計測螺線管內(nèi)軸線上磁場的分布”這一實驗時，我們需要用到的實驗器材有墻式?jīng)_擊電流計、螺線管、電阻箱、滑線變阻器、直流安培表等，首先我們應(yīng)明白該實驗的實驗原理――當(dāng)螺線管通以電流I時，則螺線管內(nèi)軸線上任意一點的磁感應(yīng)強度為：
B=?滋0n0(cos ?茁1-cos?茁2)
公式中的μ0為真空磁導(dǎo)率，n0為單位長度線圈的匝數(shù)，β1和β2分別為螺線管內(nèi)軸線上某一點到兩端的張角大小。
根據(jù)這個原理，我們再設(shè)計實驗，準(zhǔn)確記錄實驗數(shù)據(jù)，然后計算、整理、分析，最后得出結(jié)論。
這樣通過自己動手實驗，不僅能夠加深我們對物理基本概念的理解和基本規(guī)律的認(rèn)識，而且還能有效的提高我們分析問題和解決問題的能力。
3.重視代數(shù)量的意義，正確運用代數(shù)量
代數(shù)量又稱為雙向標(biāo)量，是描述兩種可能狀態(tài)的物理量，如分量=v+v，電壓V=V-V=・dl，這些物理量除了大小之外，還有方向。
代數(shù)量分為狀態(tài)型代數(shù)量和取向型代數(shù)量兩種，狀態(tài)型代數(shù)量如溫度T，導(dǎo)體電量Q，而取向型代數(shù)量則是指具有兩種相反取向的物理量，如上述分量，電壓Vab等。
物理量按其性質(zhì)可分為矢量和標(biāo)量，其中標(biāo)量又分為算數(shù)量和代數(shù)量。
矢量的計算比較復(fù)雜，因其不僅有大小，還有方向之分。
算數(shù)量相對來說比較簡單，因其只有正值;而代數(shù)量有正有負(fù)，如電荷、電位差、電通量、電動勢等，計算過程中比較容易出錯。
因此在學(xué)習(xí)電磁學(xué)時，我們必須清楚一些常見代數(shù)量的正負(fù)及其意義，結(jié)合題目具體的信息進行分析辨別，從而解決問題。
結(jié)束語：電磁學(xué)現(xiàn)象在我們的日常生活及工作中隨處可見，學(xué)好電磁學(xué)不僅是專業(yè)知識的需要，也是我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯男枰?/p>
電磁學(xué)是大學(xué)物理的一個重要內(nèi)容，學(xué)起來有一定的難度，我們一定要掌握正確的學(xué)習(xí)方法，在基本概念，基本定理、定律上多下功夫，熟練掌握數(shù)學(xué)工具的使用，重視各項代數(shù)量的含義，鍛煉自己的問題分析能力，從而達到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。
參考文獻：
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[3]張凡，姜偉，王威，國安邦.整合電磁學(xué)課程教學(xué)體系，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)[J].科教文匯(上旬刊).2012(10)
大學(xué)物理電磁學(xué)中的方向問題【2】
【摘要】在大學(xué)物理電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)中，有些物理量除了計算出其大小以外，還要指出其方向。
初學(xué)者由于受中學(xué)階段學(xué)習(xí)的影響，進入大學(xué)后不習(xí)慣用大學(xué)里所學(xué)的方法來判斷方向，或者是不會利用某些公式求解物理量的方向，成為他們學(xué)習(xí)電磁學(xué)感到困難的原因之一。
【關(guān)鍵詞】電磁學(xué);物理量;判斷方向
大學(xué)物理電磁學(xué)中通常要求到這樣的一些物理量，如庫侖力、電場強度、電勢等，在計算時要求除了求出這些物理量的大小外，還要指明其方向。
初學(xué)者由于受中學(xué)階段所學(xué)方法的深刻影響，進入大學(xué)后很難適應(yīng)大學(xué)的方法來判斷這些物理量的方向。
本文就電磁學(xué)學(xué)習(xí)中的一些物理量的方向的判斷進行了總結(jié)。
一、電學(xué)部分物理量的方向的判斷
在大學(xué)物理電學(xué)部分的內(nèi)容中需要判斷方向的物理量主要有：庫侖力、電場強度、電勢梯度，它們都是矢量，因此在計算這些物理量的大小時，還需指明其方向。
下面分別介紹如何判斷這幾個物理量的方向。
1.庫侖力和電場強度方向的判斷
庫侖定律告訴我們，在真空中兩個靜止點電荷之間的作用力大小與其電量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比 。
作用力的方向沿著兩個點電荷的連線方向。
即：
(1)在判斷兩個點電荷的受力方向時，首先要確定施力電荷與受力電荷，式中的r0表示由施力電荷指向受力電荷的單位矢量，單位矢量的方向確定后，再進行力F的方向的判斷，分兩種情況來判斷，如圖1所示，圖中矢量r為q1、q2之間的位矢，單位矢量r0的方向就代表位矢r的方向。
力F的方向沿著兩個點電荷q1和q2的連線，設(shè)定q1為施力電荷，q2為受力電荷。
當(dāng)兩點電荷q1、q2極性同號時，F(xiàn)表現(xiàn)為斥力，其方向與單位矢量r0的方向相同;當(dāng)兩點電荷q1、q2極性相異時，F(xiàn)為吸力，其方向與單位矢量r0的方向相反。
圖1 點電荷q1對點電荷q2的作用力
圖2 點電荷的電場強度的方向
由于電場強度是根據(jù)庫侖力來進行定義的，故其方向的判斷與庫侖力類似。
判斷點電荷所產(chǎn)生的電場強度的方向，同樣先確定單位矢量r0的方向，這里規(guī)定是由場源指向場點(這一點實際上與庫侖力方向的判斷中r0的規(guī)定是一樣的，由電場強度的定義，是在所求點P點放置一單位正點電荷q0，q0在P點所受的力即為該點的電場強度，即r0的方向由施力電荷Q指向受力電荷q0，也就是由場源指向場點)，場源指產(chǎn)生電場強度的源，即點電荷或帶電體，場點指所求點。
在判斷時，先要知道場源電荷的極性，若電荷Q為正電荷，則電場強度的方向沿r0的方向，反之逆著r0的方向指向電荷Q。
如圖2所示。
若場源是連續(xù)的帶電體，則都以點電荷的場強為基礎(chǔ)，分析場強的方向是一樣的。
先采用微元法將帶電體微分成無窮小的元，每一個元看做是點電荷，根據(jù)其極性判斷元電荷產(chǎn)生的場強的方向，在綜合來看總的方向。
例如，判斷均勻帶電細(xì)圓環(huán)軸線上任一點的場強的方向，設(shè)其帶電為Q，則，軸線上任一點的場強的方向沿軸線。
2.電勢梯度方向的判斷
根據(jù)電場強度與電勢梯度之間的關(guān)系式E=-gradU，可知，靜電場中任意點的電場強度矢量等于該點電勢梯度矢量的負(fù)值。
也就是說，要判斷電勢梯度的方向，就要先確定電場強度的方向，電勢梯度的方向與電場強度的方向相反。
二、磁學(xué)部分物理量的方向的判斷
磁學(xué)部分需要判斷方向的物理量主要有：磁感應(yīng)強度(磁場強度)、洛倫茲力、安培力、磁化強度、磁化電流等，這里只介紹常用的幾個物理量的方向的判斷，即磁感應(yīng)強度(磁場強度)、洛倫茲力、安培力方向的判斷，這幾個物理量都是矢量，判斷方向時均可用右手螺旋法則，尤其是兩個力的方向的判斷，在中學(xué)階段曾用左手定則來判斷，這里將全部用右手螺旋法則來判斷。
1.磁感應(yīng)強度(磁場強度)的方向判斷
根據(jù)畢奧-薩伐爾定律：
電流元產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的方向即為的方向，該叉積遵循右手螺旋法則，如圖3所示。
即用右手四指從Idl經(jīng)小于1800角轉(zhuǎn)到r，則伸直的大拇指的指向就是dB的方向。
磁場強度的方向與磁感應(yīng)強度的方向相同。
圖3 右手螺旋法則判斷dB的方向
圖4 右手螺旋法則判斷洛倫茲力的方向
2.洛倫茲力方向的判斷
根據(jù)洛倫茲力公式，洛倫茲力F的方向也有兩個矢量的叉積決定，因此也可用右手螺旋法則來判斷。
如圖4所示，若已知正電荷在磁場中的運動速度的方向、磁場的方向，則運動電荷所受的磁場力(即洛倫茲力)也遵循右手螺旋法則，即右手四指指向速度v的方向，經(jīng)小于1800角轉(zhuǎn)向B，伸直的大拇指的方向即為正電荷的受力方向，若運動電荷極性為負(fù)，則受力方向與正電荷的受力方向相反。
因此首先要判斷正電荷的受力方向。
3.安培力方向的判斷
同樣根據(jù)安培力的公式，電流元Idl所受力的方向也由來決定。
如圖5所示。
若已知電流的方向和磁場的方向，則可判斷電流上任一電流元Idl所受的安培力的方向，即右手四指指向電流的方向，經(jīng)小于180o的方向轉(zhuǎn)向B，伸直的拇指的方向即為安培力的方向。
圖5 右手螺旋法則判斷安培力的方向
圖6 用楞次定律判斷回路內(nèi)感應(yīng)電動勢的方向
三、電磁感應(yīng)部分物理量的方向的判斷
電磁感應(yīng)部分主要判斷感應(yīng)電動勢(或感應(yīng)電流)這一物理量的方向，判斷感應(yīng)電動勢的方向依據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流與感應(yīng)電動勢的方向一致。
下面以磁鐵朝向或逆向載流回路運動為例，分四種情況來進行感應(yīng)電動勢判斷。
如圖6所示。
首先規(guī)定回路l的繞行方向與回路所圍面積的法向n之間的關(guān)系為右手螺旋關(guān)系如圖6(a)所示。
1.當(dāng)n與磁場B之間的夾角小于900時
(1)磁鐵朝向回路運動時，如圖6(b)，回路中的磁場增強，則在回路中產(chǎn)生與原磁場B方向相反的磁場B感，B感的方向與回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向為右手螺旋關(guān)系，因此可以判斷出感應(yīng)電動勢的方向與回路l的繞行方向相反。
(2)磁鐵逆向回路運動時，如圖6(c)，回路中的磁場減弱，則在回路中產(chǎn)生與原磁場B方向相同的磁場B感，B感的方向與回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向為右手螺旋關(guān)系，因此可以判斷出感應(yīng)電動勢的方向與回路l的繞行方向相同。
2.當(dāng)n與磁場B之間的夾角大于90o時
(1)磁鐵朝向回路運動時，如圖6(d)，回路中的磁場增強，則在回路中產(chǎn)生與原磁場B方向相反的磁場B感，B感的方向與回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向為右手螺旋關(guān)系，因此可以判斷出感應(yīng)電動勢的方向與回路l的繞行方向相同。
(2)磁鐵逆向回路運動時，如圖6(e)，回路中的磁場增強，則在回路中產(chǎn)生與原磁場B方向相同的磁場B感，B感的方向與回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向為右手螺旋關(guān)系，因此可以判斷出感應(yīng)電動勢的方向與回路l的繞行方向相反。
大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)的思考與實踐【3】
摘要：本文從電磁學(xué)課程開設(shè)的必要性、電磁學(xué)核心物理思想的提出以及電磁學(xué)中的數(shù)學(xué)物理分析能力的培養(yǎng)等方面闡述了在新形勢下大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)中如何突出核心內(nèi)容實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，并運用于實踐，取得一定的效果。
關(guān)鍵詞：大學(xué)物理;電磁學(xué);物理思想;物理思維;場
電磁學(xué)教學(xué)一直是大學(xué)物理教學(xué)的重難點，一方面該課程存在知識較抽象難懂，系統(tǒng)性強的特點;另一方面課程的新概念多，涉及的數(shù)學(xué)物理方法也多。
加之新形勢下大學(xué)物理課程受到的各種沖擊，如課程整合、微課、慕課的開展等，電磁學(xué)教學(xué)改革迫在眉睫。
近年來，結(jié)合許多物理教育工作者從電磁學(xué)理論體系、電磁學(xué)數(shù)學(xué)物理方法等多方面提出改革方案[1][2][3]，我校的課程團隊也從電磁學(xué)課程開設(shè)的必要性、電磁學(xué)核心物理思想的提取以及電磁學(xué)中的數(shù)學(xué)物理分析能力的培養(yǎng)等方面闡述了在學(xué)時有限的電磁學(xué)教學(xué)中如何突出核心教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，并運用于實踐，取得一定的效果。
一、充分認(rèn)識大學(xué)物理中電磁學(xué)教學(xué)的必要性和重要性
近年來，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)以壓縮學(xué)時和整合內(nèi)容為實現(xiàn)手段，給新背景下大學(xué)物理教學(xué)提出了新的考驗。
有針對性地分層分類教學(xué)已經(jīng)打破了傳統(tǒng)體系的完整性，某些類型的大學(xué)物理課程已經(jīng)開展了內(nèi)容的大刪除，電磁學(xué)是某些專業(yè)刪除的對象之一。
電磁學(xué)是研究電和磁相互作用、規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分支學(xué)科。
由于知識的膨脹，快餐文化的沖擊，經(jīng)典電磁理論被簡單地認(rèn)為是脫離實際的概念和現(xiàn)象，定理定律以及復(fù)雜的微積分運算的總和，基于學(xué)生學(xué)習(xí)反饋的“難”字，更是加深了對電磁學(xué)學(xué)習(xí)的誤解。
一方面是因為現(xiàn)有教學(xué)與新形勢需求之間的矛盾，另一方面是教學(xué)實施未能體現(xiàn)電磁學(xué)教學(xué)的核心和本質(zhì)。
無論是教育者還是被教育者都應(yīng)該充分認(rèn)識到大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)的必要性和重要性。
1.經(jīng)典電磁學(xué)理論的建立過程確立了電磁學(xué)的重要物理地位。
眾所周知，電磁學(xué)理論的完善和牢固地位的確立經(jīng)歷了漫長的歷史時期。
從早期單獨電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的研究，到18世紀(jì)中葉發(fā)現(xiàn)了電力和磁力的平方反比定律，到18世紀(jì)末電堆發(fā)明引入的電磁運動以及之后電流的磁效應(yīng)、歐姆定律、安培定律、電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)，再到19世紀(jì)中期，麥克斯韋建立電磁學(xué)理論，最終確立經(jīng)典電磁理論地位。
麥克斯韋建立的電磁場理論統(tǒng)一描述了各種電磁現(xiàn)象，實現(xiàn)了經(jīng)典電磁理學(xué)的大綜合，被人們公認(rèn)為繼牛頓之后學(xué)力學(xué)史上第二個里程碑式的人物[4]。
電磁學(xué)的學(xué)習(xí)承載了更多物理思想和物理思維方法以及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的，而非僅僅停留在理論學(xué)習(xí)的表面。
2.電磁學(xué)中核心物理思想明確了電磁學(xué)學(xué)習(xí)的重要性。
從經(jīng)典電磁理論的建立過程和電磁學(xué)理論框架中不難確立兩大核心物理思想。
第一是“場”理論的建立。
關(guān)于近距作用力和超距作用力的爭論，以法拉第的“場線”和“場”的提出打開了另一扇理論分析的窗戶，從此在人們眼中物理對象不再僅僅是肉眼可見的實物，還多了一個看不見摸不著無處不在的場。
通過電磁學(xué)學(xué)習(xí)，建立“場”理論，初步掌握場基本分析方法是電磁學(xué)學(xué)習(xí)的目標(biāo)之一。
第二是電磁統(tǒng)一的物理思想。
人類從單獨的電現(xiàn)象和單獨的磁現(xiàn)象開始研究，到奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，引發(fā)法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，到激發(fā)麥克斯韋經(jīng)過嚴(yán)密的理論推導(dǎo)，提出感生電場和位移電流假設(shè)，最后統(tǒng)一了電和磁，建立電磁場方程。
人們眼中原來兩個完全不同的物理現(xiàn)象其內(nèi)涵本質(zhì)卻是一致的，電磁學(xué)理論的建立和學(xué)習(xí)充分體現(xiàn)了物理現(xiàn)象下面本質(zhì)的聯(lián)系。
基于自然界四種基本作用力的大統(tǒng)一理論分析也是科學(xué)家們一直探索的方向。
基于電磁學(xué)中出現(xiàn)的兩大核心物理思想[2]，電磁學(xué)的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。
3.電磁學(xué)中數(shù)學(xué)語言的表達必然強化高等數(shù)學(xué)基本知識的理解和應(yīng)用。
電磁場同其他場對象一樣，共同的特點是無處不在，即彌散性。
且電磁場是矢量場，具有疊加性。
所以分析場特性、相互作用時必不可少的數(shù)學(xué)工具是矢量和微積分。
眾所周知，矢量和微積分是高等數(shù)學(xué)中最基本也是最重要的數(shù)學(xué)知識，多數(shù)大學(xué)生學(xué)完高等數(shù)學(xué)后不能深刻地理解數(shù)學(xué)語言表達的內(nèi)涵，數(shù)學(xué)課上更加強調(diào)定義和運算法則，這就需要在實際對象研究中體現(xiàn)這些優(yōu)美的數(shù)學(xué)語言。
大學(xué)物理力學(xué)部分開始接觸簡單的矢量運算的重點在一維的微積分應(yīng)用，電磁學(xué)從一維線性向三維空間作了推廣，并且把矢量運算和微積分融合，即矢量微積分運用較多。
比如通量、電勢、安培力求解等，并在這些數(shù)學(xué)分析中展現(xiàn)場特有的物理屬性、高斯定理的有源無源性、環(huán)路定理的有旋無旋性等。
電磁學(xué)教學(xué)一方面培養(yǎng)學(xué)生的物理思想，還有更重要的一個方面就是學(xué)會場理論的數(shù)學(xué)描述，并反哺數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)，提升數(shù)學(xué)與物理現(xiàn)象的互譯能力。
二、改革大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)，真正體現(xiàn)電磁學(xué)中的物理思想
1.以“場”為核心，開展大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)。
經(jīng)典電磁學(xué)結(jié)構(gòu)明晰，從靜電學(xué)、靜磁學(xué)到電磁相互作用，最后引出麥克斯韋方程組。
在講授過程中，一方面延續(xù)傳統(tǒng)知識體系的講解順序，一方面不斷強化場分析過程中的特性和方法[5]，形成了特有的知識體系，強化物理思想，弱化復(fù)雜運算。
新知識體系以“場”為中心，從場的彌散性、疊加性出發(fā)來分析講解場的基本參量，如電場強度等，分析場與介質(zhì)的作用;從場論的散度和旋度出發(fā)，分析講解高斯、環(huán)路定理，以及電、磁相互作用，最后基于高斯和環(huán)路得出麥克斯韋方程組。
2.重視經(jīng)典電磁學(xué)建立過程，確立電磁場統(tǒng)一理論。
通過在進入電磁學(xué)學(xué)習(xí)前，引入電磁學(xué)緒論，重點介紹電磁學(xué)發(fā)展和建立過程。
麥克斯韋如何在庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、湯姆遜、法拉第等人的一系列實驗成果和發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，以其深邃的洞察力和精湛的數(shù)學(xué)知識建立了完整的電磁場理論體系。
其中奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，打開電磁相互作用的研究，到后來法拉第的電磁感應(yīng)，以及麥克斯韋重要的兩個概念的假設(shè)，貫穿于此，讓學(xué)生深刻理解科學(xué)家在電磁統(tǒng)一過程中的創(chuàng)新思維、大膽假設(shè)、科學(xué)實踐的精神，同時形成一個初步的電磁場理論體系。
三、重視大學(xué)物理電磁學(xué)中的物理和數(shù)學(xué)互譯能力的培養(yǎng)
1.場的特性和矢量微積分運用。
“場”的彌散性和疊加性決定了場在具體定量分析中的思維方法。
比如，電場強度和磁感應(yīng)強度的求解。
由于場源的不規(guī)則性，將場源先微元化，帶電體微元化為電荷元dq，通電流導(dǎo)線微元化為電流元Idl(矢量)，它們分別產(chǎn)生彌散的電場dE和磁場dB，而每一個微元產(chǎn)生的無處不在的場又在同一考察空間位置疊加，故采用積分運算。
再比如磁場對通電流導(dǎo)線的作用，空間形態(tài)的導(dǎo)線在彌散性的磁場當(dāng)中，由于磁場的不均勻，分析安培力需要對導(dǎo)線先微元化，然后求解該微元導(dǎo)線的微小安培力再積分求和。
諸如此類基于彌散性的場作用分析很多，但是給學(xué)生講解時，在基本作用原理的基礎(chǔ)上還是要以場彌散性特點為背景，更能體現(xiàn)數(shù)學(xué)運算的意義。
“彌散性”特點還體現(xiàn)在一些定性分析中。
同學(xué)們經(jīng)常容易被空間一些實物限制了思維，把一些“場”“擋”在外面，考慮缺失，疊加的時候?qū)ξ⒎e分掌握不牢固，加之沒有充分理解場的“疊加”思想，常常按照例題依葫蘆畫瓢，沒有充分理解其思維特點。
再如，在研究導(dǎo)體靜電感應(yīng)并平衡的案例中，平衡后導(dǎo)體內(nèi)場強為零而形成的類似“屏蔽”的效果，這種由于“疊加”出現(xiàn)的零場值和最初場“彌散性”特點往往引起同學(xué)們的誤會，這也是對“彌散性”和“疊加性”理解的不足。
因此，在教學(xué)中的各個環(huán)節(jié)我們應(yīng)反復(fù)多次通過具體知識點的學(xué)習(xí)強化“場”的特點。
2.初步建立場理論分析的梯度、散度、旋度的數(shù)學(xué)分析方法。
貫穿整個電磁學(xué)學(xué)習(xí)的高斯定理(散度)和環(huán)路定理(旋度)揭示了電磁場的更多時空特性。
靜電場的有源無旋性，穩(wěn)恒磁場的無源有旋性都通過高斯定理和環(huán)路定理得到了體現(xiàn)，加入變化磁場和變化電場(時變場)的影響，最后的麥克斯韋方程組用簡潔的數(shù)學(xué)語言確立了電磁學(xué)統(tǒng)一理論，實現(xiàn)了人類對自然界的又一次綜合[8]。
教學(xué)中，在完成麥克斯韋方程學(xué)習(xí)后，作為“場”對象的研究，設(shè)計了對散度、旋度、梯度三個場理論研究中的基本物理量的簡單闡述。
對比介紹其他如流體場、溫度場、引力場等類似場研究的共通性，明確作為彌散存在的場在研究上類似的一些思維分析方法。
以電磁場作為載體，讓學(xué)生了解場物質(zhì)研究的基本物理思想和方法，而不僅僅停留在高斯定理和環(huán)路定理以及相關(guān)案例解決的表面，缺乏知識的高度，無法實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。
四、小結(jié)
新形勢下的大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)任務(wù)艱巨，但是電磁學(xué)特有的物理屬性和物理思維方式，是開啟“場”學(xué)習(xí)的大門，如何依托電磁學(xué)學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生能力是物理教育工作者需進一步研究的課題，希望通過我們的思考和實踐能提供一個參考，共同促進大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)。
參考文獻：
[1]單亞拿.大學(xué)物理電磁學(xué)教學(xué)改革的研究與實踐[A].2014年全國高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教育學(xué)術(shù)研討會論文集[C].2014：48-50.
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[3]任一濤.電磁場理論課程教學(xué)思考與改革嘗試[J].云南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，36(2)：154-157.
[4]胡化凱.物理學(xué)史二十講[Z].2009，01271-283.
[5]張淑芳.重視“場”，更重視物理思想方法――關(guān)于電磁學(xué)教學(xué)[J].佳木斯教育學(xué)院學(xué)報，2015，135(1)：190-191.
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