关键词： 法拉第   电磁学   物理学  

摘要： 在电磁学方面对人类贡献极大的英国科学家法拉第(Michael Faraday)，于1791年9月22日出生，父亲是伦敦地区现在称为象堡地方(the Elephant and Castle)的铁匠，小时家境清寒。法拉第就读小学时曾学习阅读、写作和数学等基本课程，之后，他就未曾再接受更高等的正式教育。14岁时，他到装订书商处当学徒，七年的学徒生涯让他对科学产生了兴趣，尤其在化学方面。

关键词： 高中物理   电磁学教学   信息技术  

摘要： 现代信息技术高速发展，与教育的融合越来越深。物理是一门走在科技前沿的学科，物理教育也要跟上社会发展的步伐。在高中物理电磁学模块中，有许多肉眼无法直接观察到的物理现象，也有许多对学生来说不易理解、难以想象的物理情境。为了让学生能够准确地构建物理模型，直观便捷地进行学习，深化对知识的理解与掌握，就需要利用信息技术辅助手段。GeoGebra是一款免费的、动态的、超级的数学软件，操作简单，功能强大。应用GeoGebra软件辅助电磁学教学，有利于突破电磁学教学的疑难点，丰富课堂内容。　　本文首先通过文献研究分析，了解了当前GeoGebra软件在教学中的应用情况，简单介绍了GeoGebra软件的优势所在。其次，结合高中电磁学模块的内容、学生学习困难成因等，从四个方面分析了GeoGebra软件应用于高中物理电磁学教学的适切性，利用该软件开发相关教学资源。再次，根据教育理论基础和设计原则，以人教版物理教材为例，应用GeoGebra软件设计电磁学模块的教学案例。将教学设计应用到实践教学中，对教学过程进行观察和分析。最后，利用具有针对性的测试卷和调查问卷，对GeoGebra软件辅助物理电磁学教学的效果进行检验和调查。综合分析实验结果，得出实验结论，发现其中的不足，对教学设计方案进行优化。教学实践表明，应用GeoGebra软件辅助电磁学教学，能有效提高学生的学习效率、学习兴趣，端正学习态度，活跃课堂气氛，增进师生关系，也能在一定程度上推广相关软件。

关键词： 电磁波   几何反散射   圆锥形奇点   可见性和透明性   局部消失   唯一复原   单一远场测量   传输特征函数  

摘要： 在本篇硕士论文中,我们研究了两种情况下的时谐电磁散射,其中反散射体可以是一对电磁源,或者是一个非均匀介质,两者都具有紧支撑.我们主要关注通过单一远场测量来恢复散射体支撑的几何反散射问题.假设散射体的支撑(局部)具有圆锥形奇点.我们建立了当隐形发生时散射体的局部特征,证明了其物理场一定在圆锥点附近消失.利用这一特征,我们建立了上述反散射问题的几个局部和全局唯一性结果,证明了可见性必然意味着唯一恢复.在此过程中,我们还建立了电磁传输特征函数在H(?)lder正则性或依据Herglotz逼近的正则性条件下圆锥点附近的局部消失性质.

关键词： 碳基二维材料   石墨烯   碳化钛   电磁学   动力学  

摘要： 本论文以石墨烯和MXenes(TiC)为主要的碳基二维材料,通过金属/非金属原子掺杂、缺陷构造等方法,设计不同的单原子催化剂、海水淡化膜及分子探测器。结合第一性原理计算和分子动力学模拟,从理论上对相关模型的电磁学、光学及动力学性质进行探究,建立“结构-性质”对应关系。主要的研究结果分为以下三个部分:(1)本部分以石墨烯为主要的碳基二维材料。基于第一性原理计算,系统地研究了不同金属类型、缺陷尺寸、氮原子数目及排布方式对过渡金属和氮原子共掺杂的石墨烯衍生物(TM@NC-GR)电磁性质的影响。首先,TM@N-GR(最小缺陷尺寸结构)和TM@N-GR(最大缺陷尺寸结构)的电子性质不受过渡金属类型的影响,只呈现金属性质。但过渡金属类型可以调控中等缺陷尺寸结构(TM@NC-GR-Ⅰ和TM@NC-GR-Ⅱ)的电子性质呈现金属性、半金属性和半导体性。其次,不同金属及缺陷类型可调控TM@NC-GR材料的磁矩(0～5μB)。最后,自旋密度和投影态密度计算表明,静电荷主要集中在缺陷孔洞附近,磁矩主要来源于过渡金属d轨道、碳和氮原子s及p轨道的耦合效应。该工作为TM@Nx Cy-GR材料的设计及应用提供了丰富的见解。(2)石墨烯的功能性应用是本章的研究重点。首先,基于第一部分的研究结果:受过渡金属类型的影响,大多数TM@N-GR-Ⅰ和TM@N-GR-Ⅱ材料分别呈现出金属性和半导体性;结合单原子铁催化剂较强的催化性能,利用第一性原理计算对Fe@N-GR-Ⅰ和Fe@N-GR-Ⅱ的氧还原能力进行了比较,确定了各中间体的基本反应路径(*O→*OOH→*O→*OH→*HO)。其次,设计了四种具有不同缺陷尺寸、不同官能团类型的海水淡化膜,通过施加不同压力,利用分子动力学模拟对钠离子及氯离子的过滤效果、水通量进行了评估;在200 MPa下,饱和-NH官能团的较大缺陷尺寸石墨烯结构更适合做海水淡化膜。两项工作推进了理论模拟与实际生产生活应用的联系。(3)利用第一性原理计算,系统地研究了完整TiC和缺陷TiC(钛缺陷、碳缺陷)的几何及电子结构。首先,相对于完整TiC,缺陷TiC结构通过增加钛原子d轨道在费米能级处的分布来增强结构的金属性。其次,对不同TiC表面探针分子(CH、NH、CO和NO)的吸附及红外光谱响应研究表明,CH和NH分子容易发生解离,而CO和NO化学吸附在其表面且吸附位点相似,凭借较强的吸收峰,CO和NO被选做识别TiC材料的理想探针分子。此外,投影态密度和晶体轨道哈密顿布居计算表明,探针分子的光谱红移现象归因于其成键强度减弱。最后,对吸附CO和NO的不同TiC结构的动力学性质进行了研究,确定了吸附结构的稳定性。该工作为识别碳化钛材料及其缺陷类型提供了新颖的方法。

关键词： 电磁学概念   理解水平   概念网络   CSEM测试卷  

摘要： 教育大计,教师为本。教师的本体性知识是胜任教学或成为优秀教师的前提,而教师对学科知识的深度理解和较好的知识网络是培养学生科学思维的关键,这就体现了关注教师知识的重要性。对于物理学科而言,学好电磁学概念是学好物理的关键,因为电磁学是物理学的重要组成内容。但电磁学概念往往过于抽象,对学习者来说难以理解,这时需要教师利用自身的理解和经验对学生加以引导,使抽象的概念具体化。关注职前教师对电磁学概念的理解状况是至关重要,关于电磁学概念理解所用到的研究方法和工具也一直是教育者们积极探索的。人体大脑是一个复杂系统,不同人对于电磁学概念的建构和理解具有自己独特的认知和理解方式。运用由概念和连接概念的关系组成的概念网络(concept network)工具会使大脑复杂的认知结构直观地予以表征与外显。本研究收集了S大学36名物理专业的研究生和本科生绘制的电磁学概念网络,应用复杂网络理论对概念网络进行分析,再结合电学和磁学概念的调查测试卷(Concept Survey of Electricity and Magnetism,简称CSEM测试卷)对职前教师的测试结果,最后对电磁学概念的学习情况进行访谈。与只用概念网络或者CSEM测试来了解被测对象的知识掌握情况相比,经过概念网络的认知结构分析、客观的CSEM测试、访谈相结合能更加科学、全面的看到职前教师关于电磁学概念的理解情况。在研究中先通过Mind Master呈现出收集的概念网络,利用Gephi软件绘制节点图并从定性和定量的角度分析职前教师的个体认知结构、群体认知结构,比如度与平均度、聚类系数、模块化、主成分图等,再通过雷达图表示出职前教师掌握的知识丰富度,并分析职前教师在CSEM测试中存在错误的原因,也从国内外正确率、性别差异、群体差异进行相关分析,得到结论:(1)职前教师构建的概念网络虽然节点、边数不相同,但是所有的网络结构清晰,重点突出,层次分明,且都或多或少存在一些错误概念或者解释不科学的情况。36位职前教师所构建的电磁学概念中,无论是电场还是磁场都包含了三个维度:基于力的维度、基于能量的维度、基于源的维度。大部分职前教师的这六个维度(电场、磁场各三个维度)知识掌握不平衡,而且存在过度关注高阶的知识点,而忽略了一些基础概念这一现象。(2)国内外学生关于CSEM测试卷正确率,整体上我国被测试者(职前教师)明显优于国外被测试者(学生)。我国职前教师产生错误概念的原因:(1)概念混淆或者存在错误认知;(2)忽略了概念的前提条件;(3)力学中概念的错误认知影响了电磁学概念的学习。(3)男生、女生在CSEM测试中差异不显著。而研究生和本科生两个群体在CSEM测试中差异极其显著。电磁场的六个维度与CSEM测试成绩之间不存在显著相关性,但是电场的三个维度、磁场的三个维度以及电场和磁场之间都存在显著相关性。职前教师掌握知识的丰富度与CSEM测试的成绩之间成极弱相关或无关。(4)分析职前教师关于电磁学概念学习情况访谈情况:大多数的职前教师都认为电磁学概念重要,且学习困难,他们在学习遇到困难时会寻求老师、同学帮助或者查阅资料、搜题软件等解决。职前教师通常会通过做题、画知识框架检测自己是否掌握所学知识,大部分职前教师虽然对概念网络不太了解但是他们对日后学习中使用概念网络持积极态度。从大脑复杂的认知显现——概念网络,结合CSEM测试结果与访谈,给出五条建议:(1)教师应该关注自身,发现错误概念。(2)既要重视高阶概念,牢抓基础概念。(3)关注概念间的联系,明确重要概念。(4)教学多以鼓励为主,培养学生信心。(5)采用多种方式教学,利于学生学习。

关键词： 电磁学   仿真模拟   辅助教学   Mathematica  

摘要： 我们所处的信息化时代促使了教育信息化的发展,而计算机辅助教学是信息技术的必然产物。Mathematica作为一款容易操作,趣味性强,功能多且具有很好的交互性的数学物理计算软件,是现代教育信息化的一种重要体现。随着各种辅助教学软件功能的完善和增多,将这些软件用于各类教学的普及程度也越来越高。基于以上背景,本文研究了将Mathematica软件用于高中物理教学中,辅助教师教学。由于高中物理中电磁学部分比较抽象,学生难以在头脑中建立概念,所以给出一些将Mathematica用于该部分内容辅助教学的案例。首先罗列了Mathematica软件的主要功能,以及将该软件用于高中物理辅助教学的一些理论基础;再以问卷调查的形式分析了高中物理电磁学部分教学现状,并给出一些具体的案例。最后得出本研究的结论:利用Mathematica强大的绘图功能、计算功能、动画功能、仿真模拟功能辅助教师教学,可以解决当前高中物理教学的一些问题,能将一些抽象物理概念具体形象化,缓解学校的一些实验仪器不灵敏、实验仪器老化、实验仪器短缺的问题;学生在家上网课时,可以实现学习资源远程共享,物理实验自己动手参与设计,为培养学生物理学科核心素养提供了新视角,也可以开拓一线教师的教学思路,激励更多的物理教师创新和挖掘更多更好的辅助教学软件,设计出更好的仿真模拟程序来服务教师的教学和学生的学习。

关键词： 电磁场求解   单轴晶体   磁光晶体   折射率椭圆   布鲁斯特角   古斯汉欣位移  

摘要： 光学在物理学的发展历史中一直占据着重要的地位,不管是光学启蒙时期还是现代光学时期,对于光在两种不同介质界面处的反射、折射以及介质中的传播和演化一直是一个广泛讨论的话题。几何光学的内容可以直观简洁的描述各向同性介质界面处的反射与折射,给出著名的反射折射定律,而对于各向异性的介质,光的电磁学理论可以详实地说明界面处的入射波、反射波与折射波的振幅和相位关系。虽然麦克斯韦总结发展的电磁学已经建立了一套比较完善的理论方法来研究光在各向异性介质界面处的反射、透射和演化的特性,但是在实际案例中(如单轴晶体)依旧存在计算过程较为繁琐的问题。在此基础上,我们在本论文中发展了一个基于电磁理论的简易方法,能够以简明扼要的方式建立单轴晶体晶体光学的完整图景。该方法不仅给出了双折射晶体众所周知的椭圆折射角和折射率,而且揭示了许多相关的物理量和光学量,这些物理量和光学量被研究和了解的相对较少。首先是在给定入射角下的情况下,计算了光在晶体表面的振幅和强度的反射系数和透射系数,并展示了晶体内的电磁场分布。接着,推导了光的波前折射角和能流折射角,以及相应的相位和光线折射率。发现它们之间存在很大的区别,相位折射率满足椭圆的经典折射率和斯涅尔定律,而光线折射率不满足。此外,还揭示了零反射布儒斯特角和全内反射临界角的显式表达式。为了更好地演示概念,以弱双折射铌酸锂晶体和强双折射碲晶体为例,进行了简单的理论计算。并且对z切铌酸锂板进行了实验测量,发现理论和实验在布鲁斯特角方面有很好的一致性。理论和实验的结果有助于对双折射晶体中的光传输特性建立一个清晰而完整的图景,并有可能帮助人们用电磁理论找到双折射晶体中发生的许多光和物质相互作用过程的严格解,例如非线性光学相互作用。紧接着,我们进一步关注磁光晶体在平行于晶体界面的偏置磁场作用下,TE(Transverse Electric)偏振的平面电磁波在晶体表面反射、透射及其在晶体内部传播的情况。同样的,利用该求解方法,可以很容易地获得所有相关物理量的显式公式,例如电磁场分布、能流、布鲁斯特角、强度的反射/透射系数。通过分析这些公式,并且在入射平面波频率为14 GHz下进行数值计算,发现磁光晶体中电磁场是螺旋演化的,它由电磁场分布方程完美地表示出来。接着,绘制了入射角相关的反射率和透射率变化曲线图,发现大约在偏置磁场为300 Gauss～415Gauss范围内,存在布鲁斯特角。而且在该条件下的布鲁斯特角是可调的,可以通过改变偏置磁场的大小使布鲁斯特角在0°～90°范围内变化。此外,还讨论了反射波和透射波的相位变化,发现其相位变化与各向同性介质中大不相同。接着,给出了不同角度入射下的古斯—汉欣位移变化,发现古斯—汉欣位移的方向和幅度可以通过改变外部磁场的方向和大小来调整,且位移的极大值发生于布鲁斯特角。综上所述,本论文提出的简易电磁学方法可简单有效地求解电磁波在双折射晶体以及磁光介质中的传播,获得全面、系统而又精细的物理理解。该方法严格精确、简单易行,有望将其推广应用于求解更加复杂的各向异性介质(如双轴晶体)的电磁波传输问题,并展现其中可能蕴含的独特而有趣的物理现象。

关键词： 高中物理   电磁学习题   解答困难   解决对策  

摘要： 物理是高中阶段的必修课程，也是高考的一门重要课程。其中，电磁学是关键板块，难度较大，很多学生在做题和考试中容易做错丢分。为了解决这一问题，教师必须了解学生易出现的错误，同时把握原因，提出合适的策略帮助学生掌握解题方法，从而提高学习质量。鉴于此，以鲁科版高中物理课本为例，结合新时期教学理念、教学模式分析了解决电磁学习题解答困难问题的相关对策。

关键词： 学科内容知识   电磁学教学   在职教师  

摘要： 教师具有的学科内容知识(subject matter knowledge,SMK)是教师开展有效教学的必要基础,也是影响学生知识结构的重要因素。根据建构主义理论,教师因所处环境不同,会呈现出不同的SMK水平。本研究以电磁学为例,通过电磁学概念测试量表(Brief Electricity and Magnetism Assessment,BEMA)对50位职前教师和80位在职教师进行测试,横向比较其电磁学SMK水平的特点和差异,同时辅以教材分析和质性访谈,进一步纵向探究SMK水平变化的原因与途径。在SMK水平的特点和差异方面,本研究以得分统计量、差异性和正确率为切入点。通过分析发现,职前教师展现出更强的电磁学SMK水平,在职教师和未上过物理课的职前教师无显著性差异。尽管BEMA问卷的多数题目为高中内容,但在职教师却在58.62%的题目中表现出最低的正确率。在SMK水平变化的原因和途径方面,本研究对题目进行了分类并重点关注其中四类。通过分析发现,根据题目类型的不同,SMK水平变化可能与概念本身特性、教材编排顺序、教师思维定势、教师学科能力等相关。最后,结合量化分析和质性访谈结果,本研究从学科内部概念体系、跨学科概念体系和非正式学习三个角度,对教师教育发展提供参考与建议。