曹晨泰 薛燕 王琳 張鈞君

（合肥師范學院物理與材料工程學院）

一、引言

培養(yǎng)新時代人才，需要重視課程的思想政治建設，使專業(yè)教育與思想政治教育相互促進?，F(xiàn)如今，高校課程思政建設的號角已全面吹響。[1]近年來，將思政元素融入大學課程的教學方法已在許多課程中進行探索。[2]大學物理課程的理論性很強，其中涉及很多的公式和定理內容，往往比較抽象，基礎知識之間聯(lián)系緊密且環(huán)環(huán)相扣，學生理解和掌握具有一定的難度。導致大多數(shù)學生對于大學物理學習興趣不高，教學效果有限，但在教學過程中自然的引入內容相關科學發(fā)展史、科學家的成長歷程等思政元素，能很好地激發(fā)學習積極性，達到“寓教于樂”的教學效果，同時，思想政治元素的準確引入，可以樹立學生正確的價值觀。[3,4]因此，在大學物理課程教學中進行課程思政建設具有優(yōu)勢。但是，部分老師對于課程思政理解不透徹，流于形式，強行融入，往往適得其反。針對“大學物理”課程教學中的現(xiàn)狀，我們對“大學物理”課程教學融入思政元素進行了初步探索。

二、電磁場基本理論中蘊藏的思政元素及課程融入方法

本文將“帶電粒子在磁場中的運動”基本原理和思政元素相結合，就如何在“大學物理”教學中實施課程思政進行了探討。

（一）帶電粒子在電磁場中的運動課程引入

根據(jù)前面學習到的帶電粒子在磁場中的運動的知識：

一個電荷量為q 的粒子以速度V 在磁場中運動，磁場作用在運動電荷上的力稱為洛倫茲力（Lorentz force）。洛倫茲力的方向總是垂直于質點速度的方向，只改變運動方向而不改變速度大小。磁場根據(jù)其性質可分為均勻磁場和非均勻磁場，帶電粒子在其中的運動是不同的，這將在下面進行分別討論。

1.帶電粒子在均勻磁場中的運動

若有一個均勻磁場，其磁感應強度為,有一個帶電粒子的電荷量為q、質量為m，以初速度入射進入磁場。如果速度方向與磁場方向平行，則粒子受到的洛倫茲力為零，粒子將在磁場中做勻速直線運動。如果速度方向垂直于磁場方向，粒子受到垂直方向的洛倫茲力，大小為，方向垂直于速度和磁感應強度組成的平面，因此，粒子速度的大小不變，只有方向改變，洛倫茲力作為向心力。[5]

如果以夾角θ 斜射進入磁場中，這時可以把速度分解成平行于磁感應強度的平行分量和垂直于的垂直分量使帶電粒子在垂直于磁場的平面內作勻速圓周運動，V//使帶電粒子沿磁場方向作勻速直線運動，把粒子在垂直方向和平行方向的運動的合成，得到軌跡是一螺旋線的運動，螺旋線的半徑等于：

水平方向一個周期運動的距離（螺距）h 等于：

2.帶電粒子在非均勻磁場中的運動

以上學習我們看出，如果帶電粒子方向與磁場方向成任意角度時，粒子便會做螺旋線運動。我們前面已經(jīng)計算出螺旋運動的旋轉半徑R、周期T 以及螺距h?，F(xiàn)在我們拓展討論一種更復雜的情況，如果帶電粒子在非均勻磁場中運動會怎樣？首先，根據(jù)我們前面計算得到的螺距公式h 可以看出粒子的回旋半徑R 是隨著磁感應強度增大而逐漸減小的，那么如果粒子進入一個如圖1 所示的由左到右逐漸增強的磁場，那么它的回旋半徑R 將逐漸減小。另外對帶電粒子進行受力分析，我們便會發(fā)現(xiàn)如果將所受的洛倫茲力進行分解，帶電粒子總是受到一個分力的作用，這個分力總是指向較弱的磁場方向，阻止粒子向較強磁場方向移動。因此，當粒子向更強的磁場運動時，它們的速度會逐漸降低，甚至減為零，繼而反向運動，這種現(xiàn)象就像光遇到鏡子被反射一樣，所以這個裝置稱之為磁鏡，如圖1所示。

圖1 磁鏡裝置示意圖[5]

上述磁現(xiàn)象也存在于宇宙空間。在靠近兩極的一些國家和地區(qū)，如中國大興安嶺地區(qū)的漠河北極村、歐洲芬蘭等，夜晚的天空會產(chǎn)生五顏六色絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象，它們被統(tǒng)稱做極光，發(fā)生在北極的稱北極光。極光產(chǎn)生的原理就可以用我們剛學到的電磁學知識來解釋：地球是一塊大磁體，地磁場在緯度高的南北兩極強、緯度低的赤道位置弱。大量來自太空的帶電粒子（宇宙射線）會進入地球磁場。有時，太陽黑子活動會導致宇宙中高能粒子的急劇增加，當這些高能粒子在地磁場引導下進入地球北極附近的大氣時，會和大氣發(fā)生碰撞，導致高層大氣分子被激發(fā)，然后發(fā)光，從而產(chǎn)生美麗的北極光。而從另一個角度來看，當宇宙中的高能粒子入射到地球表面時，會被地磁場捕獲，避免大量高能粒子直接入射進地球，從而避免帶有很高能量的高能粒子對地球上的生命體造成損害。這一現(xiàn)象不禁使我們感嘆自然界的神奇，這顆蔚藍的星球上能誕生生命體并能夠不斷進化是偉大的奇跡，更離不開地球母親的悉心保護，這是我們賴以生存的母星，進而培養(yǎng)學生熱愛地球、保護地球的思想。

（二）課程思政點融入

上面我們討論了帶電粒子受磁場作用時產(chǎn)生的運動，通過基礎理論的學習，進一步介紹了美妙的北極光的產(chǎn)生和地球表面大量帶電粒子在地磁場中的運動息息相關，我們知道了微小的帶電粒子會對宏觀世界產(chǎn)生很大的影響，即量變引起質變，任何微小的事物累積到一定程度，都會產(chǎn)生很大的影響。大學物理的學習同樣如此，很多學生剛學習大學物理時，常常會對抽象的理論和復雜的公式感到疑惑，沒有掌握方法，導致不理解基礎知識，長時間聽不懂導致缺乏學習興趣，更是會產(chǎn)生畏難情緒，這時教師需要引導學生明確學習是不斷積累的過程，只要端正態(tài)度、找準方法、持之以恒，一定能得到提高，進而提高自信心和學習興趣，學習知識的同時意志品質也得到了鍛煉。

接下來我們繼續(xù)學習。在正式內容之前，我們先聊聊關于能源的話題。

眾所周知，當今世界的不可再生資源主要有煤、石油和天然氣等化石能源。以現(xiàn)在經(jīng)濟發(fā)展的速度和現(xiàn)代化的生活對能源的需求和消耗，可以預期的是如果能源供給方式不改變的話人類一定會面臨能源的枯竭。這些能源的開采和使用也給我們地球的生態(tài)環(huán)境帶來了很多災難性的破壞，如極端天氣、全球變暖、工業(yè)排放、海洋污染等威脅人類生存的重大問題。而風能、水能、太陽能等新能源受到天氣或地理環(huán)境的限制，也很難完全滿足能源需求。

有沒有一種能源既取之不盡又綠色環(huán)保呢？答案是有的，那就是核聚變能。什么是核聚變？核聚變就是氫的同位素氘和氚聚變反應后生成氦和中子，同時釋放巨大的能量，該能量就可以用來發(fā)電。因為核聚變燃料氘大量存在于海水中，海水約占地球表面積的71%，其儲量十分巨大，而氚可以通過鋰元素吸收中子后得到。另外，核聚變的另一個突出優(yōu)點是不會產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的各種放射性廢料及污染，安全環(huán)保?？梢哉f一旦人類掌握了核聚變能源，將擁有用之不竭的清潔能源。

但是要發(fā)生核聚變反應要求非常高，等離子體的溫度越高，粒子的能量越高，粒子運動越劇烈，碰撞在一起的概率也就會越大，產(chǎn)生核聚變反應的可能性也會提高。主要需要滿足三個條件。第一，氘和氚的溫度要達到107到109 K；第二，要維持氘和氚較高的密度；第三，在高溫狀態(tài)下要保持一定的時間。其中，高溫是未來聚變反應的必要條件，長時間運行是未來商用反應堆能夠發(fā)電的一個基本要求。通過模擬太陽內部核聚變原理，實現(xiàn)源源不斷的清潔能源供應一直是人類的夢想，因此，被稱為“人造太陽”，但是，要實現(xiàn)核聚變發(fā)電仍有許多難點，其中最大難點是把上億度的高溫等離子體約束在一個容器里，把這個熱量去做能源，可控核聚變需要的溫度如此之高，該用什么樣的容器才能將氘和氚約束起來？

為了解決這個難題，我們先回顧所學的“帶電粒子在磁場中的運動”基礎知識，看是否可以從基礎理論中找到答案。通過前面的學習我們知道，如果帶電粒子在一個兩端強、中間弱的磁場中運動，如此粒子便被束縛在兩個磁鏡中間的區(qū)域，這個磁場可以形象的看成瓶子，我們把這樣的裝置稱之為瓷瓶。也就是帶電粒子被約束在磁場中不斷進行運動。

這時，相信大家已經(jīng)找到了上述預留問題的答案了。在極高溫度條件下，氘和氚都電離成了等離子體，就可以通過磁場來約束等離子體中帶電粒子的運動。根據(jù)磁約束原理，對于一個閉合的環(huán)，等離子體就能被約束在這種環(huán)形的磁場中同時不斷運動，為后續(xù)粒子的碰撞反應提供條件以實現(xiàn)核聚變反應，這就是磁約束核聚變，這種裝置被稱為托卡馬克（圖2），也被形象的稱為“磁籠”。

圖2 托卡馬克原理示意圖[5]

需要提到的是，目前我國在該領域的研究已經(jīng)處于世界領先水平。中國科學院合肥等離子體所在20 世紀90 年代開始自主研發(fā)超導托卡馬克裝置，歷經(jīng)八年的時間就率先在全世界建成了全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），并在2010 年就成功的進行了放電。2021年5月28日，東方超環(huán)EAST 實現(xiàn)可重復的1.2億攝氏度101 秒等離子體運行和1.6 億攝氏度20 秒等離子體運行，創(chuàng)造了新世界紀錄。[6]該記錄的實現(xiàn)將2020 年EAST 的1億度20 秒的世界紀錄整整提高了5 倍。而在2021 年12 月30 日，EAST 再創(chuàng)新的世界紀錄，將電子溫度近7000 萬攝氏度的長脈沖高參數(shù)等離子體維持了1056秒，它充分反映了我國科學家團隊的自主創(chuàng)新能力。

回想我國核工業(yè)發(fā)展的歷程：1954 年在廣西發(fā)現(xiàn)第一塊鈾 礦 石；1964 年10 月16 日，我國第一顆原子彈爆炸成功，全國歡呼；1967 年6 月17 日，我國自主設計研究的氫彈成功爆炸，在輝煌的背后是一群隱姓埋名數(shù)十年的科學家如錢三強、于敏等的不懈努力；1970 年，第一艘核潛艇成功完成海試；1991年，我國第一座核電站實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電；2015 年，我國自主三代核電華龍一號開工建設；到如今“人造小太陽”創(chuàng)造新的世界紀錄。從無到有、從弱到強、從跟跑到領跑，異常艱辛與曲折，但取得的成就同樣偉大。

一代代中國科學家和科研工作者們始終秉承著為祖國需要而奮進的初心，點燃了億萬國人心中中華崛起的夢想。就在我們所處的廣袤大地上，正蘊育著令世界矚目的偉大科技。通過講授帶電粒子在磁場中運動基本理論，同時引申介紹我國取得偉大成就的“人造太陽”，沒有強行融入課程思政，體現(xiàn)了課程思政“潤物細無聲”的特征。

日前，我國又一大科學裝置―穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置實現(xiàn)重大突破。2022 年8 月12 日，由中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研制的國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置再創(chuàng)世界紀錄，產(chǎn)生了45.22 特斯拉的穩(wěn)態(tài)強磁場，[7]打破了美國強磁場實驗室在1999年創(chuàng)造的保持了近23 年的45 特斯拉的穩(wěn)態(tài)磁場世界紀錄。穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置是國家重大科技基礎設施，通過之前學習的電磁學基本知識，我們知道，通電的螺線管會產(chǎn)生磁場，電流越大磁場越強。穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置里的磁體正是基于這樣的基本原理進行設計的。不過隨著電流增大，導體受到的電磁力急劇增加，磁體內的熱量超乎尋常地變大，所以要通過更加精密、穩(wěn)定、先進的材料和加工工藝，形成更加強大且穩(wěn)定受控的磁場。此次的新紀錄超出了0.22 特斯拉，看起來似乎很小，但進步的背后卻是眾多科研工作者付出的無數(shù)汗水和努力。這座“國之重器”已成為國際五大穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置之一。而這一舉世矚目的成果是由一群科研骨干平均年齡僅35周歲的年輕團隊取得，充分體現(xiàn)了我國科學家不懼困難、永攀科技高峰的精神。

三、總結

“立德樹人”是教育的根本任務。結合“大學物理”的諸多原理往往都蘊含著豐富的哲學原理，通過講解大學物理基礎知識，自然的引入國人引以為傲的“人造太陽”和“穩(wěn)態(tài)強磁場”等大國重器，激發(fā)學生的民族自豪感，培養(yǎng)勇于探索的精神和報效祖國的愛國情懷。而這些大科學裝置的基礎理論往往并不復雜，很多都是大學物理基礎知識，通過科學家們奇思妙想和創(chuàng)新逐步實現(xiàn)偉大的創(chuàng)造，培養(yǎng)學生腳踏實地、勤奮學習的思想，使大學生以后更好地為實現(xiàn)中華民族的偉大復興而貢獻自己的力量。