题目: 动量守恒定律

●教材分析：本次课的内容为质点和质点系的动量定理、动量守恒定律。本章是在学习了运动学和牛顿运动定律之后所要学习的描述物体运动的重要动力学规律，在解决碰撞和打击问题时，运用动量守恒定律要比牛顿运动定律容易。

●学情分析：学生在高中用动量定理、动量守恒定律解决了不少物理问题，但没有用高等数学解决这些物理问题，特别是变力情况下动量定理的应用，对于学生是崭新的内容。

●思政分析：动量守恒定律是质点系的动量定理的延伸和应用，是将所学物理知识与实际应用紧密结合的典型案例，有助于提升学生学以致用的能力。此外，动量守恒定律也是物理学中同时适用于宏观和微观的物理定律，对于物理学思维的培养具有重要意义。在授课过程中融入动量守恒定律对于科技进步的巨大推动，激发学生科技报国的家国情怀。本节主要从以下三方面引入课程思政元素，与教学内容做到有机结合，实现知识传授、能力培养、价值引领的高阶性教学目标。

*科学思维:通过动量守恒定律的探究过程，引导学生深入思考，拓展学生思维的深度及广度，提升学生的科学思维能力；推导出动量守恒定律的公式，培养良好的思维习惯，提高推理能力。

*家国情怀:在课堂中引入近几年航天事业所取得的成绩、我国火箭的发展历程以及钱学森、孙家栋等院士对我国航天事业的贡献。引导学生树立科学的世界观、人生观；激发学生的爱国情怀和民族自豪感；提高学生的国情意识，激发学生的时代责任感，达到“润物细无声”的育人效果。

*实践应用:以中国航天事业的发展和火箭为例，介绍动量守恒定理的应用，激发学习兴趣，提高学生科技报国的家国情怀和使命担当。同时强调动量守恒定律的普适性，并以原子核衰变为例介绍其在科技前沿的应用，培养学生勇攀科学高峰的责任感和使命感。将显性的知识传授与隐性的价值引领有机统一，实现专业教育和思政教育的融会贯通。

二、课程基本信息

课程名称

大学物理（上）

课程总课时

48

教学内容

第3章 动量和动量守恒

第3.2节 动量守恒定律

教学内容时长

45分钟

教学对象

理工科专业大一、二学生

教材情况

主讲教材：

[1]魏健宁等.大学物理学[M]. 第2版. 武汉：华中科技大学出版社，2018.

参考教材:

[2]牛顿.自然哲学之数学原理[M],王克迪,译.北京:北京大学出版社,2006.

[3]漆安慎、杜婵英.《力学[M].第2版.北京:高等教育出版社,2005.

[4]马文蔚，周雨青.物理学[M].第六版.北京：高等教育出版社，2014.

[5]张三慧主编.大学物理[M].第三版.北京：清华大学出版社，2015.

[6]卢德馨.大学物理学[M].第2版.北京:高等教育出版社,2003.

[7]程守洙、江之永主编，胡盘新、汤毓骏、钟季康、胡过图、钟宏木修订.普通物理学[M].第七版.北京：高等教育出版社，2016.5.

[8]Sears，Zemansky’s. University Physics with Modern Physics [M].10th Edition. Boston: Addison-Wesley Longman, 2000.

[9]Halliday, Resnic, Walker. Fundamentals of Physics [M]. 6th Edition. New Jersey: John Wiley & Sons Inc., 2001.

学习重点

① 点系的动量定理；② 动量守恒需要满足的条件；

③ 火箭速度的影响因素。

学习难点

① 变力情况下动量定理的应用；② 火箭速度的推导过程。

知识体系

教学目标

动量守恒定律是质点系的动量定理的延伸和应用，是将所学物理知识与实际应用紧密结合的典型案例，有助于提升学生学以致用的能力。此外，动量守恒定律也是物理学中同时适用于宏观和微观的物理定律，对于物理学思维的培养具有重要意义。在授课过程中融入动量守恒定律对于科技进步的巨大推动，激发学生科技报国的家国情怀。

①知识目标:理解质点系的内力、外力，掌握动量守恒定理；理解动量守恒定律的成立条件；掌握运用动量守恒定律分析力学问题的思想和方法；利用动量守恒定律能够独立推导出火箭速度公式；了解动量守恒定律的普适性。

②能力目标:通过动量守恒定律的探究过程，引导学生深入思考，拓展学生思维的深度及广度，提升学生的科学思维能力；推导出动量守恒定律的公式，培养良好的思维习惯，提高推理能力；会利用动量定理以及动量守恒定律对生活中的常见现象进行分析。

③价值引领: 培养社会责任感，激发科技报国情怀；领会量变引起质变的哲学思想；强化物理学思维方法的训练。

三、案例设计

设计目标

本案例以大学物理中“动量守恒定律”为案例进行课程思政教学实践。在教学中着重培养学生的物理学思维，从物理学视角进一步认识物体之间的相互作用。理解“定理”和“定律”的区别和联系。以中国航天事业的发展和火箭为例，介绍动量守恒定理的应用，激发学习兴趣，提高学生科技报国的家国情怀和使命担当。同时强调动量守恒定律的普适性，培养学生勇攀科学高峰的责任感和使命感。将显性的知识传授与隐性的价值引领有机统一，实现专业教育和思政教育的融会贯通。

思政元素

一、物理学史的教育——探索真理精神

“动量守恒定律”是最早发现的一则守恒定律。法国哲学家兼数学和物理学家笛卡尔对这一定律的发现做出了重要的贡献，笛卡尔首先指出动量具有守恒性。继笛卡尔之后，惠更斯在《论碰撞作用下的物体的运动》明确提出了动量守恒定律。而牛顿在定义动量的基础上，明确定义了动量的方向性及守恒性。由发现“动量守恒定律”的全过程，引导学生思考，培养学生理论联系实际以及努力奋斗追求真理、探索科学知识的精神，引导学生形成正确的世界观、人生观和价值观。

二、航天领域成就——科学家贡献

①航天领域成就:火箭是利用燃料燃烧后喷出的气体产生的反冲推力的飞行器。火箭技术在航空航天以及国防中扮演重要角色，“东方红一号”、“北斗”、“墨子号”等卫星，“神舟”系列飞船，“天问一号”火星探测器、“嫦娥五号”月球探测器，以及“天和号”空间站核心舱都是靠火箭发动机发射并控制航向的。如此重要的国之重器，其最基本原理就是动量守恒定律。这样，通过简介中国航天的大事以及火箭的重要性，激发学生学习兴趣的同时，也增加其民族认同感和自信心。

②长征系列火箭:弘扬长征精神，走好新的长征。我国的系列火箭被命名为“长征”，取自毛主席的《七律长征》，寓意我国火箭事业如红军长征一样，必将克服任何艰难险阻，到达胜利彼岸。尽管我们取得的成绩是有目共睹的，然而面对更深更远宇宙空间探索需求，我们必须提前布局新概念运载火制技术目前开展的主攻方向包括热核推进技术、太阳帆等新型发射技术。同时指出在火箭回收等领域，我们的技术依然落后于美国，需要同学们刻苦学习，勇攀高峰。

③老一辈科学家的贡献: 建国初期，世界知名的火箭专家钱学森突破各种阻挠，五年方归国，十年成两弹。钱学森是我国航天的奠基人，更是中华民族知识分子的典范。“中国航天四老”任新民、黄纬禄、屠守锷、梁守槃亦是呕心沥血、殚精竭虑，为中国航天事业做出重要贡献。郭永怀更是为中国的航天和国防事业献出了生命，成为两弹一星元勋中唯一获得“烈士”称号的科学家。为中国航天做出卓越贡献的科学家很多，赵九章、钱骥、杨嘉墀、谢光选、王希季、孙家栋等。各位前辈科学家披荆斩棘，把智慧锻造成阶梯，留给后来的攀登者。这也激励着学生学习热爱祖国、勇于登攀、科学求实、淡泊名利、默默奉献的航天精神，并内化为努力学习、报效祖国的动力。

三、科学思维的培养——守恒律的拓展

守恒定律是物理学中最基本的定律，比如动量守恒、能量守恒、角动量守恒等。每当实验中观察到似乎是违反动量守恒定律的现象时，物理学家就提出一些新的假设来补救，最后总是以有所新发现而胜利告终。例如，衰变和电磁场的动量。物理学中的基本守恒定律，是与时空的基本对称性相关，动量守恒是空间平移不变性的结果，能量守恒是时间平移不变性的结果，角动量守恒是空间旋转不变性的结果。

四、理论联系实际——基础研究的重要性

动量守恒定律的一个重要应用是火箭飞行的原理。火箭在向外喷出气体时，内力远远大于外力，因此可以忽略掉重力以及空气阻力，认为火箭的动量近似守恒，利用动量守恒推导出单级火箭能够达到的速度公式。进一步，考虑到实际因素的影响，单级火箭能达到的速度远小于第一宇宙速度，不能把航天器送上外太空，需要多级火箭接力才能够完成任务。通过这些讲解，可以把抽象的公式跟实际问题建立起联系，让同学们充分认识到基础研究的重要性。

如今世界上的许多国家，都在积极进行火箭的研制与发射工作。美俄中都是世界上的航天大国，2019年美国一共发射了25枚，俄罗斯则是21枚，而中国高达32枚，而且成功发射数量比美国和俄罗斯的总数还多，达到30枚，长征系列运载火箭发射突破300次大关。这无疑是令中华儿女十分骄傲的。

设计思路

1.新课导入:

从我国航天事业的发展引入新课，激发学生的民族自豪感和自信心，而航天事业的进步离不开火箭技术的发展，提出思考题，火箭飞行的基本原理是什么?

2.动量守恒定律的讲解:

对动量守恒定律进行讲解，并对守恒律做进一步拓展，把守恒律和对称性联系起来。物理学中的基本守恒定律，是与时空的基本对称性相关，动量守恒是空间平移不变性的结果，能量守恒是时间平移不变性的结果，角动量守恒是空间旋转不变性的结果，换言之，这些基本守恒定律来源于物理学法则都是一样的结果。  

3.火箭原理讲解:

动量守恒定律应用于实际问题——火箭飞行原理，使抽象公式跟实际问题建立起联系，可以让同学们充分认识到基础研究的重要性。然后介绍我国“长征号"系列火箭命名方式的由来以及火箭发展历程，同时介绍钱学森、孙家栋等科学家对我国航天事业做出的卓越贡献。

4.分组汇报:

播放猎鹰重型运载火箭发射过程视频片段，并进行分小组讨论。将学生按照6-8 人为一个小组进行分组，让学生探讨课前预习内容。随后由小组组员推荐一名代表发表讨论结果。每组代表发言结束后，由其他小组成员针对发言内容提出问题，发言组组员针对其他小组提出的问题作出解答。

5.课外拓展:

(1)关于守恒律——杨振宁和李政道的诺贝尔奖。

宇称不守恒是杨振宁和李政道在1956年共同发表的一篇重要科研论文。在此之前，科学界普遍认为宇称是守恒的，也就是说物理规律在镜像空间中是不变的。然而，杨振宁和李政道通过对实验现象的观察和理论分析，提出了宇称不守恒的观点，即物理规律在镜像空间中并非完全对称。

(2)莱布尼茨和笛卡尔关于“运动的量度”之争。

莱布尼茨派与笛卡尔派在运动的量度问题上各自强调自己所依据的事实和推理方法,长期相持不下。欧洲许多著名科学家都卷入了这场争论,并且形成了两大对立的学派，争论有效地推动了关于运动量度问题的深入探讨。莱布尼茨派虽然坚信mv²的唯一量度,但也不能否认mv在许多场合下的有效性。后来根据科里奥利的建议以1/2 mv²代替mv²，这就是后来所说的运动物体的动能。笛卡尔派虽然力图把mv²化归为mv,以坚持mv是运动的唯一量度,但也不能否认mv²这个量的重要性。

思政融入

教学意义

基于思政元素，本案例的教学意义从以下三方面进行阐述:

厚植家国情怀:近些年，我国航天事业取得了突飞猛进的发展，从航天事业取得的成就引入新课，增强学生的民族自信心和自豪感。简要介绍我国火箭的发展历程以及钱学森、孙家栋院士对我国航天事业的卓越贡献，拓展学生视野，培养学生涵养深沉的家国情怀.

培养科学思维:对动量守恒定律进行拓展，使学生明白动量守恒是自然界中的基本定律之一，在宏观和微观领域均适用。介绍守恒律和对称性之间的关系，使学生明白物理学中的基本守恒定律，是与时空的基本对称性相关，这些守恒律来源于物理学法则在时空维度都有相似的结果。

理论联系实际:把动量守恒定律应用于实际问题一火箭的飞行原理，使抽象的公式跟实际问题建立起联系，可以让同学们充分认识到基础研究的重要性。

四、案例教学主要内容展示

教师活动

学生活动

一、课程导入:

通过播放“天和”号核心舱发射、北斗导航全球组网成功、嫦娥五号任务圆满成功、中国首次实现地外天体采样返回、天问一号成功着陆火星、大国重器之中国空间站等视频。引入问题:这些航天成绩的取得均离不开火箭事业的发展，大家是否知道，火箭飞行原理是什么?让学生认识到运载火箭的重要性。进一步设问火箭发射的基本原理是什么，能否用我们已有的知识进行解 答。这种启发式的问题导入，可以使学生获得层层递进、抽丝剥茧学习的乐趣。

航天活动一直是同学们非常感兴趣的领域，从近些年我国航天领域所取得的成就引入新课能激发同学们的  学习兴趣，同时有机地引入课程思政,  激发学生的爱国热情。

二、视频播放:

首先，通过播放“动量的前世今生微课视频”，介绍笛卡尔、惠更斯及牛顿的生平事迹，重点介绍惠更斯提出动量守恒定律的过程，将科学家们对“动量守恒定律”发现做出努力的全过程融入教学过程之中。

其次，对发布在超星学习通上的关于动量守恒定律的微课视频进行回顾，包括冲量的定义、质点的动量定理、质点系的动量定理以及动量守恒定律。重点强调:质点系总动量由外力的冲量决定，与内力无关，用质点系动量定理处理问题可以避开内力。

由发现“动量守恒定律”的全过程，引导学生思考，培养学生的探究精神以及发现问题、分析问题和解决问题的能力。

视频中对冲量概念以及质点和质点系动量定理已经做了详细地讲  解，课堂上对主要知识点进行回顾即可。这样可以增加课堂讨论以及知识拓展的时间，获得加倍教学效果。

三、通过超星学习通随机考勤，提问学生回答。

问题1: 在什么条件下，质点系的总动量将守恒?

问题2: 当外力矢量和的冲量等于零时，动量是否守恒?

问题3: 火箭有多个喷口，各个喷口同时喷射的总推力如何计算？

被选中的学生回答问题,教师根据学生的回答情况进行解析。

四、总结质点系动量守恒的条件，并对守恒条件做补充说明。

当质点系所受外力的矢量和为零时，质点系的总动量不随时间改变，保持守恒。 ——质点系的动量守恒定律

=0时，=常矢量

说明:1)当外力≤内力，且作用时间极短时，可认为动量近似守恒；2) 内力对系统动量无贡献，即系统的总动量不变，但是，内力可改变每个质点的动量，从而使系统内的动量重新分配；3) 对于一切惯性系动量守恒定律都成立，但在解决具体问题时各质点的动量都应该相对于同一惯性系；4）动量守恒定律是自然界中最普遍、最基本的定律，，在宏观和微观领域都有重要应用。

通过前面的视频回顾以及提问，同学们对动量守恒满足的条件已经有所理解，这里做出小结进一步巩固知识。

五、守恒律的拓展

动量守恒被认为是自然界中最基本定律，每当实验中观察到似乎是违反动量守恒定律现象时，物理学家就提出一些新假设来补救，最后总是以有所新发现而胜利告终。例如，β衰变和电磁场的动量。物理学中的基本守恒定律，是与时空的基本对称性相关，动量守恒是空间平移不变性的结果，能量守恒是时间平移不变性的结果，角动量守恒是空间旋转不变性的结果。

体会到守恒律与对称性之间的关系，才能体会到物理学大美之所在。

六、播放神州十三号发射视频:

https://www.bilibili.com/video/av293555936/

七、精讲火箭飞行原理

通过神州十三号发射震撼画面，激发学生的爱国情怀以及为科学发展奋发学习的决心。老一辈科学家，做到了尖端科技和爱国责任感、使命感的完美结合，人格和技术价值的高度统一，创造了一个辉煌的共和国科技新纪元。

在看过神州飞船发射视频之后，同学们对火箭的飞行原理充满了好奇，迫切想知道火箭是如何把神州飞船送到太空的。通过详细的推导，把火箭升空的原理呈现给学生，此时学生对于枯燥的推导也会充满兴趣。

八、科学家的故事:宇航之父——齐奥尔科夫斯基

该公式被称为齐奥尔科夫斯基（苏联科学家）速度公式，于1903年提出的，即在不考虑空气动力和地球引力的理想情况下计算火箭在发动机工作期间获得速度增量的公式。因此齐奥尔科夫斯基被称为“宇航之父”。齐奥尔科夫斯基曾说过“地球是人类的摇篮，但人类不会永远生活在摇篮里，他们不断地争取着生存世界和空间，起初将小心翼翼地穿出大气层，然后便是扩展到征服整个太阳系。” 2021年10月14日，我国首颗太阳探测卫星“羲和号”成功发射，让我们离这个梦想又近了一步。

核心点是：“科学是没有国界的，但科学家是有祖国的”，科学家既要爱国，也要为人类和平相处共同发展造福。

九、思考:火箭的速度达到多少时，能穿出大气层呢?

讲解火箭能够到达的区域与最大速度之间的关系，使学生对航天事业有更加全面立体认识。

十、介绍多级火箭的组成以及多级火箭能达到的最大速度

多级火箭在起飞时，第一级火箭的发动机开始工作，推动各 级火箭一起前进，当第一级火箭燃料烧尽后，第二级火箭的发动机开始工作，并自动脱落第一级火箭的外壳。因此第二级火箭会在负重减轻的情况下进一步加速前进。依此类推，使火箭最终获得较大的速度而完成卫星发射任务。

理论联系实 际,让学生对火箭有全面的认识。 

十一、通过学习通推送选择题

计算长征二号F火箭理论上能达到的最大速度

十二、介绍长征系列火箭:弘扬长征精神，走好新的长征

 “长征”运载火箭起步于20世纪60年代，目前拥有四代20种型号。到目前为止，中国长征系列运载火箭已发射397次，成功率达到 95%。尽管我们取得的成绩是有目共睹的，然而面对更深更远宇宙空间探索需求，我们必须提前布局新概念运载火箭技术，目前开展的主攻方向包括热核推进技术、太阳帆等新型发射技术。此外，在火箭回收技术等方面，我们和美国还存在较大的差距，需要继续深入探索。

中国火箭发射的高成功率离不开工作人员严谨细致的工作态度。失之毫厘，谬以千里，希望同学们在未来的学习和工作中也要有精益求精的态度。

通过展示孙家栋、钱学森、郭永怀等老一辈科学家的事迹，培养学生涵养深沉的家国情怀。

十四、钱学森——一封写在香烟纸上的求助信

今天，缅怀钱学森！

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十五、两弹一星元勋——郭永怀！不忘初心志报国

郭永怀长期从事航空工程研究，发现了上临界马赫数，发展了奇异摄动理论中的变形坐标法，即国际上公认的PLK方法，倡导了中国高速空气动力学、电磁流体力学和爆炸力学等新兴学科的研究。担负国防科学研究的业务领导工作，为发展中国核弹与导弹等事业作出了重要贡献。

老一辈科学家的事迹增加了授课的趣味性和人文色彩，激励学生迎难而上、持之以恒，培养其精益求精的大国工匠精神和科技报国的家国情怀。

十六、分组汇报:生活中满足动量定理和动量守恒的现象

动量守恒定律是物理学中的基本定律之一，它表明一个孤立系统的总动量在方向和大小上都是不变的。动力学上的应用，火箭的反冲，定向爆破，光的康普顿效应等等。但是实际上真正的动量守恒是不存在的，只是相对来说误差大小的问题。在日常生活中，动量守恒定律有以下几个应用：

*保龄球运动：当保龄球被投出去后，它会在球道上滚动，而滚动时其动量会保持不变，因此人们在选择保龄球重量时，会考虑到自己的力量和投球速度，以确保保龄球在滚动时动量守恒。

*卡车刹车：当卡车在高速公路上行驶时，司机会使用刹车来减速。根据动量守恒定律，卡车刹车时的动量和速度必须符合动量守恒定律，因此刹车必须适当，不至于使卡车失控。

*棒球运动：当棒球被击出去时，它会飞向空中，而它的动量在方向和大小上也是不变的。因此，球员必须注意击球的方向和力度，以便控制棒球的飞行轨迹。

*弹球游戏：当弹球被发射出去时，其动量会保持不变，因此游戏者必须注意弹球的发射角度和力度，以便使其反弹的轨迹符合预期。

通过分组汇报，使学生从被动学习变为主动学习,  真正做到以学生为中心。

十七、课外拓展

1.关于守恒律——杨振宁和李政道的诺贝尔奖。

2.莱布尼茨和笛卡尔关于“运动的量度”之争:究竟应该用哪个量来量度运动?是mv还是?

拓展学生视野。

五、推荐的教学方法

动量定理以及动量守恒定律是质点动力学部分的一个重要知识点，学生在中学时期对定律的基本内容已经有所了解。基于上述学情，本节课我们采用的教学方法为线上线下混合式教学，结合学生分组汇报。具体流程如下:

1.课前发布学习任务单。为学生提供具体的自学指南，让学生做到有的放矢。学习任务单主要包括以下内容:学习主题、学习目标、学习方法、课堂学习形式预告、课前思考题、分组汇报、课程资源等。

2.学生通过课程网络平台完成课前学习任务。这部分知识点的微视频时长为8分钟，已经发布在中国大学MOOC网(或学习通)上，与视频相关的二维码被印刷在教材中，扫码即可观看，并完成相关测试。

3.课堂视频回顾。对视频中的重点内容进行回顾，帮助学生回忆巩固知识点。在对视频进行回顾时设置两个问题，通过雨课堂随机点名的方式提问学生，检测课前视频学习效果。

4.理论联系实际。动量守恒定律的宏观应用，讲解火箭飞行原理及中国航天。

5.学生分组汇报。把学生分成两个小组，第一组汇报动量定理在生活中的应用，第二组汇报动量守恒定律在生活中应用。

6.课外拓展。

六、案例教学的反思

本案例以大学物理课程中“动量守恒定律”一节为例，具体 讲 述 了 将 思 政 教育融入物理课堂的实施办法。教学中以中国航天热点科学问题为切入点，提升学生的民族自豪感和学习兴趣。进而通过已学知识，抽丝剥茧、层层递进的思维方式得到动量守恒定律，对学生的物理学思维进行训练。比较了物理学中常出现的“定理”和“定律”的区别和联系，以及使用它们注意事项。进一步学以致用，介绍了动量守恒定律在宏观（火箭运动）的应用，说明了动量守恒定律的实用性和广泛性。在讲解中，穿插进行了中国航天的介绍，让学生感受到大学物理的实用性。同时介绍了中国一辈辈科学家的奋斗历程，增加了授课的趣味性和人文色彩，激励学生迎难而上、持之以恒，培养其精益求精的大国工匠精神和科技报国的家国情怀。

生活中处处皆物理。本案例的特色在于把前沿科技作为定理和定律的实际应用引入到课堂教学中，从知识本身升华出思政元素，而不是从外界引入思政元素，实现了知识体系和思政元素的有机结合。本节课的知识点包括动量定理及动量守恒定律，而动量守恒定律的一个重要应用便是火箭飞行原理，因此把我国航天事业的发展以及长征系列火箭做 为思政元素融入到本节课的教学中，促进了“思政”与“专业”相长，可以达到事半功倍的育人效果。

课程思政教育内容和专业教学的内容必须做到有机结合、自然融入；做到相辅相成、相得益彰则更好；引起共鸣、拨动心弦则是课程思政的最高境界。教师的课堂讲授要能够吸引学生启迪学生。教师的人格魅力是课程思政教育具有说服力的关键和保证。做到这些专业知识教育和课程思政教育都会令人印象深刻，课程思政的成效也会水到渠成。因此，课程思政建设与课程质量提升的内在目标是一致的。在课程思政建设中必须坚持专业知识与育人元素交织交融，实现“教书”与“育人”的相互促进、双向提升。

七、案例教学拓展性

火箭曾是中国古代的重大发明之一,早在北宋时期,岳义方、冯继升造出了以火药为动力的飞行兵器——火箭。当然这更多是概念性的火箭。由于种种原因，我们国家错过了第一次工业革命，相关火箭的研究未能持续。在近代物理发展中,我们国家处于起步比较晚的阶段。对于火箭这种关系国运的重器，新中国经历了好几代人的努力拼搏。各位前辈科学家披荆斩棘，把智慧锻造成阶梯，留给后来的攀登者。通过介绍中国航天发展，客观分析中国在近代科学上落后原因的同时也激励学生学习热爱祖国、勇于登攀、科学求实、淡泊名利、默默奉献的航天精神，并内化为努力学习、报效祖国的动力。

著名物理学家李政道曾经说过“没有昨日的基础科学，就没有今日的技术革命”，表明了物理学在技术革命中的重要地位。因此把前沿技术中所蕴含的物理学原理作为课堂教学的一部分，理论联系实际，既可以使学生感觉到物理有用、有趣，又可以把思政元素不动声色地融入其中，塑造一门有温度的课程。

如前所述，喷气式飞机飞行时，吸入机外气体，气体与汽油燃烧后喷出气体获得动力。但是，一般喷气式飞机喷出的气体相对于机身的速度方向是固定的，即动力方向相对于机身不变。如果飞机发动机喷出气体相对于机身的方向可以改变则称为矢量发动机，其喷出气体的动力方向和形成的力矩均可调。矢量发动机又可以分为二元和三元矢量发动机。二元矢量发动机喷口方向可以上下偏转，三元矢量发动机喷口方向可以上下左右偏转。矢量发动机可以极大地提高飞机的机动性。在教学实践中可以穿插介绍我国在矢量大推力发动机方面的研发成果。课堂上组织学生观看2018年珠海航展时装备矢量大推力发动机的国产歼-10B战机表演“眼镜蛇机动”“落叶飘”等高难度机动动作的视频，帮助学生了解我国是继美俄之后世界上第三个掌握矢量大推力发动机技术的国家。在课堂讲授这部分内容时，学生对中国在矢量发动机研发方面取得的成绩表现出很高的热情和关注度，不仅帮助学生拓展了知识范围，培养了他们发现问题、解决问题的能力，也很好地激发了学生的爱国主义情怀以及敢于创新、勇攀高峰的科学精神。

八、参考资料

1.教学课件和授课视频

http://mooc1.chaoxing.com/nodedetailcontroller/visitnodedetail?courseId=201942815&knowledgeId=134873761

2.北斗卫星导航系统   http://www.beidou.gov.cn/

3.神舟十三号发射全程完整回顾(无解说纯享版)

https://www.bilibili.com/video/BV1zf4y177t2/

4.天宫课堂-直击中国空间站首次太空授课

https://m.163.com/v/video/VJQ38411S.html 

5.深度:宇称不守恒到底说了啥?杨振宁和李政道的发现究竟有多大意义?

https://www.sohu.com/a/279033320_99951505

6.SpaceX“星舰”诞生和发射的背后，是马斯克坚持了20年的太空梦！

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1763771083583448040&wfr=spider&for=pc

7. 物理与工程.课程思政工作委员会优秀案例展示力学（琚伟伟.河南科技大学物理工程学院，2022).

8.蒋最敏,魏心源.在大学物理力学中的课程思政实践[J].物理与工程, 2021.31(3):92-96.

9.吕莎莎,聂新明,孟鑫,唐飞,田康振.大学物理“动量守恒定律”课程思政的实施[J].物理与工程, 2022, 32(2):173-176.

题目: 安培定律及其应用

●教材分析：在本章前两节内容中，学生学习掌握了磁感应强度的计算以及基本性质，本节课学习带电导体在磁场中的受力问题:首先得到安培定律，即电流元之间相互作用公式，再结合毕奥-萨伐尔定律得到安培定律的一般性质，即电流元受磁场作用的规律，由此对带电导线在磁场中的受力进行讨论。

●学情分析：安培力的基本原理在高中物理中已经进行了详细讲述，大学物理在此基础上引入微积分的思想，将研究对象扩展到任意曲线的安培力，同时从矢量的角度分析了安培力的特点。本节课授课对象为我校大学二年级第一学期的学生。这部分学生已经进行了一学期的大学物理学习，培养了一定的物理思维，已具有使用微积分和矢量的能力，可以对物理现象进行简单的建模与分析。学生了解了两无限长平行载流直导线间的相互作用、发电机和电动机，对安培力、磁力矩也有接触，这为本次课的学习奠定了基础，但学生对其定量研究结果的理解会有一定的困难。

●思政分析：从奥斯特磁针到安培定律的提出(磁学基本理论建立)只用了不到半年的时间，该过程却完美体现了规范严谨的物理理论建立过程中科学方法与科学精神威力。从物理学史的角度梳理了本节课的授课逻辑，有助于学生正确地、历史地理解电磁场理论，同时又可以寓研究方法和物理思想于具体内容当中，作为课程的“隐性”思政元素。物理学家们做出伟大成就的团结协作、实事求是等科学精神为本节课的“感性”思政元素。安培定律在工业生产和军事领域都有典型应用，以安培定律的前沿军事应用为“显性”思政元素。本案例以这三类思政元素的提取为载体，实现课程知识与思维、情感、应用的结合，以显隐结合的方法建设体现“两性一度”的物理育人课堂。

二、课程基本信息

课程名称

大学物理（下）

课程总学时

48

教学内容

第9章 恒定磁场

第6节 磁场对载流导线的作用

教学内容时长

45分钟

教学对象

理工科专业大一、二学生

教材情况

主讲教材：

[1]魏健宁等.大学物理学[M].第二版.武汉：华中科技大学出版社，2018.

参考教材:

[2]马文蔚，周雨青.物理学[M].第六版.北京：高等教育出版社，2014.

[3]张三慧主编.大学物理[M].第三版.北京：清华大学出版社，2015.

[4]卢德馨. 大学物理学[M].第2版.北京:高等教育出版社,2003.

[5]赵凯华，陈熙谋．电磁学[M]．北京：高等教育出版，1985.

[6]程守洙、江之永主编，胡盘新、汤毓骏、钟季康、胡过图、钟宏木修订.普通物理学[M].第七版.北京：高等教育出版社，2016.5.

[7]Sears，Zemansky’s. University Physics with Modern Physics [M].10th Edition. Boston: Addison-Wesley Longman, 2000.

[8]Halliday, Resnic, Walker. Fundamentals of Physics [M]. 6th Edition. New Jersey: John Wiley & Sons Inc.,2001.

学习重点

①掌握安培定律；②用安培定律求带电导体在磁场中受到的安培力；③理解安培力的微观本质。

学习难点

①安培力微观本质的理解；②磁场对载流导线安培力的计算方法；③安培力的计算与矢量关系。

知识体系

本节课是电磁学“第9章 恒定磁场”的内容，内容结构如下图所示：

本章从1820年奥斯特关于电流磁效应的实验开始，结合安培分子电流假说，引出磁现象的电本质作为本章的基础。基于磁的本质，人们将电流元视为研究磁现象的基本单位。为此，法国物理学家毕奥和萨伐尔建立了电流元产生磁场的定量公式，而且安培提出了更加深刻的问题，即寻找电流元之间相互作用的定量公式。本次课的内容为载流导线在磁场中所受的力，既有载流导线在磁场中所受的安培力，又有磁场对载流线圈的力矩。教材主要讨论的是均匀磁场对载流导线和载流线圈的作用。

教学目标

①知识目标:理解安培定律和安培力的矢量表达，能够运用安培定律计算载流导线（例如直导线、任意形状导线）在磁场中的受力。

②能力目标:培养学生运用假说、类比联想等科学思想方法发现、分析实际问题的能力；锻炼学生运用逻辑和数学描述、解决物理问题的能力，建立物理模型能力，提高学生实践与创新能力。

③思政目标:通过科学思想方法的训练，引导学生养成严谨求实的科学态度和追求真理的科学精神；通过让学生理解物理知识在军事和工业中的应用，提高学生的民族自豪感，传达把学到的知识用于祖国建设中的理念。

三、案例设计

设计目标

针对应用型院校大学物理课程的特点，本案例将课程思政和演示实验相结合，穿插在教学的各个环节中，引导学生养成科学的思维模式和服务祖国的意识，实现知识传授、能力培养和价值塑造的统一。

(1)能力培养——“隐性”育人

相较于课程中的公式与计算，安培定律建立过程中明确的物理思想，以及在其指导下设计的有针对性的物理实验与逻辑条理分明的理论分析才是以安培为代表的伟大物理学家工作的核心。本节课结合安培定律提出的历史背景、物理思想与研究方法进行讲述，目的是帮助学生在学习知识的过程中逐步体会并发展科学分析能力、逻辑推演能力以及创造能力，于“潜移默化”中提高学生的科学素养。

(2)价值塑造——“感性”育人

从奥斯特发现电流的磁效应到安培定律的提出，仅经历了不到半年的时间。电磁学却经历了从现象的总结到理论的归纳这一大飞跃，电磁学进入了一个崭新的发展时期。奥斯特、阿案例设计 拉戈、安培、毕奥和萨伐尔等人对科学问题的敏锐洞察、快速 目标 行动以及高效合作令人惊叹。安培提出的问题的深度、广度和重要性高于其他同代人，反映了正确抽象、洞察本质的重要性。他面对难以测量的困难，以实事求是的科学态度亲自设计、制作实验仪器，做出了突破性的贡献。在讲述物理学家的思考与科学方法的使用的同时，我们将这些伟大的科学精神与科学态度传递给学生，在学生的“感受感动感悟”中端正学习与工作态度，培养科学精神。

(3)实践应用——“显性”育人

在知识学习和基础应用的基础上，“有计划、有预期”地选择与时事热点、科技前沿、大国重器相关的应用素材。通过结合时事前沿的讲述培养学生的思辨能力、开阔视野，其中关于我国相关进展的调研可以让学生感受国防建设成就。强化国防安全意识，激发爱国情怀。

思政元素

 (1)“隐性”思政元素——普适逻辑思维与思想方法

*物理理论的建立

1820年奥斯特关于电流磁效应的发现震动了整个欧洲，安培根据电流与磁体等的相互作用，逐步认识到磁现象的起因是电流，提出物质的磁性源于分子电流，认为磁作用的本质是申流之间的相互作用，从而提出了寻找电流元之间相互作用定量关系的课题。同时，安培与毕奥、萨伐尔一样，遇到了不存在孤立的电流元无法直接通过实验测量的困难，此外两个电流之间的相互作用力除了与其电流大小、间距有关，还与两个电流元及其间的径矢，三者取向有关系。在当时的人们看来通过实验对以上因素对结果的影响进行判定几乎是毫无希望的。针对此，安培设计了四个别具匠心的示零实验，其构思之新颖与结构之奇巧，堪称物理学史上的不朽之作。他接着以此为依据经过严密的逻辑推导，最终得到电流元之间的相互作用力公式，即安培定律。进而才有了磁场中导线、闭合线圈受力、磁矩等系列的推论与应用。

*思想方法的体现

安培定律是静磁场中定量描述两个电流元之间作用规律的定律。从数学上看，安培定律的数学表达式具有复杂的数学形式，其中涉及三个矢量的叉乘；从物理意义上看，该定律是基于“所有的磁现象源于电流”这一深刻的物理思想而提出的；此外，由于无法在实验中创造孤立的电流元，因此,安培定律无法通过实验直接验证，只能在实验的基础上通过数学抽象得到，以上这些因素导致学生在学习该定律时存在一定的困难。鉴于此，本文提出将类比法引入安培定律的教学，将其与库仑定律进行多角度的类比分析，以期帮助学生更好地理解和掌握安培定律。比如安培在解释磁本质时的分子电流“假说”，提出电流元之间定量关系课题是“类比”于库仑定律等等。这些思想方法也会在物理课程的其他内容中以不同的外在形式多次出现。

(2)“感性”思政元素——科学精神与态度

1820年9月初，法国物理学家阿拉戈从瑞士带回了丹麦物理学家奥斯特发现电流磁效应的消息，立即在法国科学界引起了巨大的反响。安培第二天就重复了奥斯特电流对磁针作用的实验，并分别于 9月18日、9月25日、10月9日连续提交三篇论文，对磁现象的本质进行了探讨，最终在菲涅尔的帮助下于1821年1月提出分子电流假说。毕奥、萨伐尔则致力于寻找电流对磁极的作用力的普遍形式，并在著名数学家拉普拉斯的帮助下于1820年10月提出了毕奥——萨伐尔定律，并在本节课中应用于安培定律得到了安培力公式的一般形式，符合电流元激发磁场、电流元受磁场作用的近代观念。

(3)“显性”思政元素——“大国重器”电磁炮

“大国重器”电磁炮是利用通电导体在磁场中受到安培力作用.安培力推动导体加速运动,最终把导体以一定的速度发射出去的装置。电磁炮可以在极短时间内提高弹丸的速度以获得足够大的射程和动能，成为目前最具发展前景和潜力的新概念武器之一。我国的电磁炮经过较长时间的调试与测验，技术已经相当成熟。

思政融入

(1)重点强调“隐性”思政元素

在教学过程中，教师以显化的方式表达、以课堂总结中逻辑图的形式向学生介绍物理规律发现的研究方法，向学生展示安培的创造性工作的核心，帮助学生学习和透彻领悟与运用物理规律与思维，体现了传授思想与方法的教学目标。

(2)无形融入“感性”思政元素

教师在运用历史材料表述理性的思维与理论时，加上感性词汇，介绍物理定律提出的背景是什么，物理学家如何提出新的问题以及解决问题过程中的苦难与突破，突出其中科学精神的作用。让学生有身临其境之感的同时在“同频共振”的氛围下自然接受教师想要传递的知识、思想与精神。

(3)点到即止“显性”思政元素

教师通过图片、视频等方式将事例引入课堂，再通过课堂讨论、课后研讨等方式促使学生参与其中，让学生在好奇与兴趣的驱使下自己在思政路上“走完最后一公里”。

设计思路

(1) 以“隐形”思政元素穿针引线：以安培定律建立过程中明确的物理思想、有针对性的典型实验和理论分析为大线索串起课堂教学。其中涉及“假说法”、“类比法”等思想方法，以其为小的接口衔接课程，步步深入传递知识。

(2) 以“感性”思政元素穿插其中：在研究过程中体现的科学精神与科学态度会伴随着物理学家的思考与研究过程传递给学生。

(3) 以“显性”思政元素画龙点睛：在知识学习和基础应用的基础上，通过习题或课后研讨的方式引入安培定律在现代军用武器电磁炮和电磁加速器中的应用，以基础知识在现代军事技术中的应用为课程最后的“点睛之笔”。

教学意义

我们期望以本节课为例体现“高阶性、创新性”的金课建设案例教学设标准，突出思政课程建设的“价值引领”作用，共同提升课意义程“挑战度”，建设更有“深度、温度、广度”的物理思政元素。

(1)以“隐形”思政元素体现课程“高阶性’

面对复杂问题时，如何从现象到本质、从具体进入抽象、再进一步从特殊到一般、从理论研究到实践应用，本节课通过安培力理论的建立过程给出了典型工作范例。我们希望在潜移默化中给与学生历史的启迪、方法论的指导，以其为媒介，“实现知识、能力、素养的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维”，做有“深度”的物理思政课。

(2)以“感性”思政元素强化课程“价值引领”

科学研究者伟大成就的取得，不仅需要扎实的理论功底，理性的思维能力等，更需要源于内心激情的情感动力，这或出于社会责任、使命意识、对真理的热诚等，这也是科学家们在长期的科学实践中积累的宝贵精神财富。我们希望以此为源，让学生在知识重建的同时进行相应的价值重估，实现课程的价值引领，培养学生由时代精神价值支配的热情，做有“温度”的物理思政课。

(3)以“显性”思政元素展示课程“创新性”

我们在课堂中刻意选择具有前沿与时代性的应用素材，希望以此开一个窗口，拓展课程的外延，打通基础与前沿、理论与应用、经典与现代领域，让学生看到现代文明的广袤天地，做有“广度”的物理思政课。

四、案例教学主要内容展示

教师活动

学生活动

※ 引入:奥斯特的实验发现——安培提出科学推测——安培提出新的问题

回顾从 1820年7月奥斯特发现电流磁效应，安培根据电流培提出问题与磁体的种种相互作用等实验，逐步认识到:一切磁力本质上都是电流之间的作用力，提出了分子电流假说。然后，进一步提出了寻找电流元之间相互作用定量关系的课题。

※安培力的演示实验

       磁吸式安培力演示仪：由支架、导体转盘和电源三部分组成，各部分都装有磁铁可直接吸到黑板上进行课堂演示。支架上的磁铁提供一恒定磁场，可通过改变支架放置方向改变磁场方向。导体转盘由若干个扇形导电带组成，各导电带之间相互绝缘。转盘中心轴承通过铜片支架、导线与鳄鱼夹相连，鳄鱼夹与直流电源的正极碳刷相连。直流电源的负极碳刷与导体转盘边缘的镀铜导电层接触。通电后，电流从导体盘中心流向边缘，已知磁场方向即可判断出扇形导电带的受力方向进而判断出转盘旋转方向。

在教师的引导下体会安培提出问题的广度与深度，领会正确抽象、洞察现象的重要性。

演示实验的使用使学生体会了观察、实

验、分析的过程，能帮助学生养成科学的思维习惯。

※总结安培定律公式

安培定律是关于任意两个稳恒电流之间作用力的实验规律。电流元受到电流元的作用力为d：

讨论:

(1)它和静电场中的库仑定律相当:被麦克斯韦誉为“科学中最光辉的成就之一”。 安培本人也被誉为“电学中的牛顿”。

(2)两个电流元之间作用力不满足作用力-反作用力定律：

(3)闭合恒定电流之间的相互作用力满足牛顿第三定律。

安培力公式的一般形式:

电流之间的相互作用通过磁场传递，电流元1在其周围产生磁场，该磁场对置于其中的另一电流元2施予作用力。

结合,得到安培力公式：

通过教师安排的讨论环节（1）用类比的方法理解安培定律律。（2）理解电流元作用力与牛顿第三定律的矛盾

※分析安培力的本质

由安培力公式出发:，其中，为长度内载流子总数，为每一个载流子所受洛伦兹力。可以看出，安培力是洛伦兹力的集体宏观表现，安培力的微观本质就是洛伦兹力。

(1)理解安培力与洛伦兹力之间的关系；(2)感受从磁针一跳到安培定律提出过程中科学家们只争朝夕、与时俱进、团结合作精神。

小结:  硕果累累的半年（1820年）

* 7月丹麦物理学家奥斯特演示了电流的磁效应实验。

* 9月11日阿拉戈在法国科学院介绍了这一成果，安培从中得到很大启发。

* 9月18日安培在法国科学院报告了他关于平行载流导线之间相互作用的研究。

* 10月30日法国科学家毕奥和萨伐尔发表了载流长直导线对磁极作用反比于距离r的结果，不久经数学家拉普拉斯的参与，得到了以他俩名字命名的定律。

* 12月4日安培得到他的电流元相互作用公式。

物理学家不懈努力、探索真理的精神

※安培定律与库仑定律的类比

库仑力和安培力作用对比图

安培定律从公式的形式上看比较复杂，涉及矢量运算和多个几何参量。就其本质而言，与库仑定律的公式具有很好的对称性。库仑定律描述的是两点电荷之间的相互作用规律，其表达式为：

安培定律描述两电流元之间的相互作用规律，其表达式为：

相似之处：①库仑力大小与两点电荷的乘积成正比，安培力大小与两电流元的叉乘成正比；②两种力与距离的平方成反比。

不同之处：①库仑力是一种有心力，安培力属于一种横向力；②点电荷模型没有大小和形状，因而库仑定律不涉及矢量运算，而电流元模型涉及电流方向，是矢量，安培定律公式中会涉及矢量叉乘运算。

库仑定律是静电场理论的基石，在电磁学理论中占有非常重要的地位。与此类似，安培定律也是静磁学的理论基础。安培定律和库仑定律在电磁学中均具有十分重要的理论地位，二者都是电磁理论的基石。

类比法是一种重要的科学思维方法。根据以上对比，给出了安培定律与库仑定律公式的相同点与不同点，有助于学生对公式形式的记忆和辨析。

※实验验证：载流导线在磁场中受到的安培力

1.直载流导线在磁场中所受安培力

演示实验：安培力演示仪

注意：叉乘的计算与安培力的计算。

2．任意载流导线在磁场中所受安培力。

             微元分割+积分计算:

学生观察改变电流发生的现象，体会右手定则与安培力方向的关系

※电流的单位——无限长平行载流直导线间的相互作用

阅读材料：

    1948年1月1日采用电流单位的绝对单位制。这个单位制的基础是1901年由意大利科学家乔吉(G. Giorgi)提出的修正的CGS制。这个单位制又称为米一千克一秒安培单位制(简称MKSA制)。MKSA制的单位量值大小很适合于实际测量从安培的定义中消除了不方便的4π因子。第九届国际计是大会(CGPM)批准的是用两个平行导体之间的力定义安培，伏特是在流过1A恒定电流的导线内两点之间所消耗的功率为1W时两点之间的电位差 即在导体间加1 V的恒定电位差产生1A的恒定电流的电阻。大会对其他单位也作了定义并都采用了 国际单位制(SD 1960年第11届CGPM正式批准，指定安培为电学量的基本单位。

思政教育： 握的知识和微积分结合、合理近似、建立模型的过程，让学生体会主要矛盾和次要矛盾的应用。

※课堂练习

例题:如图，圆柱形固定导轨间有可以自由移动的导体棒，左端连接电源，在导轨和导体棒内将流有如图所示电流，假设电流大小为I，导轨截面半径为R，两导轨中心间距为d，而且导轨长度L远远大于d。求导体棒所受安培力。

分析:通电导轨会在其周围产生磁场，由右手定则我们可以判断出两导轨间的磁场方向为垂直屏幕向里，由安培定律，导体棒所受安培力方向向右。在力的作用下，导体棒会向右滑动。

※实验验证:安培力演示仪

结果:安培力方向与预先理论判断一致，电流增大，导体运动速度增加。

计算2:利用安培力公式计算安培力大小

估算:设I =A、d = 15cm、R = 5cm、m = 2kg、L =3m，求:平均加速度、最大出射速率。

结果:

即，平均加速度约为重力加速度的70万倍。

即，导体棒的出射速率等于音速的18倍。

类比:如果把导体棒做成弹丸，它将是威力巨大的武器。

(1)学生根据老师要求计算导体棒受到的安培力大小。

(2)学生观察改变电流发生的现象，电流越大，导体棒运动越快。

※实践应用：电磁炮

如果把导体棒做成弹丸，它将是威力巨大的武器。这是轨道炮的基本原理。

视频播放：中国造出领先全球电磁炮

课后调研：我国电磁炮研究的进展

实践应用：航母电磁弹射器

如果把导体棒做成滑块，这是航母电磁弹射的基本原理。

视频播放：中国造出领先全球电磁炮

课后调研：我国航母电磁弹射器的进展

思政教育：

(1)学生通过观看视频了解电磁炮威力。

(2)通过课后调研亲自感受我国国防建设成就，强化民族自信与爱国情怀。

※课堂小结：物理理论的建立过程

回顾整节课内容，以安培定律建立过程为例理解物理理论的建立过程。

五、推荐的教学方法

整体采用讲授法，其中安培力的方向及大小采用安培力演示仪使用实验教学法，对安培定律公式的理解采用课堂讨论法，电磁炮的介绍中使用视频教学法。

库仑定律是静电场理论的基础，基于库仑定律中，电力的作用与距离的平方成反比，可以推导出静电场的基本方程——高斯定理。因此，只要库仑定律不成立，就会导致高斯定理也不成立，进而破坏了静电场的理论基础。可以说，库仑定律是静电场理论的基石，在电磁学理论中占有非常重要的地位。与此类似，安培定律也是静磁学的理论基础。借助安培定律，可以导出毕奥-萨伐尔定理，而利用毕奥-萨伐尔定理可以进一步推导出磁场中的高斯定理和环路定理。如果安培定律不成立，就会造成磁场中的高斯定理及环路定理也不成立，最终导致静磁场的基础理论被破坏。由此可见，安培定律和库仑定律在电磁学中均具有十分重要的理论地位，二者都是电磁理论的基石。

类比法是一种重要的科学思维方法。针对电磁学教学中安培定律公式复杂、学生难以理解其物理内涵的问题，本文提出在教学过程中将其与库仑定律进行类比。通过新旧知识的对比，分析二者在物理模型、数学公式、物理涵义、定理推导以及理论地位方面的相似性及不同点，从而帮助学生增强对公式的记忆、概念的理解以及对物理内涵的把握。通过类比教学，可有效帮助学生将“电”与“磁”的知识联系起来，增强对电磁规律对称性的理解，从而提高课堂教学的效率。

六、案例教学的反思

回顾电磁场理论和电磁波应用发展的历史进程，它充分体现“求真、务实、探索、创新”的科学观和“敬业、专注、精益、创新”的工匠精神。在电磁理论建立过程中，充分体物理学追求统一、对称、简单、自洽的学科特点，让学生感受到物理理论中的美。通过学习三大实验定理(包库仑定律、安培定律、法拉第电磁感应定律)、了解麦克斯韦方程组的提出过程及存在电磁波的大胆预言，让学生明白成功不是一蹴而就的，面对失败该如何从容对待，告诉学生要勇于打破常规、勇于创新，引导学生如何思考、做人、做事等，帮助学生掌握科学研究方法。

根据“安培定律”一节的特色，我们选取了“隐性、感性、显性”三个层次的思政案例，前两类思政案例结合课本知识展示了安培定律建立过程中的科学方法、科学素养与科学精神，“显性”思政案例则显示国防前沿特色。该课程中知识与思政互相依存、互相促进，共同打造教书与育人效果均突出的物理课堂。

七、案例教学的可推广性

“大学物理”课程是理工科类学生的一门基础课程，其中蕴含着应用丰富的基础知识、底蕴深厚的发展历程、理性求真的科学精神、唯物辩证的科学思想以及积极和谐的人文价值，铸造了该课程的鲜明特色与独有魅力，也为课程提供了丰富多彩的思政教育元素与资源。基于课程特色与背景，本节课将思政元素与育人功能分为“显性”“感性”与“隐性”三类，该分类方式在整门课程上均有很强是适用性与推广性。

(1)深挖课程内涌获得“隐性”思政素材

“大学物理”课程不仅帮助学生建立物理学的基本知识体系，更立足于展示给学生物理学建立过程中的一系列科学世界观和方法论，认识现象、建立定理过程中体现的理性思维与逻辑论证，以及物理学发展过程中与人类技术进步、观念改变的互相促进等等。这些源于课程内涵与学科背景的素材充盈了课程的“隐性”思政素材。

“隐性”思政元素的特点是:①素材来源隐。教师需要结合社会历史、人类进步与物理学发展的关系总结人们对物质世界认识的形成、探索方式的进步，结合物理和哲学的方法论抽取课程理论的建立过程中范含的思想方法，结合科学家们的研究历史与课堂知识、科学与技术、理论与实践、抽象与具体的相互关系，梳理课堂的逻辑结构，以建设能够体现课程核心内涵与高阶思想的“隐性”素材库。②该素材可固化于课程之中，如理想模型、类比、假说等思想方法会在课程中多次应用。③普适性强。基本每节课都有大的逻辑线以及各种思想方法和科学思维的训练。

(2)突出人文价值获得“感性”思政素材

人文精神的重陶，新时代价值理念的传递也是物理思政课中的重要一环。教师在物理课堂中介绍物理学家的经历及其科学精神，传其蕴含的“爱国、创新、奉献、求实”等新代的价值准则；这是本节课的主要“感性”思政素材。除此之外，还有以下几个方向可以纳入其中。例如，在课堂中介绍中国古代科技进展，体现物理学由古至今的文化传承，提升学生历史自信与文化自信；将物理与艺术相联系，体会精密严谨理工课程中的和谐与美。

“感性”思政元素的特点：①素材来源多，包含历史人物、人格塑造、文化传承、科学精神等诸多方向的微素材；②数目多，教师可根据授课对象、课堂效果等选择合适素材；③多与小知识点对应，一节课中可出现多次。

(3)广拓课程外延获得“显性”思政素材

我们正处于科技爆发、信息爆炸的新时代，物理学的内涵更加延伸。现代社会出现的很多新热点新闻、新技术前沿、新产品应用等往往涉及“大学物理”课程中已有的概念和理论，是课程基础知识的应用和发展。这些极富时效性与先进性的素材提供了课程的“显性”思政素材。

“显性”思政元素的特点：①素材来源广，例如社会热点、前沿科技、国防建设、大国重器等应用中的物理原理与应用均为“显性”思政素材来源；②时效性强，该素材需要根据时事热点及时更新；③通常一个素材涉及多个知识点甚至多个模块。比如2013神州十号的太空授课涉及牛顿第二定律、非惯性系、角动量守恒、光栅衍射等知识，著名的“量子围栏”图片涉及驻波、隧道效应等知识。

八、案例教学的拓展

(1)体现科学思维木质拓展“隐性”案例

本节课的课程逻辑是按照历史发展的逻辑顺序设计的，课堂设计的逻辑并非唯一，比如由本节课的知识线索中，也提炼辩证思想方法线索，如右图所示。其次就小的思想方法而言，除了上文列出的，还有安培从实验到公式反应了从定性理解到定量表述的方法，运用叉乘表述力的方向是数学方法，电流元的理想模型法。

(2)把握人文价值方向拓展“感性”案例

本节课是以历史研究顺序设计的，故“感性”思政素材偏重物理学家的思考与精神。历史上，安培最初发表的电流元相互作用公式并不正确，他将磁力规划到牛顿力学体系，假定电流元作用力的方向是沿二者联线方向以满足牛顿第三定律，并认为磁力是直线式的超距作用，此外关于分子电流的假说也只是量子力学的一种粗略近似，并不准确。安培的思想不可避免地受到经典物理的制约，有着时代的烙印，而物理学的大厦也并非一日建成，要用动态的、发展的眼光看待问题。此外，本课中涉及我国电磁炮技术进展部分时，可以指出，这其中离不开我国科学家马伟明同志的贡献以及其艰苦奋斗、无私奉献的伟大精神。

(3)结合学科先进成果拓展“显性”案例

在进一步介绍线圈在磁场中受力时，以直流电机作为其典型应用，其突出优点是通过改变电源电压很容易调节它的转速，凡是要调速的设备，一般都采用直流电动机，比如磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的，2016年5月6日，中国首条具有完全自主知识产权的中低速磁悬浮商业运营示范线-长沙磁浮快线开通试运营。该线路也是世界上最长的中低速磁浮运营。航空母舰上电磁弹射器的使用了超高功率的直流电机，我国的第三艘航母也在建造中，近日有卫星图片公布透露出了新的研发成果，可以从照片上看出三套电磁弹射装置正在被测试应用。

九、参考资料

1.航母的电磁弹射原理到底是什么呢？

https://haokan.baidu.com/v?pd=wisenatural&vid=7138013196342687710

2.央视曝光中国电磁炮百公里击穿80毫米钢甲

https://www.bilibili.com/video/BV1f24y1c7si

3.安培设计的四个示零实验

https://www.bilibili.com/video/av200344488/?p=54

4.物理与工程.课程思政工作委员会优秀案例展示电磁学（周兆妍.国防科技大学理学院，2022).

5.徐义爽，杨广武，王刚.基于课堂演示实验的思政设计在大学物理教学中的应用——以“载流导线在外磁场中所受安培力”为例[J].物理与工程, 2022, 32(2):177-181.

6.吴青峰.电磁学中安培定律与库仑定律的类比教学探究[J].科教文汇, 2021,11:59-60.