大學(xué)物理電磁學(xué)與光學(xué)工程教育研究論文

時(shí)間：2024-06-23 14:14:38 教育畢業(yè)論文我要投稿

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

大學(xué)物理電磁學(xué)與光學(xué)工程教育研究論文

　　關(guān)鍵詞：電磁學(xué)與光學(xué)；工程教育；案例分析；課堂教學(xué)

　　一、概述

　　隨著社會的進(jìn)步，科技的發(fā)展，工程教育理念逐步被融入到應(yīng)用型大學(xué)的實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域中。大學(xué)物理是面向幾乎所有專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，為培養(yǎng)研究型人才打好物理基礎(chǔ)。目前的工程技術(shù)，從原理上講大多數(shù)都屬于大學(xué)物理范疇。在教育的過程中，我們通過借助互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下快速發(fā)展起來的多媒體教學(xué)技術(shù)，以及在教課書中融入成功的工程技術(shù)相關(guān)案例素材，以此來促進(jìn)學(xué)生對于一些晦澀知識點(diǎn)的從其誕生到現(xiàn)在的實(shí)際生活的運(yùn)用等方面進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)。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(xué)物理中的《電磁學(xué)與光學(xué)》為主，引入實(shí)際教學(xué)案例，在要求學(xué)生熟練掌握大學(xué)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(shí)際工程案例中的運(yùn)用進(jìn)行介紹，從而讓學(xué)生更好的理解理論與實(shí)踐之間的關(guān)系，并且了解這些理論在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所開展的推廣應(yīng)用情況，這樣有助于學(xué)生更好地掌握課本知識，提高學(xué)習(xí)的主動性和積極性，幫助學(xué)生在大學(xué)物理課堂教學(xué)中，建立理工科學(xué)習(xí)興趣，樹立工程教育意義。

　　二、電磁學(xué)和光學(xué)工程教育教學(xué)案例

　�。ㄒ唬╈o電噴漆

　　靜電噴漆屬于靜電學(xué)中的應(yīng)用案例。霧化的油漆微粒在直流高壓（80～90kV）電場中帶負(fù)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(dāng)成正極，日常情景下接地；涂料霧化裝置為負(fù)極，接電源設(shè)置為負(fù)極，如此在正負(fù)極間能夠形成靜電場。并且在負(fù)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(zhì)出現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移從而帶電，并且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)霧化。根據(jù)同性相離、異性相吸的原理，以及帶電介質(zhì)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(qiáng)的吸附能力，從而形成一層薄膜。工程應(yīng)用：根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)調(diào)研結(jié)果顯示，靜電噴漆技術(shù)作為近幾年內(nèi)研發(fā)出來的技術(shù)，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?yàn)樗哂腥缦聨状筇攸c(diǎn)：1.所需要的涂料很少就能達(dá)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(jī)器化工作模式，減少人工操作，并且具有高效特征。注意事項(xiàng)：1.工作時(shí)安全電壓為小于9萬伏，短路電流為小于0.7毫安，工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)超過安全電壓，對相關(guān)工作人員會造成一定程度的不利影響。2.在進(jìn)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(jìn)入到人身體上的電荷。3.為了避免意外短路時(shí)產(chǎn)生電火花，在進(jìn)行工作時(shí)要與操作界面保持一公分以上的距離。4.在操作前務(wù)必要確認(rèn)各部分的線路連接正常，一定要注意機(jī)殼和工件的接地正常，避免高壓靜電。

　�。ǘ┥锎艑W(xué)的應(yīng)用研究

　　生物磁學(xué)屬于靜磁學(xué)中的應(yīng)用案例。生物磁學(xué)是研究生物磁性和生物磁場的生物物理學(xué)。生物磁學(xué)研究與物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等密切相關(guān)，而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷和治療、生物工程等方面都有廣闊應(yīng)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(yùn)動，使原來的磁場減弱。一些綠色植物單細(xì)胞或者葉綠體放置于磁場中，當(dāng)葉綠體的平面結(jié)構(gòu)與磁場垂直取向時(shí)，分子受到的磁場力最大，與磁場平行時(shí)，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(guān)。生物機(jī)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(jìn)行氧化輸送的血紅蛋白，進(jìn)行電子傳遞的細(xì)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(zhì)受磁場作用都有抗磁性，只不過在順磁性物質(zhì)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(xì)菌、鴿子和個(gè)別人體發(fā)現(xiàn)有鐵等具有磁性的金屬物質(zhì)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(yīng)的羅盤準(zhǔn)確的從千里遙途飛回鵲巢。科學(xué)家也曾發(fā)現(xiàn)在某些人的鼻竇骨的表層下約5μm處有一層鐵質(zhì)層，據(jù)估計(jì)與人的第六感覺即磁感覺有關(guān)。人體磁場遠(yuǎn)低于地磁場，約為10-12T，很難進(jìn)行觀察和研究，目前主要采用磁屏蔽原理和空間鑒別技術(shù)。磁場的生物效應(yīng)：1.磁致遺傳效應(yīng)：磁場處理能夠在一定程度上誘導(dǎo)基因突變的現(xiàn)象。如用強(qiáng)度不同的磁場對大麥種子進(jìn)行處理后，發(fā)現(xiàn)DNA合成率下降了，同時(shí)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(xué)的相關(guān)研究進(jìn)行綜合分析，一部分生物研究學(xué)者認(rèn)為，磁場對誘導(dǎo)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(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響基因的表達(dá)。2.磁致生長效應(yīng)：磁場對生物生命過程的各個(gè)階段各個(gè)環(huán)節(jié)均具有一定的影響。如一旦磁場的強(qiáng)度超過了1.4T就能夠在一定程度上對細(xì)菌生長產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。此外，地磁場反向時(shí)，會導(dǎo)致生物滅絕。3.磁致放大效應(yīng)：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(yīng)。根據(jù)能量平衡相關(guān)原理來講，這是磁場在生物效應(yīng)中所起的作用，只能看著是起到的激發(fā)引導(dǎo)作用，通過其導(dǎo)致生物體內(nèi)能量短時(shí)間內(nèi)放大化作用。當(dāng)外加磁場達(dá)到最大值時(shí)，生物效應(yīng)就開始出現(xiàn)，隨著磁場作用的增大，生物效應(yīng)隨之增大，這是一種累積效應(yīng)。

　　（三）霍耳效應(yīng)的應(yīng)用

　　霍耳效應(yīng)是美國物理學(xué)家愛德華霍耳1879年發(fā)現(xiàn)的，霍耳效應(yīng)就是把一塊導(dǎo)電板放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B磁場中，導(dǎo)電板通有縱向電流，這樣，在導(dǎo)電板的橫線兩側(cè)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(dá)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(yīng)強(qiáng)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(guān)系。（1）由公式（1）可知，若是金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體內(nèi)部的載流子數(shù)密度n很高，霍耳效應(yīng)很��；而半導(dǎo)體中，載流子數(shù)密度n比較低，因此會產(chǎn)生很強(qiáng)的霍耳效應(yīng)。利用霍耳效應(yīng)工作原理制備成的半導(dǎo)體元件在科研和生產(chǎn)中都有非常廣泛的應(yīng)用，主要包括判斷半導(dǎo)體材料性質(zhì)、測量磁場、測量電流、霍耳傳感器、磁流體發(fā)電機(jī)和電磁流量計(jì)等。1.判斷半導(dǎo)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(dǎo)載流子的類型，電子型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子帶負(fù)電�？昭ㄐ桶雽�(dǎo)體中的多數(shù)載流子帶正電。兩種類型的半導(dǎo)體相對應(yīng)的霍耳電壓方向正好相反。因此，通過電壓表的偏轉(zhuǎn)方向就可以很容易的判斷電子型或空穴型半導(dǎo)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(yīng)用在半導(dǎo)體摻雜載體的性質(zhì)和濃度的測量上。2.測量磁場，霍耳效應(yīng)本質(zhì)上就是一種電磁效應(yīng)，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(gè)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(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)一周，仔細(xì)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(dāng)電壓值最大時(shí)所對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就是該點(diǎn)磁場的大小，此時(shí)霍耳器件的法線方向即該點(diǎn)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(shè)備的過電流或短路保護(hù)電路中檢測電流信號，還可以用來進(jìn)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(diǎn)是慣性比較小、頻率響應(yīng)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(yīng)力、重力傳感器等。5.磁流體發(fā)電機(jī)，基本原理就是霍耳效應(yīng)。磁流體發(fā)電機(jī)是將物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，兩平行金屬板之間有一個(gè)較強(qiáng)的磁場，一束等離子體以一定的速度噴射入磁場中，正、負(fù)離子在磁場力（洛倫茲力）的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后分別聚焦到兩極板上，這樣兩極板相當(dāng)于直流穩(wěn)壓電源的兩個(gè)電極。當(dāng)?shù)入x子體作勻速直線運(yùn)動時(shí)，此時(shí)，兩板間的電壓值達(dá)到最大即電源的電動勢。6.電磁流量計(jì)，用來測量導(dǎo)電的液體。將流量計(jì)放在均勻磁場中，磁場垂直于前后兩面，當(dāng)導(dǎo)電液體中的帶電粒子流經(jīng)管道時(shí)，導(dǎo)體的上、下表面會分別帶電，最終達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)，電源電動勢即上、下兩表面間的電勢差，導(dǎo)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(yùn)動，流過導(dǎo)體管內(nèi)橫截面的流體體積也將保持恒定。實(shí)驗(yàn)所測的導(dǎo)電液體的流量就是單位體積內(nèi)流過導(dǎo)體管內(nèi)橫截面積流體的體積�；舳鷤鞲衅鞯靡嬗诩呻娐返陌l(fā)展，并且隨著大規(guī)模集成電路和微機(jī)械加工技術(shù)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的微型化、產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化。近些年，科學(xué)家對量子霍耳器件的研究頗多，相信未來在該領(lǐng)域?qū)粩喑尸F(xiàn)出新的科研成果，更好地為人類服務(wù)。

　�。ㄋ模⿺�(shù)字全息照相

　　數(shù)字全息照相屬于光學(xué)中的應(yīng)用案例。全息術(shù)是利用光的干涉同時(shí)記錄物光的強(qiáng)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(shù)能夠從各個(gè)角度及細(xì)節(jié)來反映真實(shí)情況，根據(jù)實(shí)際情況，對聚焦的距離進(jìn)行調(diào)整。數(shù)字全息在物理學(xué)的各個(gè)方面的產(chǎn)業(yè)中均的到了不同程度的重視，以及推廣應(yīng)用。1.數(shù)字全息照相的兩個(gè)過程（1）波前全息記錄：利用光的干涉記錄物光的相位和強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(dāng)順著物光波進(jìn)行觀察，即能夠看到具有之前物體所有特點(diǎn)的物體的再現(xiàn)像。2.數(shù)字全息照片的四個(gè)特征（1）全息照片上的花紋基本在各個(gè)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(dá)到如實(shí)重現(xiàn)的效果。（2）三維再現(xiàn)效果強(qiáng)，能夠?qū)⒏饕暯羌凹?xì)節(jié)都呈現(xiàn)出來，同時(shí)能夠?qū)Ρ燃?xì)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(qiáng)度也相應(yīng)的減弱；所以一旦全息圖面積減小，其邊緣的衍射效應(yīng)更明顯，從而影響像質(zhì)。（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(shí)可重現(xiàn)不同圖像。

　　三、工程教育在基礎(chǔ)物理教學(xué)中的意義

　　將大學(xué)物理基礎(chǔ)知識點(diǎn)相關(guān)的事例素材進(jìn)行歸納整理，同時(shí)借助互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下快速發(fā)展起來的多媒體教學(xué)技術(shù)，來將工程技術(shù)融入到大學(xué)物理課題教學(xué)中，會極大的提高學(xué)生對自然科學(xué)知識學(xué)習(xí)的興趣。以電學(xué)中的電容器為例，工程技術(shù)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(shè)備中的儲能器件，廣泛應(yīng)用于電子工藝中的耦合、濾波和傳感等多個(gè)領(lǐng)域。微型電容器和超大電容器是目前電容器發(fā)展的兩個(gè)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(xué)物理《電磁學(xué)和光學(xué)》教學(xué)中，通過借助互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下快速發(fā)展起來的多媒體教學(xué)技術(shù)，以及在教課書中融入成功的工程技術(shù)相關(guān)案例素材，將工程實(shí)踐融入理論學(xué)習(xí)中，并且在課堂上已現(xiàn)實(shí)案例為基礎(chǔ)來鍛煉學(xué)生科技創(chuàng)新能力，加強(qiáng)其創(chuàng)新意識。通過這種教育模式來讓學(xué)生熟悉工程應(yīng)用領(lǐng)域。高度符合在大學(xué)物理課堂教學(xué)中注重工程教育培養(yǎng)的要求，值得進(jìn)一步推廣學(xué)習(xí)深入實(shí)踐。

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