胡志偉

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

在高中物理中，電磁感應(yīng)內(nèi)容往往是教學(xué)的難點也是重點，學(xué)生對產(chǎn)生感應(yīng)電流、感應(yīng)電動勢的本質(zhì)理解不清，造成解題上的困難.而當(dāng)我們?nèi)徱暯虒W(xué)時，會發(fā)現(xiàn)教學(xué)的不恰當(dāng)處理以及命題的不科學(xué)性難辭其咎.

1 感應(yīng)電動勢教學(xué)存在的問題

當(dāng)穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時，在閉合回路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象，為電磁感應(yīng)現(xiàn)象.而引起閉合回路磁通量變化的原因不止一種，導(dǎo)體保持不動，而磁場變化引起磁通量變化，產(chǎn)生感生電動勢；磁場保持不變，而閉合回路的面積變化引起磁通量的變化，產(chǎn)生動生電動勢.兩種形式的感應(yīng)電動勢都是因為磁通量的變化產(chǎn)生，因此，可以借助法拉第電磁感應(yīng)定律求解電動勢.然而學(xué)生對電動勢的理解程度如何呢？事實表明大部分學(xué)生在沒有深入理解感應(yīng)電動勢產(chǎn)生機理的情況下，套用法拉第電磁感應(yīng)定律，而不明確電動勢在導(dǎo)體中的分布，以一道經(jīng)典的電磁感應(yīng)題為例.

【題1】如圖1所示，用均勻?qū)Ь€做成的矩形線框abcd，且bc=2ab，ab=0.2 m，線框的左半部分放在垂直紙面向里的正方形區(qū)域勻強磁場中．當(dāng)該磁場以10 T/s的變化率均勻增加時，求線框中e、f兩點電勢差的大小.

圖1 題1題圖

該問題受到物理教師們的廣泛討論，在各大雜志上發(fā)表的文章眾說紛紜，以在《物理教師》雜志發(fā)表的《一例有關(guān)感生電動勢計算的討論》[1]和《感生電動勢的理解與應(yīng)用 ——對<物理教師>一篇論文的質(zhì)疑 》[2]為例，文章內(nèi)容均聚焦于感生電動勢產(chǎn)生的原理進(jìn)行討論，然而仍然未觸及感生電場產(chǎn)生的根本原因，未明確感生電場在空間的具體分布.已有討論主要存在以下幾點誤區(qū)：

(1)認(rèn)為磁場在左側(cè)區(qū)域，因此感應(yīng)電動勢只存在左側(cè)區(qū)域.

(2)認(rèn)為感生電動勢均勻分布在整個導(dǎo)體框.

(3)認(rèn)為正方形磁場區(qū)域中的磁場變化產(chǎn)生的是嚴(yán)格的同心圓感生電場.

2 感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的本質(zhì)

依據(jù)麥克斯韋電磁理論，感生電動勢的產(chǎn)生本質(zhì)上是由于變化的磁場能激發(fā)出感生電場，導(dǎo)線中的自由電荷受到電場力作用做定向移動，從而產(chǎn)生了感應(yīng)電流及感應(yīng)電動勢.從大學(xué)電磁學(xué)的角度出發(fā)，感生電場與感應(yīng)電動勢的計算可以依據(jù)公式

在感生電動勢中，感生電場驅(qū)動自由電子的運動，充當(dāng)非靜電力的作用.感生電場的分布并不是嚴(yán)格的圓形，其分布受磁場邊界條件的影響.感生電場線是同心圓的情況是在很苛刻的對稱性條件得到滿足后才能得到的特例[4]，而且正方形磁場區(qū)域產(chǎn)生的感生電場也并不是同心圓，而是復(fù)雜的形狀分布[5].

在穩(wěn)定的磁場中，由于導(dǎo)體切割磁感線的運動，引起磁通量的變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢叫做動生電動勢.動生電動勢的本質(zhì)與感生電動勢則不同，其是由于導(dǎo)體中的自由電子隨著導(dǎo)體棒一起運動，從而受到磁場給帶電粒子的洛倫茲力，在洛倫茲力的作用下，自由電子在導(dǎo)體棒中定向移動從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因此充當(dāng)非靜電力作用的是洛倫茲力.動生電動勢的計算可以依據(jù)公式

ε=∮(v×B)dl

3 關(guān)于教學(xué)與命題的一些思考

學(xué)生對感應(yīng)電動勢的本質(zhì)理解不清，認(rèn)為“只有處在磁場中的導(dǎo)線才有感生電動勢”，將感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的原因僅僅歸結(jié)為磁通量的變化只是表層上的認(rèn)識.物理的教學(xué)應(yīng)注重落實學(xué)科核心素養(yǎng)，從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面著手，而注重和掌握物理規(guī)律的本質(zhì)是物理學(xué)習(xí)中的重要任務(wù)，能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，深刻理解物理規(guī)律的內(nèi)涵.

3.1 源于教材 高于教材

教材為教學(xué)提供了一定的參考，在電磁感應(yīng)章節(jié)，人教版的總體編排思路是“楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動、互感和自感”，在“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動”板塊中呈現(xiàn)了感生電場的內(nèi)容；粵教版的編排思路為“感應(yīng)電流的方向、法拉第電磁感應(yīng)定律、電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用、互感和自感、渦流現(xiàn)象及其應(yīng)用”；魯科版編排思路為“科學(xué)探究：感應(yīng)電流的方向、法拉第電磁感應(yīng)定律、自感現(xiàn)象和渦流”.

對比不同版本的教材，除了人教版在講解電磁感應(yīng)定律時會提及感生電場之外，其他版本并未呈現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容，人教版在本章的內(nèi)容注重循序漸進(jìn)，由易到難，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.雖然這部分內(nèi)容與法拉第電磁感應(yīng)定律屬于不同小節(jié)，然而二者確是因與果、本質(zhì)與表象的聯(lián)系，感生電場是產(chǎn)生感生電動勢的根本原因.課標(biāo)對于感生電場的學(xué)習(xí)要求并不高，然而脫離該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生易出現(xiàn)上文提到的對感生電動勢在導(dǎo)體中的分布認(rèn)識不清的問題.

教師在運用教材素材的過程中，要準(zhǔn)確分析利用教材插圖，如圖2和圖3所示，人教版和粵教版關(guān)于渦流現(xiàn)象的分析插圖中，渦旋電流的方向為圓形和正方形，若教師引導(dǎo)不恰當(dāng)，學(xué)生容易形成“渦旋電場都是圓形或者是長方形”的錯誤認(rèn)識.同時，教學(xué)過程中應(yīng)該明確感生電場的分布并非一定是同心圓，同心圓的情況是只有在很苛刻的對稱性條件得到滿足后才能得到的特例.雖然感生電場的定量分析超出高中生的接受范圍，但是從定性的角度分析，依然可以幫助學(xué)生較好地理解感生電動勢產(chǎn)生的原因，避免套用法拉第電磁感應(yīng)定律而忽視電動勢產(chǎn)生的根本原因，用法拉第電磁感應(yīng)定律得到的電動勢是閉合回路產(chǎn)生的總電動勢.

圖2 新人教版教材渦流現(xiàn)象分析

圖3 新粵教版教材渦流現(xiàn)象分析

3.2 探求本質(zhì) 優(yōu)化教法

如果教學(xué)能從感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生機理出發(fā)，而不是淺嘗輒止，學(xué)生對感應(yīng)電動勢的分布認(rèn)識也會更加準(zhǔn)確深入.在學(xué)習(xí)感應(yīng)電動勢時，以感生電場作為起點，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到自由電子受到感生電場中的非靜電力而做定向移動，從而產(chǎn)生感生電動勢.在學(xué)習(xí)“導(dǎo)體切割磁感線時的感應(yīng)電動勢”時，通過分析導(dǎo)體的運動，明確自由電荷受到洛倫茲力的作用而運動，導(dǎo)致導(dǎo)體棒一端的電勢高于另一端，從而產(chǎn)生動生電動勢.

在學(xué)生理解兩種不同的感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生機理之后，進(jìn)行一定的歸納與對比，不管是感生電動勢還是動生電動勢，都可以通過法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行求解.即使兩種感應(yīng)電動勢產(chǎn)生機理并不相同，但是兩種電動勢相互聯(lián)系，選擇不同的參考系，感生電動勢可以認(rèn)為是動生電動勢，動生電動勢也可以認(rèn)為是感生電動勢.這樣的教學(xué)既讓學(xué)生理解了感應(yīng)電動勢的本質(zhì)，也讓學(xué)生領(lǐng)悟了二者的聯(lián)系，教學(xué)并不僅僅要教授知識，更要促進(jìn)學(xué)生思維的成長，教學(xué)中滲透統(tǒng)一性的觀念，實現(xiàn)核心素養(yǎng)理念下的“知識教學(xué)”向“觀念教學(xué)”的轉(zhuǎn)變.

近年來，物理單元教學(xué)被視為是落實學(xué)科核心素養(yǎng)的重要舉措，電磁感應(yīng)教學(xué)不僅注重感生電場本質(zhì)的探討，更需注重整體思維，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識感生電動勢和動生電動勢之間的聯(lián)系.

3.3 科學(xué)命題 創(chuàng)新有據(jù)

教學(xué)上做出一定突破的同時，命題上也需要做出一定的改進(jìn).試題的命制要符合科學(xué)性、綜合性、創(chuàng)新性、人文性原則，要促進(jìn)學(xué)生發(fā)展、聯(lián)系實際導(dǎo)向性[6].一道好的試題能為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供有效的診斷，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展，而不是一味地強調(diào)拔高，試題的命制提倡創(chuàng)新性，提倡能激發(fā)學(xué)生的思考，而不是一味地偏愛偏題、怪題，或者出現(xiàn)讓學(xué)生和教師都無所適從的題目，例如上文呈現(xiàn)的出現(xiàn)在高三復(fù)習(xí)資料中的試題，竟然讓眾多一線教師們束手無策或者進(jìn)行錯誤解答.

在素質(zhì)教育導(dǎo)向的今天，教學(xué)應(yīng)該促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，注重試題的規(guī)范性，在最近發(fā)展區(qū)理念下命制試題，才是激發(fā)學(xué)生思維的最好方法.而上文呈現(xiàn)的經(jīng)典例題中，讓學(xué)生求解兩端的電勢差大小，便不適宜呈現(xiàn)在高中習(xí)題中.要計算fe兩端的電勢差值，便會涉及感生電場的計算，以及感生電動勢在導(dǎo)體中的分布問題，學(xué)生利用已有的知識難以解決，而只能依靠法拉第電磁感應(yīng)電流計算整個回路產(chǎn)生的總的電動勢.

除此之外，在電磁感應(yīng)相關(guān)知識的命題中，也容易出現(xiàn)科學(xué)性錯誤，在高三復(fù)習(xí)資料中出現(xiàn)的一道題如下.

【題2】在如圖4(a)所示的虛線框內(nèi)有勻強磁場,設(shè)圖4(a)所示磁場方向為正，磁感應(yīng)強度隨時間的變化規(guī)律如圖4(b)所示.邊長為l電阻為R的正方形均勻線框abcd有一半處在磁場中，磁場方向垂直于線框平面，此時線框ab邊的發(fā)熱功率為P，則( )

(a)

試題解析提供的參考答案為選項D，不同形狀的磁場區(qū)域產(chǎn)生的感生電場的分布各異，然而試題中并未明確虛線方框的邊長面積，無法確定感生電場的具體分布，也未明確導(dǎo)線框的具體位置，故無法計算線框的具體某一邊的電勢差的大小，而只能根據(jù)磁場的變化率計算出線框的總感應(yīng)電動勢.這道試題的選項命制不僅超出了高中學(xué)生的知識體系，也出現(xiàn)了科學(xué)性錯誤，這間接反映出命題者對感生電動勢產(chǎn)生機理的錯誤認(rèn)知.試題的呈現(xiàn)在一定程度上，反而誤導(dǎo)了學(xué)生.因此,提高命題的科學(xué)性，需要命題教師們仔細(xì)斟酌，避免出現(xiàn)試題命制容易出現(xiàn)的五大問題，即以偏概全、先入為主、百密一疏、無中生有、顧此失彼[7]，也需要授課教師們正確利用試題，引導(dǎo)學(xué)生的正確認(rèn)知.

4 總結(jié)

電磁感應(yīng)內(nèi)容的教學(xué)對教師本身專業(yè)素質(zhì)提出較高要求，教師要從大學(xué)物理的高度審視高中物理教學(xué)，引領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)悟電磁感應(yīng)的核心，教學(xué)過程注重本質(zhì)的探求.在單元教學(xué)設(shè)計的大背景下，電磁感應(yīng)教學(xué)值得進(jìn)一步研究分析，教師要靈活運用教材素材，在大概念統(tǒng)攝下進(jìn)行教學(xué)實踐.要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，教學(xué)上要注重教法的靈活運用，命題上也要注重質(zhì)量，避免命題的科學(xué)性錯誤，不盲目追求難題、怪題，才能使試題功能最大化.