关键词： 高中物理   电磁学   应用研究   生活  

摘要： 电磁学是高中物理当中学习的一门重点课程,其中包括电场、恒定电流、电磁感应和交流电流等几个重要知识,对高中学生的学习水平要求较高.在学习高中物理电磁学上,一定要学会将电磁学应当到生活当中.在培养对物理学习兴趣的同时,也要加强我们对物理知识的运用能力.本文就从简述电磁学的基础上开始讲起,并且探究电磁学在日常生活当中的应用.

关键词： 科学推理能力   电磁学概念   调查分析  

摘要： 科学推理是科学思维的一种高级形式,在个体获取新知识、认识世界的过程中发挥着重要的作用。电磁学知识在每年的高考中所占比例超过三分之一,所占比重相对较高。电磁学概念又是学习电磁学的基础。那么宁夏地区学生的科学推理能力怎么样?电磁学概念又掌握情况如何?电磁学概念的学习与科学推理能力间的相关程度是多少?这都是我们应该思考的。本文采用文献研究法、调查法和定量分析法对宁夏地区学生的科学推理能力和对电磁学概念的掌握情况进行调查分析。论文主要分为以下几个部分:第一二章通过阅读相关书籍和文献,了解科学推理能力和电磁学概念的研究现状。以皮亚杰的认知发展理论和建构主义理论为基础,进一步的学习科学推理能力和电磁学概念。在第三章中,我选取宁夏大学附属中学、红寺堡第一中学和中卫第一中学高中学生进行测试,最后对测试结果和学生的相关信息进行统计。第四章对科学推理能力量表和电磁学概念测量表的质量特性进行分析计算,包括量表的内容效度、测验的信度、试题的难度和区分度的四个方面的分析。第五章是对调查结果的分析。在科学推理能力方面,首先对科学推理能力分数的特征值进行分析。其次是对科学推理能力各维度的得分情况及原因的分析。最后对科学推理能力测试成绩与性别之间,科学推理能力测试成绩与期中考试的总成绩和各科成绩间的相关性进行分析;在电磁学概念方面,首先对电磁学概念测试分数的特征值进行分析,接着是对电磁学概念在各维度的得分情况及原因的分析,其次对电磁学概念测试成绩与性别之间,电磁学概念测试成绩与期中考试的总成绩、理综成绩间的相关性进行分析,最后是学生对电磁学概念的学习情况与其科学推理能力间相关性分析。最后一章是调查分析的结论,基于结论提出4条教学建议。

关键词： 前概念   物理前概念   理解力   电磁学   教学策略  

摘要： 在物理学习中,前概念对学生的影响非常大。学生在进行物理学习以前,头脑中已经存在一定的相关知识及一定的思维方式,我们统称为前概念,其中错误的认识称为错误的前概念,与科学概念相一致的称为正确的前概念。它们很大程度上决定着学生对于物理科学知识的接受程度,即对科学知识是否理解。所以,在物理教学过程中,如果能够了解学生接受新知前,对于该知识的理解情况,在实际学习时对概念和规律的理解尤为重要。而学生对于知识能否融会贯通,举一反三,是学生学习能力强弱的重要体现,这也是学生学习的重要的支撑。学生学习能力的进步并不是一蹴而就的,是贯穿于整个教学当中,教师在整个教学过程都承担着培养学生理解力的任务。本文以提高学生物理理解力为目标,选取中学物理中电磁学知识作为教学内容,采取文献分析法、问卷调查法、案例分析法,基于前概念提升学生理解力进行教学实践,主要从以下几个方面来完成研究工作。1、探讨国内外对前概念的研究历程,特别是电磁学概念转变的教学研究。2、调查和分析高二学生的物理理解力现状。研究发现,学生对于物理知识学习的主动性较弱,对物理知识的理解力不足。3、针对学生理解力水平低的现状,以相关理论为指导,结合前人的教学实践经验,选取实习单位虎门中学高二学生为研究对象,采用“前测-教学干预-后测”教学实践研究,归纳出基于前概念提升学生理解力的教学策略。4、通过实验组与对照组学习效果的对比,发现基于前概念教学对学生的理解力和学习效果均有较大的帮助。本文研究表明:在掌握学生前概念现状的基础上,通过学生自主学习,合作探究,自我评价等方式完成对前概念的转换或者迁移,有助于学生对知识的认知、迁移、运用、质疑能力的提高。基于前概念教学可以促进学生对知识的整体把控,弄清知识的本质,构建科学的学习思维,从而更好的理解和运用知识,增强理解力。

关键词： MEMS   飞行时间   质谱仪   电磁学   离子光学  

摘要： 质谱仪是一种分析仪器,广泛应用于航空航天、生物医疗、突发事件、食品安全等领域。随着我国深空探测计划的深入发展,小型质谱仪在航天活动中起着越发重要的作用,既可以用于星球表面气体成分的探测,也可对空间站内的环境进行监测。但目前空间质谱仪还存在尺寸大、功耗高、重量大的一系列问题,限制了其在航天工程的进一步应用。随着微机电系统(MEMS)加工工艺的飞速发展,包括刻蚀、镀膜、封装键合等,使得小型质谱仪向着体积小、功耗低、便携式的MEMS质谱仪发展。本文基于微加工工艺,设计一种可适用于深空气体探测的MEMS飞行时间质谱仪芯片,具有低功耗、质量轻、尺寸小的特点,适用于航天器有效载荷比大的要求。本设计主要包括场发射电子源、离子传输和质量选择器三个核心部件,可实现待测气体通过进样系统进入电离室与电子碰撞电离,通过离子传输系统的引出、聚焦与加速进入质量选择器,进而由于离子本身质荷比的不同进行区分选择实现检测。通过丝网印刷法制备碳纳米管阴极并进行场发射实验,获取其发射性能。结合电磁学仿真来分析栅孔结构(L/1)及阳极-栅极电压比值(Va/Vg)以获取最佳的电子传输效果;通过离子光学仿真来分析离子传输系统中电极的电压、间距、开口宽度等变量以获取最佳的离子传输效果;之后分别对直线式和反射式飞行时间质量选择器的结构、电压进行分析对比,来获取最佳的质量区分效果。通过电磁学及离子光学的仿真研究,获取了适用于本研究的最佳结构参数:场发射电子源中栅孔结构L/1=4,阳极-栅极电压比值Va/Vg=1-2;离子传输系统中采用五级单透镜,电离室电压为100V,引出极电压V1=30V,聚焦极电压V2=60V,引出极与电离室间距及透镜间距l1=0.2mm,五级单透镜电极间距l2=0.3mm,电离室出口宽度d1与电极开口宽度山相等均为d1=d2=0.5mm;采用反射式飞行时间质量选择器,开口宽度同离子源电极开口为0.5mm,质量选择器出口电极形状为栅极,质量选择器电压设置为0V。质量选择器与反射器交界处减小无场漂移区开口宽度且增加两者距离。反射器由电势差为30V的六个电极组组成(0-150V),间距为0.6mm。上述分析将为MEMS飞行时间质谱仪芯片的设计提供参照。

关键词： 物理学   电磁学  

ISBN: (纸本)9787547847183

摘要： 《费曼物理学讲义》对物理学的全貌进行了细致、富有见地的阐述。全书物理概念、理论框架清晰，讲述生动，富有启发性，拥有同类教材无法企及的深度和广度。全书涵盖牛顿力学、统计物理、麦克斯韦电动力学以及量子力学等内容，不仅对于物理系学子是优秀的教材，对于每一个试图理解现代物理的读者都是不可多得的经典读物。第2卷集中讲述电磁学，主要内容有：静电学与高斯定律；磁场；感应定律；麦克斯韦方程组及其在各种情况下的解；场的洛伦兹变换；铁磁性；弯曲时空等。

关键词： 变换电磁学   信息超材料   幻影器件   多波束天线   传输线网络  

摘要： 自本世纪初,超材料与变换电磁学快速兴起,成为跨越物理学、信息科学、材料科学等学科领域的研究前沿与热点,相关成果多次入选《Science》杂志评价的美国“十大科技突破”。超材料与变换电磁学相辅相成,相互促进,不但为任意控制电磁场提供了一种新的思路,而且通过与数字化编码、现场可编程、数字卷积等手段不断与信息科学进行融合,开辟了信息超材料这一崭新的学科方向,对未来通信、雷达、国防、微电子、能源以及医学成像等领域产生极为重大的变革与影响。作为基于变换电磁学方法的典型应用案例,幻影器件与多波束透镜天线备受关注,在国防、雷达以及通信领域具有重要应用前景。然而这两类电磁器件存在着一些问题亟需解决,包括媒质参数复杂(包括非均匀性、各向异性以及奇异值)不利于器件加工制作、幻影器件几何结构封闭导致目标物体难以更换、幻影器件功能单一不利于适应多变场景等。为推动幻影器件及多波束透镜天线向信息化、工程化应用方向发展,本文提出了幻影器件的均质化、开放化、多功能化通用设计方法,以及多波束透镜天线的均质化设计方法,并基于这些方法设计了众多的新型幻影器件与多波束透镜天线,并利用传输线网络方法制备了一款基于变换电磁学的单馈源多波束透镜天线,取得了一些有益的结论与成果。归纳起来,本文的主要研究工作包括以下四个方面:1.提出了幻影器件均质化材料参数通用设计方法。首先,基于线性变换方法设计了一款具有均匀材料参数的新型移位幻影器,并研究了移位距离大小、内外层半径大小、激励源种类及入射方向对器件性能的影响;其次,将均质化参数设计思想扩展到任意形状二维和三维新型移位幻影器件的设计。紧接着,将均匀化材料参数设计理念进一步扩展到二维与三维任意形状幻影放大器和幻影缩小器件的设计,并以二维幻影器件为例,探讨利用分层各向同性介质来实现这些器件。2.提出了开放式幻影器件的通用设计方法,并设计了多种新型幻影器件,包括开放式移位幻影器件、开放式内置交互斗篷、开放式幻影放大器件和开放式幻影缩小器件等。并用COMSOL软件对设计方法的有效性及幻影器件的电磁特性进行了仿真验证与分析。3.提出多功能幻影器件的通用设计方法,并设计了多种多功能幻影器件,包括旋转移位幻影器、旋转集中放大器、旋转幻影缩小器、旋转透明体等。首先,通过在传统幻影器件的设计过程中叠加旋转坐标变换,以此来设计出基于旋转媒质的多功能幻影器件,并仿真验证和分析了器件的性能。其次,采用分层各向同性介质的方法来实现这些多功能幻影器件。4.设计了具有无磁性、分块均匀且各向同性材料参数的单馈源多波束透镜天线和多馈源多波束Luneburg透镜天线,并重点介绍了单馈源多波束透镜天线的梯度折射率实现方法以及传输线网络电路实现方法,并用传输线网络方法制备器件样品进行实验验证。

关键词： 高中物理   电磁学   核心内容  

摘要： 随着新一轮高中教学体制改革,高中物理教学将迎来更高层次的挑战.高中物理教师既要传授基础的物理知识,提升学生的物理文化素养,又要把握物理学科的核心和主干,体现核心素养,提升物理教学的有效性.比如在电磁现象的探究中,电磁学是较为重要的学科,因此教师应当加强对该内容广度、深度和难度等方面的挖掘.同时,物理教师必须明确核心内容在高中物理学科体系中处于中心地位,这是帮助学生理解和掌握其他物理知识的前提和关键.

关键词： 高中物理   电磁学   学习困难  

摘要： 根据新课程改革的要求,教师在日常的教学活动中一方面要注重学生综合能力的培养,另一方面也要加强学生科学素养的训练。近年来,随着社会的不断进步,电磁学的相关技术在日常的生产、生活及高新技术科技中的应用愈加的广泛和普及,这也使得电磁学的教学成为高中物理中的重要部分,更是每年高考的考点与重点。然而以当前实际的教学实际及调研情况来看,有很多的学生认为电磁学的知识内容非常的抽象,难学难懂难掌握,教师认为该部分知识难教,导致在考试中失分率较高,学生的整体学习效果也比较差。如何让学生在学习过程中比较全面地掌握知识,并能灵活运用这些知识解决相关问题,克服学习电磁学部分知识点的学习困难是当前电磁学教学所面临的巨大挑战。本研究通过对人教版物理教材中电磁学部分(选修3-1、选修3-2)知识结构和知识特点分析,以及对近四年的全国物理高考Ⅲ卷中的电磁学相关题目的统计、分析和研究,对所在地区某县的几所普通高中高三学生进行问卷调查,再结合教学中的实际情况,发现造成学生对于电磁学学习困难的主要因素有:1.学生的学习兴趣、学习动机、学习态度、畏难心理以及学习习惯等心理因素是造成学生电磁学学习困难的因素之一;2.电磁学的知识点繁多、概念抽象、规律复杂、相关考查题目综合性强是造成学生电磁学学习困难知识层面的因素;3.教师的教学行为单一陈旧,学生参与学习活动少,教学扼制学生思路的发展,教学活动更注重得到结果而忽视教学的过程,忽视实验的重要性以及忽视电磁学知识之间的整体联系和题目解答方法的总结等等是造成学生电磁学学习困难的教师因素。基于以上问题,本论文通过文献研究、调查问卷、数据分析等方法对教材中电磁学部分的整体结构、学生学习电磁学的实际情况、电磁学在高考试题中的重要地位等几个方面进行分析和研究,从教师的教学活动出发,提出学生对于电磁学部分学习困难的干预策略:(1)电磁学相关概念的教学策略;(2)电磁学相关规律的教学策略;(3)培养学生解决问题的能力策略。这些策略主要都是教师在教学中课堂教学和课后学习,旨在通过改进教师的教学方法和教学手段,加强学生对于高中物理电磁学部分基础知识的理解,让学生对于电磁学部分内容的整体知识框架有清晰的了解,从根本上理解这部分知识的本质,拓展学生的解题方法和思路,提高学生电磁学章节的学习效益。

关键词： 计算电磁学   时域有限差分法   介质加权平均   圆柱坐标  

摘要： 近年来随着计算机技术的不断提高，在很多实际问题进行的大规模仿真领域计算机发挥着越来越重要的作用，在计算电磁相关领域，通过计算机计算电磁场值同样是不可或缺的。人们提出了许多求解麦克斯韦方程组的数值解方法。其中时域有限差分法凭借着其优势和特点，被广泛用于处理计算电磁相关问题。　　FDTD算法自身也在不断的发展和完善，其中利用共形技术与时域有限差分算法结合，人们提出了共形FDTD算法，该方法能够有效的解决具有复杂的曲面的物体的电磁场值计算问题。而电磁散射方面，传统的FDTD算法受限于色散条件对空间单元网格长度的要求，在计算精度上有所不足，学者们提出很多改良的FDTD算法，其中高阶FDTD算法得到广泛应用。传统的FDTD算法是在笛卡尔坐标系下计算的，有时候散射体结构复杂，比如圆柱体，在笛卡儿坐标中使用正方或长方体网格模拟复杂物体表面时会差生较大误差。所以对时域有限差分算法的研究有必要从笛卡尔坐标系推广到其他坐标系，比如圆柱坐标系或者球坐标系。　　本文首先采用了共形技术中的介质加权平均方法，解决计算电磁学中的介质共形问题。对于与频率相关的介质如德拜介质，以往方法是求解高阶微分方程，而本文采用辅助方程和Z变换的方法，对含有多种与频率相关介质单元格进行建模，推导出处理薄层的FDTD迭代公式。并以德拜介质为例，进行仿真实验，仿真实实验表明，该算法推导出新的电磁场迭代公式不仅不需要求解高阶微分方程，还不用划分精细网格，直接就能得到较高精度的稳定解，提升了计算精度，较大提高了计算效率。　　其次针对电磁波在介质中传播时，传统的时域有限差分计算精度有所不足。本文提出了直角坐标下三维2M阶指数差分，给出了迭代公式，该方法对传统FDTD方法进行了改进，使空间差分精度提升至2M阶，对时间上的差分采用的是指数差分。经过仿真实验证明2M阶指数差分在介质中计算精度相对于传统的FDTD算法有很大提高。针对2M阶指数差分自身的局限性，本文进一步引入了DSC-SIP广义高阶FDTD方法，该方法不仅在对空间差分精度上提高到2M阶，同时对时间差分也提高到4阶，精度进一步提高。接着提出了UPML吸收边界条件的2M阶指数差分算法，给出了迭代公式，以及DSC-SIP高阶算法的PML修正公式。同时给出了总场边界处在高阶FDTD算法下场量迭代公式，实现了总场与散射场的分离。本文对高阶FDTD算法下的稳定性进行了研究，并给出对应的时间步长和空间步长满足的关系式。通过算例验证和分析高阶FDTD算法性能。　　最后，本文即对圆柱坐标下FDTD算法也做了相关研究。（1）对圆柱坐标系UPML边界条件设置，通过Z变换和辅助方程的方法重新推导了迭代公式，消除了常规方程中的复变量。（2）对圆柱坐标下FDTD算法存在的数值奇异性问题，利用空间的四阶差分和差值的方法，给出奇异点处的场值计算公式。（3）提出了圆柱坐标系下高阶FDTD算法，给出了相应的迭代公式，并给出了对应的UPML边界和总场边界处的场值修正公式。　　本文的研究内容有利于时域有限差分算法法应用到共形技术，电磁散射和柱坐标系问题中，并为此提供理论依据和技术支持，进一步推广和完善时域有限差分算法。

关键词： 类比教学法   高中物理   电磁学   科学思维  

摘要： 电磁学部分作为高中物理课程体系的核心之一,有着非常重要的地位,同时也是高考的必考内容;但电磁学部分的内容不仅抽象而且其知识具有很强的逻辑性和综合性,所以不论是对于教师的“教”还是学生的“学”,都有一定的难度。新课程标准进一步明确了普通高中物理教育的定位。强调高中教师在设计、组织各项教学活动中,不仅要注重丰富知识与学习方法的传授,还要适当的加强学生思维、探究与创新能力的培养与发展,从而提升学生综合素质,着力发展学科核心素养。其基本理念是:在教学目标上注重提高全体学生的科学素养;在课程内容上体现时代性、基础性、选择性;在课程实施上注重自主学习,提倡教学方式多样化。运用类比法的教学模式恰好可以促进学生科学思维的培养,还可以拓宽学生的思维模式,从而为学生的终身发展奠定基础。类比法作为一种非常重要的推理方法,是从不同事物的相似性出发,推理它们在其他特性上也可能具有类似点的思维方法。类比教学法就是将类比法应用到教学设计中,在教学中把新知识与具有类似属性的旧知识联系起来,通过类比,从已知对象具有的属性推论出未知对象也具有的相应属性,从而找到解决问题的途径。类比在教学论中有两个非常重要的职能,分别为探索和解释;在新课标的要求中,探索职能更具特殊意义,在教学过程中提出问题并应用类比法来启发学生,打开学生思路,让学生主动提出假设并进行猜测,找到解决问题的方法,最终得出结论。类比的解释职能则是可以唤起学生头脑中已经熟知的,与新概念相类似的知识,并在头脑中建立起相应的知识模型,实现经验或知识的迁移。因此,本文研究的问题是将类比法应用到高中物理电磁学部分的教学中,目的是把学生不容易理解的问题通过与之有相似之处的旧知识相类比,而使新知识变得容易理解,并在学习过程中培养学生的科学思维。本文将类比教学法应用于高中物理电磁学部分的教学中,以某中学高中二年级的两个班级进行教学实验,通过选取物理成绩水平相当的两个班,分别作为实验班和对照班;实验班有意识地对学生进行类比法的辅导和教学,对照班有规律地对学生进行传统模式地教学,三个月后,比较两个班学生的物理成绩,研究在教学中应用类比教学法对培养学生探究物理问题能力是否有提高,并对高中物理课堂教学的效果进行分析。在实验结束后,再通过通过访谈调查师生对类比教学法的评价与建议;最后对影响类比教学法实施效果的因素进行分析,并进一步提出教学建议。本文主要分为六部分:第一部分为绪论部分,从研究背景、研究意义、研究内容三方面对选题地缘由和准备工作进行阐述。第二部分是文献综述,在研读相关文献后,对高中物理电磁学部分的知识特点进行总结,并梳理了类比的概念与分类、类比教学法的模式以及类比教学法的意义和作用,为后面的教学实验做进一步的指导。第三部分是类比教学法在电磁学部分中不同课型的应用,课型分别为新课、习题课以及复习课;第四部分是电磁学部分的两个教学案例分析,分别为《电势能和电势》和一节习题课,两个教学案例都从设计理念、前期分析、教学目标、教学重难点、教学策略、教学资源、教学过程梳理了如何在课堂中应用类比教学法培养学生的科学思维;第五部分是教学实验研究部分,包括实验目的、实验对象、实验方案、实验结论等;第六部分是研究总结与反思,从对师生的访谈和对影响教学效果的因素进行分析,再结合教学实验的结果,得出研究结论并对研究的不足进行反思。本文的研究结论是:一、类比教学法能有效地促进学生对电磁学知识的理解;二、类比教学法能够优化学生的科学思维,从而提升学生的学科核心素养。