王琳

摘 要：為適應現(xiàn)代社會對工程技術人才的更高要求，高教領域理論基礎課程也迫切需要面向現(xiàn)代工程教育的教學改革和實踐。大學物理是一切工程技術的理論基礎，為了讓學生在今后的實踐工作中能夠更好地將理論知識融匯到其中去，在大學物理《電磁學與光學》的授課時，作者將一些成功的工程技術相關案例作為素材融入到其中，增加了學生對基礎知識的鞏固，建立完整鏈條的物理模型及實際應用，強化了學生工程實踐和科技創(chuàng)新意識，達到在大學物理課堂教學中工程實踐和科技創(chuàng)新意識培養(yǎng)的要求。

關鍵詞：電磁學與光學；工程教育；案例分析；課堂教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）17-0098-03

Abstract： In order to meet the higher requirements of engineering and technical talents in modern society， the higher education theoretical foundation course also urgently need to be geared to teaching reform and practicing of modern engineering education. Physics is the theoretical foundation of all engineering technology. In order to guide students to combine theory with practice， the author adds some successful engineering cases as course material into the course "Electromagnetics and Optics"， which consolidates the basic knowledge of students， establishes a complete chain of physical model and practical application， strengthens the students' engineering practice and innovation awareness， and thus meet the requirements of developing the engineering practice and innovation consciousness of science and technology in the classroom of college physics.

Keywords： electromagnetics and optics； engineering education； case analysis； classroom teaching

一、概述

隨著社會的進步，科技的發(fā)展，工程教育理念逐步被融入到應用型大學的實踐教學領域中。大學物理是面向幾乎所有專業(yè)的核心基礎課，為培養(yǎng)研究型人才打好物理基礎。目前的工程技術，從原理上講大多數(shù)都屬于大學物理范疇。在教育的過程中，我們通過借助互聯(lián)網(wǎng)時代下快速發(fā)展起來的多媒體教學技術，以及在教課書中融入成功的工程技術相關案例素材，以此來促進學生對于一些晦澀知識點的從其誕生到現(xiàn)在的實際生活的運用等方面進行深入地學習。這樣新舊知識一脈相承形成完善的體系，通過經(jīng)典理論的再現(xiàn)，新知識的引入順理成章。本文以大學物理中的《電磁學與光學》為主，引入實際教學案例，在要求學生熟練掌握大學物理課本內(nèi)常用專有名詞的概念和一些物理現(xiàn)象的基本規(guī)律等后，在一定程度上將它們在實際工程案例中的運用進行介紹，從而讓學生更好的理解理論與實踐之間的關系，并且了解這些理論在現(xiàn)實生產(chǎn)技術領域內(nèi)所開展的推廣應用情況，這樣有助于學生更好地掌握課本知識，提高學習的主動性和積極性，幫助學生在大學物理課堂教學中，建立理工科學習興趣，樹立工程教育意義。

二、電磁學和光學工程教育教學案例

（一）靜電噴漆

靜電噴漆屬于靜電學中的應用案例。霧化的油漆微粒在直流高壓（80～90kV）電場中帶負電荷，在電場力作用下，油漆微粒飛向帶正電荷的工件表面，形成漆膜，此過程稱為靜電噴漆。

物理原理：靜電噴漆是將被涂物當成正極，日常情景下接地；涂料霧化裝置為負極，接電源設置為負極，如此在正負極間能夠形成靜電場。并且在負極附件區(qū)域內(nèi)可以出現(xiàn)電暈放電，在放電地過程中使得涂料內(nèi)的介質出現(xiàn)電荷的轉移從而帶電，并且進一步實現(xiàn)霧化。根據(jù)同性相離、異性相吸的原理，以及帶電介質受電場力影響，涂料跟被涂物形成環(huán)抱效果，沿電場線向著靜電噴漆噴過的帶有正電荷的被涂物上，并且分布勻稱且有較強的吸附能力，從而形成一層薄膜。

工程應用：根據(jù)國內(nèi)外相關調研結果顯示，靜電噴漆技術作為近幾年內(nèi)研發(fā)出來的技術，它在各種工業(yè)內(nèi)都受到了重視，主要被用來處理產(chǎn)品表面。相比與傳統(tǒng)的產(chǎn)品表面處理工序而言，其發(fā)展勢頭如此好，在一定程度上是因為它具有如下幾大特點：1.所需要的涂料很少就能達到想要的效果；2.綠色環(huán)保，不僅無毒害，而且在一定程度上能凈化環(huán)境；3.能夠使用機器化工作模式，減少人工操作，并且具有高效特征。

注意事項：1.工作時安全電壓為小于9萬伏，短路電流為小于0.7毫安，工作運轉時超過安全電壓，對相關工作人員會造成一定程度的不利影響。

2. 在進行完噴漆工作后，需要馬上將噴槍接觸地面。這樣可以釋放內(nèi)部的電荷，減少進入到人身體上的電荷。

3. 為了避免意外短路時產(chǎn)生電火花，在進行工作時要與操作界面保持一公分以上的距離。

4. 在操作前務必要確認各部分的線路連接正常，一定要注意機殼和工件的接地正常，避免高壓靜電。

（二）生物磁學的應用研究

生物磁學屬于靜磁學中的應用案例。生物磁學是研究生物磁性和生物磁場的生物物理學。生物磁學研究與物理學、生物學、醫(yī)學等密切相關，而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學診斷和治療、生物工程等方面都有廣闊應用前景。

生物材料的磁性：在對生物大分子的廣泛研究中，發(fā)現(xiàn)大部分生物材料具有抗磁性，少數(shù)為順磁性，極少數(shù)呈現(xiàn)鐵磁性。

1. 生物材料的抗磁性，表現(xiàn)在生物分子在磁場作用下產(chǎn)生與磁場方向相反的運動，使原來的磁場減弱。一些綠色植物單細胞或者葉綠體放置于磁場中，當葉綠體的平面結構與磁場垂直取向時，分子受到的磁場力最大，與磁場平行時，磁場力最小。

2. 生物材料的順磁性與其中有過渡金屬離子的成分有關。生物機體內(nèi)所具有的所有金屬離子中，屬于順磁性金屬離子有八種之余。例如進行氧化輸送的血紅蛋白，進行電子傳遞的細胞色素，DNA分子生物合成需要的核糖核苷酸還原酶等。此外，任何物質受磁場作用都有抗磁性，只不過在順磁性物質中，由于順磁性超過抗磁性，故整體對外表現(xiàn)為順磁性。

3. 在生物體如磁性細菌、鴿子和個別人體發(fā)現(xiàn)有鐵等具有磁性的金屬物質存在，并且對生物體的生存具有重要的意義，能夠讓生物在一定程度上辨識方向，大雁南歸靠的就是體內(nèi)具有磁效應的羅盤準確的從千里遙途飛回鵲巢?？茖W家也曾發(fā)現(xiàn)在某些人的鼻竇骨的表層下約5？滋m處有一層鐵質層，據(jù)估計與人的第六感覺即磁感覺有關。人體磁場遠低于地磁場，約為10-12T，很難進行觀察和研究，目前主要采用磁屏蔽原理和空間鑒別技術。

磁場的生物效應：

1. 磁致遺傳效應：磁場處理能夠在一定程度上誘導基因突變的現(xiàn)象。如用強度不同的磁場對大麥種子進行處理后，發(fā)現(xiàn)DNA合成率下降了，同時在第二代的染色體中也觀測到了畸變。通過對生物基因突變學的相關研究進行綜合分析，一部分生物研究學者認為，磁場對誘導基因突變主要是通過對DNA分子內(nèi)部氫鍵的作用，使得DNA的結構發(fā)生變化，從而影響基因的表達。

2. 磁致生長效應：磁場對生物生命過程的各個階段各個環(huán)節(jié)均具有一定的影響。如一旦磁場的強度超過了1.4T就能夠在一定程度上對細菌生長產(chǎn)生嚴重的影響。此外，地磁場反向時，會導致生物滅絕。

3. 磁致放大效應：具有低能量的外加磁場，能夠產(chǎn)生具有很大能量的生物效應。根據(jù)能量平衡相關原理來講，這是磁場在生物效應中所起的作用，只能看著是起到的激發(fā)引導作用，通過其導致生物體內(nèi)能量短時間內(nèi)放大化作用。當外加磁場達到最大值時，生物效應就開始出現(xiàn)，隨著磁場作用的增大，生物效應隨之增大，這是一種累積效應。

（三）霍耳效應的應用

霍耳效應是美國物理學家愛德華·霍耳1879年發(fā)現(xiàn)的，霍耳效應就是把一塊導電板放在磁感應強度為B磁場中，導電板通有縱向電流，這樣，在導電板的橫線兩側面就會呈現(xiàn)出一定的電勢差，所產(chǎn)生的電勢差即霍耳電壓。表達式如公式（1），顯然霍耳電壓跟電流I成正比，跟磁場的磁感應強度B成正比，跟載流子的數(shù)密度n成反比。公式不僅揭示了電流與磁場之間的相互作用，而且體現(xiàn)了霍耳電壓與載流子數(shù)密度之間的關系。

由公式（1）可知，若是金屬導體，導體內(nèi)部的載流子數(shù)密度n很高，霍耳效應很??；而半導體中，載流子數(shù)密度n比較低，因此會產(chǎn)生很強的霍耳效應。利用霍耳效應工作原理制備成的半導體元件在科研和生產(chǎn)中都有非常廣泛的應用，主要包括判斷半導體材料性質、測量磁場、測量電流、霍耳傳感器、磁流體發(fā)電機和電磁流量計等。

1. 判斷半導體的材料，根據(jù)霍耳電壓的公式，可以通過測量外加磁場中的霍耳電壓來判斷傳導載流子的類型，電子型半導體中的多數(shù)載流子帶負電?？昭ㄐ桶雽w中的多數(shù)載流子帶正電。兩種類型的半導體相對應的霍耳電壓方向正好相反。因此，通過電壓表的偏轉方向就可以很容易的判斷電子型或空穴型半導體。同樣的也可用來測量載流子的濃度，這種方法廣泛的被應用在半導體摻雜載體的性質和濃度的測量上。

2. 測量磁場，霍耳效應本質上就是一種電磁效應，原理是在電流垂直的方向上加磁場，這樣，就會在與電流和磁場平面垂直的方向上建立一個電場。所以，可以根據(jù)霍耳電壓來測量未知磁場的分布。具體實驗的方法是：將霍耳器件放置在未知磁場的任意位置，然后在磁場中旋轉一周，仔細觀察所測霍耳電壓值的大小變化會由0增加到最大，然后由最大變化到0，當電壓值最大時所對應的磁感應強度就是該點磁場的大小，此時霍耳器件的法線方向即該點磁場的方向。

3. 量電流，霍耳電流傳感器是一種高性能的新型電氣檢測元件，可以用來隔離主電路回路和顯示控制電路。并且最適合用來測量電力電子設備的過電流或短路保護電路中檢測電流信號，還可以用來進行電流反饋和截流、穩(wěn)流控制等。

4. 測量微小位移量，保持霍耳元器件的工作電流不變，使其在均勻磁場中移動，霍耳電壓的輸出值由磁場中的位移量來決定，所以能夠用霍耳元件來測量微小位移量，即霍耳微位移傳感器。該傳感器的優(yōu)點是慣性比較小、頻率響應速度快、工作壽命較長?；舳€可以用來制備其他類型的傳感器，比方壓力、應力、重力傳感器等。

5. 磁流體發(fā)電機，基本原理就是霍耳效應。磁流體發(fā)電機是將物體的內(nèi)能轉化成電能的裝置，兩平行金屬板之間有一個較強的磁場，一束等離子體以一定的速度噴射入磁場中，正、負離子在磁場力（洛倫茲力）的作用下發(fā)生偏轉，然后分別聚焦到兩極板上，這樣兩極板相當于直流穩(wěn)壓電源的兩個電極。當?shù)入x子體作勻速直線運動時，此時，兩板間的電壓值達到最大即電源的電動勢。

6. 電磁流量計，用來測量導電的液體。將流量計放在均勻磁場中，磁場垂直于前后兩面，當導電液體中的帶電粒子流經(jīng)管道時，導體的上、下表面會分別帶電，最終達到動態(tài)平衡狀態(tài)。此時，電源電動勢即上、下兩表面間的電勢差，導電液體在洛倫茲力和電場力這一對平衡力的作用下繼續(xù)做勻速直線運動，流過導體管內(nèi)橫截面的流體體積也將保持恒定。實驗所測的導電液體的流量就是單位體積內(nèi)流過導體管內(nèi)橫截面積流體的體積。

霍耳傳感器得益于集成電路的發(fā)展，并且隨著大規(guī)模集成電路和微機械加工技術的發(fā)展，出現(xiàn)了三、四端口的固態(tài)霍耳傳感器，使傳感器制備工藝從二維平面發(fā)展到三維空間，實現(xiàn)了產(chǎn)品的微型化、產(chǎn)業(yè)化和實用化。近些年，科學家對量子霍耳器件的研究頗多，相信未來在該領域將會不斷呈現(xiàn)出新的科研成果，更好地為人類服務。

（四）數(shù)字全息照相

數(shù)字全息照相屬于光學中的應用案例。全息術是利用光的干涉同時記錄物光的強度信息和相位信息，所產(chǎn)生的像是完全逼真的立體三維像，立體三維成像技術能夠從各個角度及細節(jié)來反映真實情況，根據(jù)實際情況，對聚焦的距離進行調整。數(shù)字全息在物理學的各個方面的產(chǎn)業(yè)中均的到了不同程度的重視，以及推廣應用。

1. 數(shù)字全息照相的兩個過程

（1）波前全息記錄：利用光的干涉記錄物光的相位和強度分布。不同的光波通過激光器后別分割成兩束。一束為物光波，另一束是與物光相干的參考光。通過對干涉條紋所呈現(xiàn)出來的性狀以及密度來了解物光的分布。通過其呈現(xiàn)出的明暗來了解物光的振幅，感光底片將條紋記錄下來，然后經(jīng)過顯影、定影處理后，就能夠洗出一張與光柵相似結構的全息照片。

（2）物光波前再現(xiàn)：用一束參考光照射在全息圖上，類似于光柵發(fā)生衍射，衍射光波中能夠體現(xiàn)之前的物光波。由此，當順著物光波進行觀察，即能夠看到具有之前物體所有特點的物體的再現(xiàn)像。

2. 數(shù)字全息照片的四個特征

（1）全息照片上的花紋基本在各個方面均有異于被攝物體，但是一旦有相干光束的幫助，物體圖像卻能通過花紋達到如實重現(xiàn)的效果。

（2）三維再現(xiàn)效果強，能夠將各視角及細節(jié)都呈現(xiàn)出來，同時能夠對比細微的差異。

（3）全息圖只要任取其中一小片，同樣可以用來重現(xiàn)物光波。類似于在小窗口觀察物體一樣，仍可以看到物體的全貌。但由于受光面積減少，成像光束的強度也相應的減弱；所以一旦全息圖面積減小，其邊緣的衍射效應更明顯，從而影響像質。

（4）同一張照片上可以重疊動態(tài)中數(shù)張不同的全息圖。曝光后經(jīng)過處理再現(xiàn)時可重現(xiàn)不同圖像。

三、工程教育在基礎物理教學中的意義

將大學物理基礎知識點相關的事例素材進行歸納整理，同時借助互聯(lián)網(wǎng)時代下快速發(fā)展起來的多媒體教學技術，來將工程技術融入到大學物理課題教學中，會極大的提高學生對自然科學知識學習的興趣。以電學中的電容器為例，工程技術上需要將大量的電荷儲存起來，于是最早的電容器萊頓瓶誕生了。電容器是電子設備中的儲能器件，廣泛應用于電子工藝中的耦合、濾波和傳感等多個領域。微型電容器和超大電容器是目前電容器發(fā)展的兩個方向，其中微型電容器是微小型電路板的主要元件，而超大電容器是目前大力發(fā)展的新能源汽車等的重要部件。在大學物理《電磁學和光學》教學中，通過借助互聯(lián)網(wǎng)時代下快速發(fā)展起來的多媒體教學技術，以及在教課書中融入成功的工程技術相關案例素材，將工程實踐融入理論學習中，并且在課堂上已現(xiàn)實案例為基礎來鍛煉學生科技創(chuàng)新能力，加強其創(chuàng)新意識。通過這種教育模式來讓學生熟悉工程應用領域。高度符合在大學物理課堂教學中注重工程教育培養(yǎng)的要求，值得進一步推廣學習深入實踐。

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