余奇鳳

(諸暨市第二高級(jí)中學(xué) 浙江 紹興 311800)

人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)教科書(shū)《物理·選修3-2》中“電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類(lèi)情況”，把感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)概念引入了高中物理課程．然而怎樣結(jié)合實(shí)際講授感生電動(dòng)勢(shì)和動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)？卻給廣大物理教師留下不斷探究的一個(gè)教學(xué)課題．

1 教材的說(shuō)法

仔細(xì)分析和研究教材可以發(fā)現(xiàn)，教材并沒(méi)有在正文中正式提出感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)這兩個(gè)“新”概念．

教材中首先介紹感生電動(dòng)勢(shì)這個(gè)概念，通過(guò)引入了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論觀點(diǎn)——“磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)一種電場(chǎng)，這種電場(chǎng)與靜電場(chǎng)不同，它不是由電荷產(chǎn)生的，我們把它叫做感生電場(chǎng)．”討論了在感生電場(chǎng)中的導(dǎo)體內(nèi)部自由電荷，在感生電場(chǎng)(力)的作用下，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．“在這種情況下，所謂的非靜電力就是感生電場(chǎng)對(duì)自由電荷的作用．”并在旁批中指出“如果感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由感生電場(chǎng)產(chǎn)生的，它也叫做‘感生電動(dòng)勢(shì)’”．

教材提出“導(dǎo)體切割磁感線的運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．這種情況下磁場(chǎng)沒(méi)有變化，空間沒(méi)有感生電場(chǎng)，所以產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的機(jī)理與上述情況有所不同．”[1]

教材是通過(guò)“思考與討論”引導(dǎo)學(xué)生去意會(huì)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生與洛倫茲力的關(guān)系．這種關(guān)系只是定性的、大致的．在旁批中“如感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，它也叫做‘動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)’．”教材沒(méi)有對(duì)兩類(lèi)電動(dòng)勢(shì)作更進(jìn)一步的深入討論．

2 教師的內(nèi)功

“要教給學(xué)生一杯水，自己就要有一桶水”這句話按新課標(biāo)教學(xué)理念解讀就是：只有當(dāng)教師有更扎實(shí)的知識(shí)功底、先進(jìn)的教學(xué)理念、豐富的教學(xué)方法和手段，才能指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)．在感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)教學(xué)中，教師的內(nèi)在功底——知識(shí)功底，體現(xiàn)在自身對(duì)兩種電動(dòng)勢(shì)概念的正確理解掌握上．

感生電動(dòng)勢(shì)．如教材中所說(shuō)，根據(jù)麥克斯韋觀點(diǎn)，變化的磁場(chǎng)在空間激發(fā)產(chǎn)生了感應(yīng)電場(chǎng)E感，感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體中自由電荷的作用力——非靜電力，對(duì)自由電荷做功，在導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε感生．根據(jù)電動(dòng)勢(shì)的定義有

ε感生=∮E感·dl

(1)

從另一角度，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律感生電動(dòng)勢(shì)ε感生同樣滿足法拉第電磁感應(yīng)定律一般形式

感生電動(dòng)勢(shì)不包括回路面積變化(這是另一種情形)的情形，因此上式可改寫(xiě)成

(2)

由于(1)式中E感通常很難計(jì)算出來(lái)，只有在極個(gè)別且具有某種空間對(duì)稱性的磁場(chǎng)問(wèn)題中得到應(yīng)用，因此實(shí)際應(yīng)用并不多．一般計(jì)算感生電動(dòng)勢(shì)會(huì)更多應(yīng)用(2)式．

在中學(xué)階段，涉及感生電動(dòng)勢(shì)問(wèn)題的討論與計(jì)算時(shí)，一般局限于磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻變化的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中簡(jiǎn)單的規(guī)則形狀的回路，且只強(qiáng)調(diào)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大?。@時(shí)的(2)式通?？珊?jiǎn)化成

(3)

動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生直接與洛倫茲力有關(guān)．在動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生過(guò)程中，洛倫茲力雖不做功，但它對(duì)導(dǎo)體中自由電荷“擔(dān)當(dāng)”了非靜電力做功的作用，因此是“功不可沒(méi)”．

圖1 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生

如圖1所示，在動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生過(guò)程中，由于導(dǎo)體中自由電荷實(shí)際運(yùn)動(dòng)的v方向，并非就是導(dǎo)線切割磁感線運(yùn)動(dòng)v0的方向，這使得與導(dǎo)體內(nèi)自由電荷實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向垂直的洛倫茲力F洛，在沿導(dǎo)線方向和與導(dǎo)線切割磁感線運(yùn)動(dòng)相反方向分別有分力F1和F2．F1等效于導(dǎo)體內(nèi)自由電荷隨導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)所受洛倫茲力，擔(dān)當(dāng)了非靜電力作用使自由電荷定向移動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，對(duì)自由電荷做正功;F2等效于自由電荷在導(dǎo)體內(nèi)定向移動(dòng)v′所受洛倫茲力F2的宏觀效果——安培力對(duì)切割磁感線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體做負(fù)功．若要使導(dǎo)體在磁場(chǎng)中保持不變的速度做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生穩(wěn)定的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，須有外力(宏觀意義的非靜電力)幫助導(dǎo)體克服洛倫茲力分力F2的宏觀表現(xiàn)——安培力做功．因此，在動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的整個(gè)過(guò)程中，總洛倫茲力對(duì)自由電荷做的凈功雖為零，但為外力(非靜電力)“幫助”導(dǎo)體克服安培力做功在磁場(chǎng)中持續(xù)做切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，卻起到了“傳遞能量”的作用，應(yīng)該是“功不可沒(méi)”．

從上述對(duì)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)與洛倫茲力的關(guān)系中，當(dāng)導(dǎo)體棒未與外電路組成閉合回路時(shí)，導(dǎo)體棒兩端積累的自由電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，給導(dǎo)體中的自由電荷以作用力并與F1平衡，保持導(dǎo)體棒兩端穩(wěn)定的電勢(shì)差——?jiǎng)由妱?dòng)勢(shì)．此時(shí)沒(méi)有感應(yīng)電流，受不到安培力作用，導(dǎo)體棒在慣性作用下勻速切割磁感線運(yùn)動(dòng)．此時(shí)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化．當(dāng)導(dǎo)體棒與外電路組成閉合回路產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)，上述平衡打破，導(dǎo)體棒中自由電荷定向移動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)體棒受安培力作用，須有外力克服安培力做功才能使導(dǎo)體棒繼續(xù)做切割磁感線運(yùn)動(dòng)．通過(guò)外力做功產(chǎn)生感應(yīng)電流——其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．

在中學(xué)階段，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算一般只討論在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，閉合導(dǎo)體回路的一部分直導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)或可轉(zhuǎn)化為一部分直導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)(如矩形線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng))的問(wèn)題．通常運(yùn)用

ε動(dòng)生=Blv

(5)

式(5)是在B，l與v三者兩兩垂直時(shí)的結(jié)果．當(dāng)v與B或v與l成θ角時(shí)有

ε動(dòng)生=Blvsinθ

(6)

3 教學(xué)的把握

在教學(xué)中，教師在鉆研教材對(duì)感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的說(shuō)法和弄清自己對(duì)它們的全面認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，根據(jù)高中物理新課標(biāo)，教學(xué)對(duì)象——學(xué)生的實(shí)際，正確把握教學(xué)的深廣度是使物理教學(xué)獲得最大效益的關(guān)鍵．

筆者認(rèn)為，高中物理新課標(biāo)，倡導(dǎo)以學(xué)生為本，一切從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)．因此針對(duì)目前高中體制，對(duì)不同類(lèi)型學(xué)校、不同基礎(chǔ)的學(xué)生及教師自己的特點(diǎn)，以確保教學(xué)最基本的共同目標(biāo)為前提，再確定不同的、分層次的、“個(gè)性化”的教學(xué)要求．

如對(duì)普通中學(xué)普通班的學(xué)生，力求能讓每一位學(xué)生都知道感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)理不同；知道感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生中，對(duì)應(yīng)的“非靜電力”是導(dǎo)體中自由電荷受到的感應(yīng)電場(chǎng)力，而動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生時(shí)的“非靜電力”，與隨導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)的自由電荷所受洛倫茲力有關(guān)．

對(duì)于重點(diǎn)中學(xué)學(xué)生，在普通中學(xué)普通班的學(xué)生的共同目標(biāo)基礎(chǔ)上，可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用空間對(duì)稱性討論和研究特殊情況下的感生電場(chǎng)大小、方向及用感生電場(chǎng)求感生電動(dòng)勢(shì)的大小的問(wèn)題；可以組織學(xué)生討論產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)時(shí)，洛倫茲力不做功，但洛倫茲力分力擔(dān)當(dāng)“非靜電力”做正功，另一分力以宏觀形式——安培力做負(fù)功，整個(gè)洛倫茲力在動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生過(guò)程起到了“傳遞能量”的作用．讓不同的學(xué)生有不同的深度和廣度的發(fā)展，讓優(yōu)秀學(xué)生更優(yōu)秀．

感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的教學(xué)，關(guān)鍵是教師在對(duì)高中物理新課標(biāo)、教材、學(xué)生的鉆研和解讀基礎(chǔ)上，充分結(jié)合“因才施教”和因材施教的教學(xué)原則，讓每一個(gè)學(xué)生根據(jù)自己的能力和可能，學(xué)有所得、學(xué)有所需、學(xué)有所進(jìn)，科學(xué)地把握教學(xué)的深廣度．