加強理論修養(yǎng)提升教學能力

谷春生

隨著新課改的全面推開，一線教師們積極加強了科學探究問題的設計，學生探究實踐的達成，確實提升了師生的實踐能力.但筆者在聽課、交流、外出學習中，發(fā)現(xiàn)不少年輕教師對高中物理書本理論知識的認識有所偏差，故而有必要談一談《加強理論修養(yǎng)，提升教學能力》的問題，使青年教師成為外修實踐，內(nèi)修理論，實踐與理論雙豐收的一代新人.

前蘇聯(lián)著名教育家馬卡連柯認為學生可以原諒教師嚴厲、刻板甚至吹毛求疵，但不能原諒他們不學無術.在新課程改革中，雖然教師的角色發(fā)生了較大的改變，但其主要工作還是教書育人，為此，作為“科學（物理學）界在課堂上的代表”，物理教師必須具備精湛的專業(yè)素養(yǎng).

一般認為，教師的專業(yè)素養(yǎng)主要包括專業(yè)知識、專業(yè)技能和專業(yè)情意.

下面著重談一談物理教師必須具有深厚的專業(yè)知識和廣博的知識背景.物理教師應該具備的專業(yè)知識既包括物理學學科知識，也包括進行物理課堂教學所必需的教育科學知識.其中，在物理學科知識方面，物理教師應比較清楚地理解物理學的完整體系，能正確熟練地掌握物理學中的基本概念和原理，了解和掌握與物理學科相關的背景、知識、材料及物理學的發(fā)展趨勢.在教育科學知識方面，物理教師應了解并能靈活運用普通教育學、普通心理學和教育心理學等方面的知識，同時還應具有物理學科教育學、物理學科心理學、物理課程與教學論、教育測量與評價以及物理教育科研方法等領域的知識.新課程改革給中學物理教師帶來的是全方位的挑戰(zhàn)，這就要求物理教師“具有多元化的知識結構，不僅在知識的縱向有深度，在橫向也應有寬度”.實踐表明，在新課程改革中，物理教師只有具備深厚的專業(yè)知識和廣博的知識背景，深入領悟物理新課程理念，才可能在教學過程中得心應手，使學生充分認識科學知識的價值，從而使他們積極主動地學習、探索科學知識；才能引導學生縝密地運用物理語言、規(guī)律、思維分析解決生產(chǎn)、生活實際中遇到的物理（科學）問題；才能帶領學生創(chuàng)造性地開展探究性學習，更有效地培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和開拓能力的高素質人才.

下面舉出一些在高中物理教學中青年教師的誤區(qū)，通過深入剖析，以提升大家對物理學專業(yè)知識的認識.

問題磁通量發(fā)生變化，僅僅是閉合電路產(chǎn)生感應電流的充分不必要條件嗎？

在講授電磁學知識《電磁感應》時，人教版教材這樣描述：“只要穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導體回路中就有感應電流”；而教科版教材描述“穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，這個閉合電路中就有感應電流產(chǎn)生”. 磁通量發(fā)生變化是閉合導體回路產(chǎn)生感應電流的什么條件？有些青年教師認為僅僅是閉合電路產(chǎn)生感應電流的充分條件，而不是必要條件，難道還有其他方式可以產(chǎn)生感應電流嗎？聽課與交流中，不少年輕教師認為：有.他們舉出的案例如下：

案例一如圖1所示，有一個足夠大的絕緣水平板面，空間存在豎直向下的有界勻強磁場，閉合金屬銅框ACMN豎直放置，其上部的一半處于磁場的外部， 上邊框焊上一個微型靈敏電流計G，現(xiàn)水平迅速向右平移銅框，微型靈敏電流計G指針偏轉，青年老師認為這是邊框AC切割磁感線產(chǎn)生的感應電流，豎直銅框的磁通量沒發(fā)生變化.所以“磁通量發(fā)生變化，僅僅是閉合電路產(chǎn)生感應電流的充分條件，而不是必要條件”，切割磁感線是產(chǎn)生的感應電流的另一個條件，到底是不是這樣的呢？

困惑釋疑請看圖2，由于銅邊框MN在有界磁場區(qū)外部，對切割磁感線無貢獻，圖1過程可以等效為圖2情景，邊框MN不動，迅速拖動下邊框AC至A′C′，則從表面上看是邊框MN切割了磁感線，但本質是穿過閉合電路的磁通量發(fā)生了變化，增加了AC C′A′的磁感線的穿過面積，從而增加了磁通量.

該情景可以按照教科書中的方式進一步簡化如圖3所示：銅邊框AC在有界勻強磁場中，邊框MN在磁場區(qū)外部，水平向右整體迅速拖動銅框.

所以回路有“部分導線切割磁感線運動”時，可以從“回路磁通量是否變化”判斷，也可從“部分切割的導線所產(chǎn)生的電動勢”來判斷，但根據(jù)法拉第電磁感應定律本質是穿過閉合電路的磁通量發(fā)生了變化，所以法拉第電磁感應定律廣義的存在.

案例二（源于真實探究實驗）

如圖4所示，有一個足夠大的光滑銅板水平放置，空間存在豎直向下的勻強磁場，閉合金屬銅框ACMN豎直放置，現(xiàn)把下邊框AC剪去，僅留下上面三根邊框，AC兩端點與銅板良好接觸， 上邊框焊上一個微型靈敏電流計G，現(xiàn)在銅板上水平迅速向右拖動銅框，保持銅框豎直并與銅板良好接觸并良好接通，則微型靈敏電流計G指針偏轉，青年老師認為這是邊框MN切割磁感線產(chǎn)生的感應電流，豎直銅框的磁通量沒發(fā)生變化，為什么會產(chǎn)生感應電流呢？難道切割磁感線是產(chǎn)生感應電流的另一個條件嗎？

困惑釋疑如圖5所示物理情景較為復雜，看著銅框ACMN沒有閉合，但實質是通過下部的水平光滑銅板組成了閉合電路，邊框MN切割磁感線，哪個平面的磁通量發(fā)生變化了呢？原來初態(tài)下虛線AC參與上部銅框組成了閉合回路，如圖5所示，運動過程中AC兩端點在銅板上滑動，直至圖中A′C′處，這里等效形成了ACC′A′至C′M′N′A′的折疊直角曲面，單看豎立平面ACMN和A′C′M′N′，穿過它們的磁通量都為零，仿佛初、末位置的磁通量沒發(fā)生變化，但穿過等效折疊直角曲面ACC′A′至C′M′N′A′的磁通量增加了，變化的面積是ACC′A′，故在折疊直角曲面ACC′A′至C′M′N′A′中產(chǎn)生了逆時針方向的感應電流（俯視圖），所以從本質上來講還是穿過閉合電路的磁通量發(fā)生了變化.

案例三在如圖6所示的裝置中，設N、S極中間的磁場是均勻的，矩形線圈H的平面與磁鐵AA′面平行并向下移動.有的青年教師說：“線圈的BC邊切割了磁感線，閉合的矩形線圈中應該有感應電流.”另外的則說：“通過線圈H的磁通量在線圈運動過程中沒有發(fā)生變化，所以矩形線圈中沒有感應電流.”到底哪種說法對呢？

回答是第一種說法對.因為線圈的BC邊作切割磁感線運動，產(chǎn)生了感應電動勢，所以閉合電路中就有感應電流.若根據(jù)穿過閉合電路的磁通量是否有變化，來判斷回路中是否有感應電流，上述結論也是對的.因為任何磁感線總是閉合的，在磁鐵外部，磁感線從N極到S極；在磁鐵的內(nèi)部，磁感線是從S極到N極.當線圈向下移動時，穿過線圈的磁感線條數(shù)也增加了，如圖7所示.這說明穿過線圈的磁通量發(fā)生了變化，因而線圈中產(chǎn)生了感應電流.說線圈下移時，通過線圈的磁通量不變，是不符合實際情況的，所以得出的結論是錯誤的，所以本質還是穿過閉合電路的磁通量發(fā)生了變化.

案例四如圖4所示，一個很長的豎直放置的圓柱形磁鐵，產(chǎn)生一個中心輻射的磁場（磁場水平向外），其大小為B=k/r（其中r為距離柱軸的半徑）.設一個與磁鐵同軸的圓形鋁環(huán)，半徑為r0（大于圓柱形磁鐵的半徑），電阻為R，在磁場中由靜止開始下落，下落過程中圓環(huán)平面始終水平.試求：圓環(huán)下落的速度v時的感應電流.

根據(jù)題意：圓環(huán)所在處在磁感應強度B=k/r0，且圓環(huán)的切割速度始終與所在處的磁場垂直，所以圓環(huán)的有效切割長度為其周長，即c=2πr0，切割磁感線產(chǎn)生的電動勢E=BLv=2kπv，得出感應電流I=E/R=2kπv/R .

困惑得出的結論，顯然沒什么問題，但如果換個角度考慮，將會產(chǎn)生這樣的疑問：圓環(huán)下落到任何一個位置時，圖中所示的磁感線均與圓環(huán)平面平行，那么下落過程中穿過它的磁通量保持不變，怎么會產(chǎn)生感應電流呢？難道已經(jīng)深入人心的產(chǎn)生感應電流的條件有誤？穿過圓環(huán)的磁通量真的沒有變化嗎？

判斷圓環(huán)下落過程中有無磁通量變化，首先我們要研究這個輻向磁場是如何產(chǎn)生的，圖中的磁感線是輻射狀的，而磁感線應該是閉合曲線，那么磁場的整體分布如何呢？

北京高考理綜試卷24題為我們找到了答案.題目是這樣的：用密度為d、電阻率為ρ、橫截面積為A的薄金屬條制成邊長為L的閉合正方形框abb′a′.如圖10所示，金屬方框水平放在磁極的狹縫間，方框平面與磁場方向平行.設勻強磁場僅存在于相對磁極之間，其他地方的磁場忽略不計.可認為方框的aa′和bb′邊都處在磁極間，極間磁感應強度大小為B.方框從靜止開始釋放，其平面在下落過程中保持水平（不計空氣阻力）.

題目的第1問是假設磁場區(qū)域在豎直方向足夠長，求方框下落的最大速度vm.

方框下落過程中，受到重力G及安培力F的作用.二力平衡時，方框達到最大速度vm.

這道試題給我們展示了輻射磁場產(chǎn)生的方式，只要我們把中間的磁極由方形變成圓柱形，兩側的磁極做成圓筒形圍繞在圓柱體周圍，在圓柱體和圓筒間留下縫隙，在磁極的縫隙間就可產(chǎn)生圖8中所示的由中心向四周輻射的磁場.我們可以大致畫出整體的磁場分布情況：

由圖11可知，狹縫間的磁感線并不是由中心為起點輻射出去的，而是在磁極內(nèi)外構成閉合磁感線，由于磁極間的距離很近，磁感線可近似看作是水平的；從俯視圖中看起來，這些磁感線好像都是由中心向外輻射的.當套在中心磁極上的線圈向下運動時，磁極外部的磁感線與線圈平行，沒有引起磁通量的變化.但中心磁極內(nèi)部的磁感線卻越來越密，使穿過線圈的磁通量越來越大，引起了感應電流.所以圖8中的感應電流也是由于穿過圓環(huán)的磁通量發(fā)生變化引起的，開始認為線圈在下落過程中沒有磁通量變化，只是考慮了磁場的局部，而沒有考慮磁場的整體分布情況，所以從本質上來講還是穿過閉合電路的磁通量發(fā)生了變化.

案例五高中物理教學要求中，在學習磁電式電流表的工作原理時，要遇到這種特殊的輻向磁場，如圖12所示，在兩磁極間有一個圓柱形軟鐵，由于軟鐵被磁化，在磁極和軟鐵之間就形成了沿半徑方向的輻向磁場.

其內(nèi)部為均勻的輻向磁場，不管通電線圈轉到什么角度，它的平面都跟磁感線平行.線圈所在處的磁感應強度的大小都相同.

困惑若將正負接線柱用導體連接之后，用手晃動電流表.此時，線圈的兩對邊做切割磁感線的運動，產(chǎn)生感應電動勢，進而產(chǎn)生感應電流.此過程中線圈的磁通量始終不變嗎？是否可以說，在這種情況下，閉合電路的磁通量未發(fā)生改變，但產(chǎn)生了感應電動勢？

困惑釋疑這種理解是錯誤的.

如圖12所示，當逆時針晃動電流表線框時，線圈兩邊都切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢（不抵消），根據(jù)右手定則，可判定從而產(chǎn)生如圖所示的感應電流.但在疑問中，閉合電路（線圈回路）的磁通量始終不變嗎？答案是否定的.在這種情況下，閉合電路的磁通量時刻發(fā)生變化，所以產(chǎn)生了感應電動勢，分析詳見圖13.

為了問題的簡化好理解，我們把線圈的鐵芯盡可能的縮小，若考慮線圈的鐵芯，它具有較好的導磁性，磁感線的規(guī)范畫法如圖12所示，這里圖13畫出了大致的情景.電流表中的磁極如圖13中的紅、藍色半圓所示，帶箭頭的線表示磁感線，顯然，線圈（實心紫色矩形）在圖中水平位置處穿過的磁通量為零，當線圈平面向左轉或向右轉時，在傾斜位置處穿過的磁通量不為零.

若線圈在豎直位置，穿過的磁通量是最大的.當線圈轉動時，閉合線圈的磁通量發(fā)生變化故而產(chǎn)生了感應電流，所以說本質還是穿過閉合電路的磁通量發(fā)生了變化.

案例六如圖14所示，一個有明顯圓形邊界的勻強磁場，圓形邊界的半徑為R，磁感應強度的大小為B，方向垂直于紙面向里，磁場隨時間均勻增加，B=kt （k>0），磁場中有一個閉合三角形金屬框架abc，試分析金屬框中有沒有感應電流？剪去邊框ac、bc，只剩下水平棒ab，問ab兩端有沒有感應電動勢？

根據(jù)法拉第電磁感應定律：ENΔΦΔt=BΔSΔt，故閉合三角形金屬框架abc中有感應電流，這種產(chǎn)生的是感生電動勢，進而產(chǎn)生了感生電流，沒有導棒切割磁感線的運動仍然能產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象，所以磁通量的變化才是本質.那么，有人又有疑問：剪去邊框ac、bc，只剩下水平棒ab， ab兩端有感應電動勢，又該怎樣解釋呢？

英國大物理學家麥克斯韋深入研究了電磁感應現(xiàn)象，根據(jù)法拉第電磁感應定律和電動勢的定義推導出：

ε=∮L旋·d=-dΦdt=-ddtL·d

積分式中S是以閉合回路L為邊界的曲面，當回路固定不變時，

ε=∮L旋·d=-St·d.

因為B即是時間的函數(shù)，又是空間變量的函數(shù)，所以這里要用偏導數(shù).

麥克斯韋根據(jù)研究總結得出：無論有無導體或導體回路，變化的磁場都將在其周圍空間產(chǎn)生一種電場，這種電場的電場線是閉合的，稱為有旋電場或渦旋場.這里麥克斯韋假想了一個有界曲面，根據(jù)法拉第電磁感應定律，找到了穿過該曲面的磁通量隨時間的變化率，最終推導出了麥克斯韋方程組中的一個重要方程，這里雖然沒有了線圈實體，但某一有界曲面依然存在.這說明對應孤立的金屬棒，也要構造一個面，研究穿過這個面的磁通量隨時間的變化率，進而用偏導數(shù)，微積分求出感應電動勢，這也說明要想產(chǎn)生感應電動勢，本質還是穿過閉合面的磁通量發(fā)生了變化，磁通量隨時間的變化率在電磁感應現(xiàn)象中廣義的存在.上述問題也是構造出有界三角形abc平面進行處理的.

綜上所述，我認為磁通量發(fā)生變化，是閉合電路產(chǎn)生感應電流的充分而必要條件，即是閉合電路產(chǎn)生感應電流的充要條件；磁通量發(fā)生變化，也是電路產(chǎn)生感應電動勢的充要條件.所以青年教師最好應該多多專研專業(yè)知識，加強理論修養(yǎng)，拓寬自己對知識認識的深度和廣度，厚積而薄發(fā)，這樣才能在教學中游刃有余，漸入佳境，較快地提升教學能力.