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摘要：在大学物理的基础知识中有部分内容与受控约束核聚变研究有密切的联系。本文指出了几处课程教学中可以引入相关内容的切入点，并对具体的切入方式进行了探讨。
关键词：受控约束核聚变：电流：磁场：磁约束：
从我国巨大的能源需求、资源的限制、环境的压力来看，发展聚变能是解决能源问题的最主要途径。在地球上实现受控核聚变，释放巨大的能量，是半个世纪来科学家努力追求的目标。经过几代科学家持续不断的努力，受控核聚变研究已经取得令人瞩目的进展。
大学物理课程作为高等院校理工科各专业的一门基础课，其目的不仅是使学生学习基本概念、基本理论和方法，为各专业课提供必要的物理基础知识，更重要的是培养理论联系实际的能力，激发探索和创新精神。在大学物理课程中，有部分基础知识与受控约束核聚变研究有一定的相关性。在教学过程中，借助这一具有重大应用前景的科研领域，为学生介绍物理基础知识在前沿領域中的重要应用，不失为激发学生学习兴趣和动力、挖掘其学习潜能的好方法。
下面笔者就从几个可行的切入点分别进行讨论。
1，绪论&受控约束聚变的前沿进展
核聚变反应是相对论发展带来的重要成果，其重要意义在于能够提供大量清洁的能源。在以“培养能源行业精英”为目标的矿业大学中，能源对于学生来说是一项极其敏感的内容。大部分学生在高中时已经接触过核聚变原理。笔者认为在绪论中介绍近代物理学进展和前沿领域时，可对聚变能源与其它形式能源的效率、清洁性、可持续性等方面进行比较。此外，还可对目前受控约束聚变的两种途径（磁约束聚变和惯性约束聚变）以及最新进展进行简单介绍。通过这些简略的介绍，使学生对于物理与技术、能源和经济之间的紧密联系有更直观深刻的体会，提高对这门基础课程的重视程度。
2，相对论动力学&核聚变原理
在《大学物理》§4-4狭义相对论动力学基础的学习中，在阐述完“质量和能量的关系”后给出例题4-3，指出当2个质子和2个中子结合生成1个氦核时，由于在反应前后存在质量亏损从而放出大量的能量。每结合产生lmol42He放出的能量相当于燃烧100吨煤所产生的热量。在介绍完这一例题后，可给学生拓展介绍目前受控约束核聚变中的典型反应：2D+3T→4He+n，由于反应前后的质量亏损，每结合产生1个氦核，将生成17.6MeV的能量。这一聚变反应被认为是最具备可行性的反应，在国际热核聚变实验堆（ITER）装置上将首先进行实验验证。
3，电流激发磁场&磁约束聚变的磁场位形
3.1.磁镜
在《普通物理学》第8章中介绍完毕奥一萨伐尔定律后，学生已经掌握了根据给定的电流分布求出磁场分布的方法，并且对某些特殊电流分布（如例题8-2中的圆环电流）激发的磁场性质有了定性和定量的理解。为了加深学生对圆环电流激发磁场分布的认识，例题8-4介绍了亥姆霍兹线圈（如图1（a））。其激发的磁场沿轴线上的分布如图1（b）所示。可以看出在L=R的情况下，磁场沿轴线上的分布近似均匀，中间略强、两边稍弱。
在讲解完例题8 4后，可引导学生进一步思考如下问题：若两个圆线圈之间的距离为任意值L，则轴线上磁场将如何分布？根据场强叠加原理可知，轴线上任意一点的总磁场强度为：
3.2.托卡马克磁场
托卡马克磁场位形目前被认为是最有潜力的磁约束装置，它由纵向磁场和极向磁场两部分构成。由于在§8-3“毕奥一萨伐尔定律”和§8-4“稳恒磁场的高斯定理与安培环路定理”中，已经对某些电流分布激发的磁场进行了求解，此时在课后总结或思考环节中可向学生提出如下问题：若在磁约束核聚变研究中需要在一个圆形（或矩形）截面的圆环中产生环向磁场，且强度随1/r而变化，如图2所示，则通过选择怎样的电流分布可获得这样的磁场结构？此时，学生会总结前面所学内容中有两种电流分布可以满足上述要求。一种是例题8-1中的沿轴向（z轴）的线电流（如图2中的I1）；另一种则是例题8-8中由一系列圆形（或矩形）截面的线圈套在圆环上组成螺绕环电流（如图2中的I2）。通过引导学生对两种磁场的空间分布进行比较，可知后一种电流分布产生的磁场都集中在圆环的内部，能量利用率更高。而在实际的托卡马克装置中，其纵向磁场正是是由一系列的圆形（或矩形）线圈并联激发产生的。
通过引导学生对3.1和3.2中两个问题的主动思考，可使他们对静磁学中得到的相关结论有更清晰的认识，印象更为深刻。
4，带电粒子在磁场中的运动&磁约束
对于受控约束核聚变来说，要实现聚变点火，则必须要实现充分的约束，以便充分地发生聚变反应放出足够多的能量。磁约束聚变正是依靠强磁场将低密度、高温度的等离子体约束足够长的时间以达到聚变反应所需要的条件。
在第3部分中，已经引导学生得出了两个电流同向的圆环线圈在特定分布下能够在空间中激发出两端较强、中间较弱的磁镜磁场的结论。通过以下内容的分析，可以进一步使学生理解这种磁场位形为何被称为“磁镜”？在受控约束核聚变中磁镜装置有何作用？
在《大学物理》第5版§11-6以及第6版§8-5中均对带电粒子在磁镜磁场中的运动进行了介绍（见图3），作为带电粒子在非均匀磁场中运动的典型例子。
当带电粒子在磁场中运动时，受到洛伦兹力作用。当粒子向磁镜装置中磁场较强的两端运动时，将受到一个指向弱磁场方向的分力。这一分力将减小粒子向两端运动的速度。速度满足一定条件的粒子将掉向反向运动。这样一来，磁镜对这类带电粒子所起的作用就相当于镜子对射到上面的光子所起的反射作用一样。至此，学生即可解开前面提出的疑问：为什么这种磁场位形被称为“磁镜”装置。这部分带电粒子在两个“镜面”之间被来回反射、局限在一定范围内往返运动。通过上述分析，可使学生意识到3.1中提到的两个同向圆环电流激发的磁镜磁场位形，可用于对等离子体实现约束。而事实上，磁镜装置正是众多磁约束方式中的一种。通过第4部分和第3部分的联系和结合，可以使学生对磁镜磁场的产生以及约束原理产生更清晰的认识，帮助他们更好的掌握电流激发磁场的特性和带电粒子在磁场中的运动特性。
《大学物理》第6版相对于第5版来说，新增了托卡马克装置对带电粒子的约束。在目前大学物理课程的课时有所削减的情况下，笔者认为在课堂上不适合对这部分内容展开详细介绍。
综上所述的4个方面，是笔者目前考虑到的大学物理课程中与受控约束聚变相关的几个切入点。通过在教学过程中对这几部分内容进行补充和拓展，可诱发学生进行深入思考，挖掘其学习潜力。受控约束核聚变研究不仅是一项重要的科学前沿课题，也具有重大的现实意义，在国际上已受到广泛关注。我们国家也极其重视受控约束聚变的发展，并且积极参与和投入到受控约束聚变的研究中。在这样的大背景下，在当代大学生中普及受控约束核聚变的相关基础知识也是值得推荐的。
关键词：受控约束核聚变：电流：磁场：磁约束：
从我国巨大的能源需求、资源的限制、环境的压力来看，发展聚变能是解决能源问题的最主要途径。在地球上实现受控核聚变，释放巨大的能量，是半个世纪来科学家努力追求的目标。经过几代科学家持续不断的努力，受控核聚变研究已经取得令人瞩目的进展。
大学物理课程作为高等院校理工科各专业的一门基础课，其目的不仅是使学生学习基本概念、基本理论和方法，为各专业课提供必要的物理基础知识，更重要的是培养理论联系实际的能力，激发探索和创新精神。在大学物理课程中，有部分基础知识与受控约束核聚变研究有一定的相关性。在教学过程中，借助这一具有重大应用前景的科研领域，为学生介绍物理基础知识在前沿領域中的重要应用，不失为激发学生学习兴趣和动力、挖掘其学习潜能的好方法。
下面笔者就从几个可行的切入点分别进行讨论。
1，绪论&受控约束聚变的前沿进展
核聚变反应是相对论发展带来的重要成果，其重要意义在于能够提供大量清洁的能源。在以“培养能源行业精英”为目标的矿业大学中，能源对于学生来说是一项极其敏感的内容。大部分学生在高中时已经接触过核聚变原理。笔者认为在绪论中介绍近代物理学进展和前沿领域时，可对聚变能源与其它形式能源的效率、清洁性、可持续性等方面进行比较。此外，还可对目前受控约束聚变的两种途径（磁约束聚变和惯性约束聚变）以及最新进展进行简单介绍。通过这些简略的介绍，使学生对于物理与技术、能源和经济之间的紧密联系有更直观深刻的体会，提高对这门基础课程的重视程度。
2，相对论动力学&核聚变原理
在《大学物理》§4-4狭义相对论动力学基础的学习中，在阐述完“质量和能量的关系”后给出例题4-3，指出当2个质子和2个中子结合生成1个氦核时，由于在反应前后存在质量亏损从而放出大量的能量。每结合产生lmol42He放出的能量相当于燃烧100吨煤所产生的热量。在介绍完这一例题后，可给学生拓展介绍目前受控约束核聚变中的典型反应：2D+3T→4He+n，由于反应前后的质量亏损，每结合产生1个氦核，将生成17.6MeV的能量。这一聚变反应被认为是最具备可行性的反应，在国际热核聚变实验堆（ITER）装置上将首先进行实验验证。
3，电流激发磁场&磁约束聚变的磁场位形
3.1.磁镜
在《普通物理学》第8章中介绍完毕奥一萨伐尔定律后，学生已经掌握了根据给定的电流分布求出磁场分布的方法，并且对某些特殊电流分布（如例题8-2中的圆环电流）激发的磁场性质有了定性和定量的理解。为了加深学生对圆环电流激发磁场分布的认识，例题8-4介绍了亥姆霍兹线圈（如图1（a））。其激发的磁场沿轴线上的分布如图1（b）所示。可以看出在L=R的情况下，磁场沿轴线上的分布近似均匀，中间略强、两边稍弱。
在讲解完例题8 4后，可引导学生进一步思考如下问题：若两个圆线圈之间的距离为任意值L，则轴线上磁场将如何分布？根据场强叠加原理可知，轴线上任意一点的总磁场强度为：
3.2.托卡马克磁场
托卡马克磁场位形目前被认为是最有潜力的磁约束装置，它由纵向磁场和极向磁场两部分构成。由于在§8-3“毕奥一萨伐尔定律”和§8-4“稳恒磁场的高斯定理与安培环路定理”中，已经对某些电流分布激发的磁场进行了求解，此时在课后总结或思考环节中可向学生提出如下问题：若在磁约束核聚变研究中需要在一个圆形（或矩形）截面的圆环中产生环向磁场，且强度随1/r而变化，如图2所示，则通过选择怎样的电流分布可获得这样的磁场结构？此时，学生会总结前面所学内容中有两种电流分布可以满足上述要求。一种是例题8-1中的沿轴向（z轴）的线电流（如图2中的I1）；另一种则是例题8-8中由一系列圆形（或矩形）截面的线圈套在圆环上组成螺绕环电流（如图2中的I2）。通过引导学生对两种磁场的空间分布进行比较，可知后一种电流分布产生的磁场都集中在圆环的内部，能量利用率更高。而在实际的托卡马克装置中，其纵向磁场正是是由一系列的圆形（或矩形）线圈并联激发产生的。
通过引导学生对3.1和3.2中两个问题的主动思考，可使他们对静磁学中得到的相关结论有更清晰的认识，印象更为深刻。
4，带电粒子在磁场中的运动&磁约束
对于受控约束核聚变来说，要实现聚变点火，则必须要实现充分的约束，以便充分地发生聚变反应放出足够多的能量。磁约束聚变正是依靠强磁场将低密度、高温度的等离子体约束足够长的时间以达到聚变反应所需要的条件。
在第3部分中，已经引导学生得出了两个电流同向的圆环线圈在特定分布下能够在空间中激发出两端较强、中间较弱的磁镜磁场的结论。通过以下内容的分析，可以进一步使学生理解这种磁场位形为何被称为“磁镜”？在受控约束核聚变中磁镜装置有何作用？
在《大学物理》第5版§11-6以及第6版§8-5中均对带电粒子在磁镜磁场中的运动进行了介绍（见图3），作为带电粒子在非均匀磁场中运动的典型例子。
当带电粒子在磁场中运动时，受到洛伦兹力作用。当粒子向磁镜装置中磁场较强的两端运动时，将受到一个指向弱磁场方向的分力。这一分力将减小粒子向两端运动的速度。速度满足一定条件的粒子将掉向反向运动。这样一来，磁镜对这类带电粒子所起的作用就相当于镜子对射到上面的光子所起的反射作用一样。至此，学生即可解开前面提出的疑问：为什么这种磁场位形被称为“磁镜”装置。这部分带电粒子在两个“镜面”之间被来回反射、局限在一定范围内往返运动。通过上述分析，可使学生意识到3.1中提到的两个同向圆环电流激发的磁镜磁场位形，可用于对等离子体实现约束。而事实上，磁镜装置正是众多磁约束方式中的一种。通过第4部分和第3部分的联系和结合，可以使学生对磁镜磁场的产生以及约束原理产生更清晰的认识，帮助他们更好的掌握电流激发磁场的特性和带电粒子在磁场中的运动特性。
《大学物理》第6版相对于第5版来说，新增了托卡马克装置对带电粒子的约束。在目前大学物理课程的课时有所削减的情况下，笔者认为在课堂上不适合对这部分内容展开详细介绍。
综上所述的4个方面，是笔者目前考虑到的大学物理课程中与受控约束聚变相关的几个切入点。通过在教学过程中对这几部分内容进行补充和拓展，可诱发学生进行深入思考，挖掘其学习潜力。受控约束核聚变研究不仅是一项重要的科学前沿课题，也具有重大的现实意义，在国际上已受到广泛关注。我们国家也极其重视受控约束聚变的发展，并且积极参与和投入到受控约束聚变的研究中。在这样的大背景下，在当代大学生中普及受控约束核聚变的相关基础知识也是值得推荐的。