內(nèi)蒙古 羅 成

電磁感應(yīng)中的STS問(wèn)題

內(nèi)蒙古 羅 成

關(guān)注科學(xué)技術(shù)發(fā)展，關(guān)心社會(huì)生活變化，結(jié)合電磁感應(yīng)現(xiàn)象，探析STS熱點(diǎn)問(wèn)題。

新一輪課程改革中特別強(qiáng)調(diào)物理與科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、社會(huì)（Society）（簡(jiǎn)稱STS）之間的聯(lián)系。在近幾年高考題中出現(xiàn)不少與STS相聯(lián)系的試題，這類試題“立足物理學(xué)科，反映科技進(jìn)步，闡釋實(shí)際生活，透視社會(huì)熱點(diǎn)”，旨在引導(dǎo)考生關(guān)注科技發(fā)展前沿，關(guān)心生活中的物理現(xiàn)象。高中物理中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象與STS聯(lián)系相當(dāng)緊密。下文以最新的名校模擬試題為素材，探討電磁感應(yīng)中的STS問(wèn)題，并給出相應(yīng)問(wèn)題的解決策略，以期對(duì)同學(xué)們的復(fù)習(xí)備考有所幫助。

一、關(guān)注科學(xué)發(fā)展

【例1】（2015·江蘇淮安三模改編）電磁彈射是我國(guó)最新研究的重大科技項(xiàng)目，原理可用下述模型說(shuō)明。如圖1甲所示，虛線MN右側(cè)存在一個(gè)豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形單匝金屬線框abcd放在光滑水平面上，電阻為R，質(zhì)量為m，ab邊在磁場(chǎng)外側(cè)緊靠MN虛線邊界處。從t＝0時(shí)起磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t的變化規(guī)律是B＝B0＋kt（k為大于零的常數(shù)），空氣阻力忽略不計(jì)。

（1）線圈中的感應(yīng)電流的方向?yàn)開(kāi)_______（填“順時(shí)針”或“逆時(shí)針”）；

（2）求t＝0時(shí)刻，線框中的感應(yīng)電流的功率P；

（3）若線框cd邊穿出磁場(chǎng)時(shí)速度為v，求線框穿出磁場(chǎng)過(guò)程中，安培力對(duì)線框所做的功W及通過(guò)導(dǎo)線截面的電荷量q；

（4）若用相同的金屬線繞制相同大小的n匝線框，如圖1乙所示，在線框上加一質(zhì)量為M的負(fù)載物，證明：載物線框匝數(shù)越多，t＝0線框加速度越大。

【解析】（1）由“磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t的變化規(guī)律是B＝B0＋kt（k為大于零的常數(shù)）”知B隨t均勻增大，穿過(guò)線框的磁通量均勻增大，根據(jù)楞次定律得線框中的感應(yīng)電流方向?yàn)轫槙r(shí)針。

（4）t＝0時(shí)刻n匝線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線框的總電阻R總＝nR，線框中的電流，t＝0時(shí)刻線框受到的安培力F＝nB0IL，設(shè)線框的加速度為a，根據(jù)牛頓第二定律有F＝（M＋nm）a，解得，由此可知，n越大，a越大。

【答案】見(jiàn)解析。

【點(diǎn)評(píng)】這類試題的情境信息比較新穎，一般著眼于最新的科研成果或技術(shù)發(fā)明。通常以近幾年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)、新材料的發(fā)明為命題素材，以及科技發(fā)展對(duì)社會(huì)生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的正負(fù)效應(yīng)為命題背景，例如2015年浙江卷第18題（正在研制航母艦載機(jī)的電磁彈射器）。此類試題涉及感應(yīng)電流的大小計(jì)算和方向判斷，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、安培力、電荷量等物理量的求解。最典型的問(wèn)題有以下幾類：

（1）感應(yīng)電流方向的判斷：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，適用于一切電磁感應(yīng)中感應(yīng)電流方向的判斷。應(yīng)用楞次定律判斷線圈中感應(yīng)電流方向的步驟：確定原磁場(chǎng)的方向；明確回路中磁通量變化情況；應(yīng)用“增反減同”，確定感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向；根據(jù)安培定則，判定感應(yīng)電流的方向。（簡(jiǎn)記為“一原二感三電流”）

（2）電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化特點(diǎn)：外力克服安培力做功，把機(jī)械能或其他形式的能量轉(zhuǎn)化成電能；感應(yīng)電流通過(guò)電路做功又把電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能（如內(nèi)能）。

（3）求解電荷量q的基本思路是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律求出平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)閉合電路歐姆定律求得平均感應(yīng)電流，結(jié)合q＝求得電荷量q。

二、關(guān)注技術(shù)革新

【例2】（2015·廣東模擬）高頻焊接技術(shù)的原理圖如圖2甲，線圈接入圖2乙所示的正弦式交流電（以電流順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，圈?nèi)焊接工件形成閉合回路，則 （ ）

A.圖2乙中電流的有效值為I

B.t1～t2時(shí)間內(nèi)工件中的感應(yīng)電流變大

C.0～t1時(shí)間內(nèi)工件中的感應(yīng)電流方向?yàn)轫槙r(shí)針

D.圖2乙中T越大，工件溫度上升得越快

【答案】AB

【點(diǎn)評(píng)】物理學(xué)的發(fā)展深刻影響著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。高科技的背景向來(lái)是物理命題的主流之一，如2015年江蘇卷第13題（磁共振檢查）等題目。電磁感應(yīng)中的圖象問(wèn)題是高考考查的熱點(diǎn)之一，這一熱點(diǎn)通常也會(huì)和STS問(wèn)題整合于一體。常涉及磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通量Φ、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E、感應(yīng)電流I和電荷量q隨時(shí)間t變化的圖象，有時(shí)會(huì)涉及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E、感應(yīng)電流I隨導(dǎo)體棒或線圈位移x變化的圖象等。求解電磁感應(yīng)圖象問(wèn)題的一般解題思路：（1）認(rèn)清圖象種類：即是Φ-t圖象、B-t圖象或I-t圖象等；（2）分段處理過(guò)程：對(duì)電磁感應(yīng)的具體過(guò)程判斷對(duì)應(yīng)的圖象分幾段；（3）判斷電流方向：依楞次定律或右手定則判斷感應(yīng)電流方向；（4）寫(xiě)出函數(shù)關(guān)系：由法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律和牛頓第二定律寫(xiě)出函數(shù)關(guān)系。

三、關(guān)注生活變化

（2）某同學(xué)看到有些玩具車(chē)在前進(jìn)時(shí)車(chē)輪上能發(fā)光，受此啟發(fā)，他設(shè)計(jì)了一種帶有閃爍燈的自行車(chē)后輪，可以增強(qiáng)夜間騎車(chē)的安全性。圖3乙所示為自行車(chē)后車(chē)輪，其金屬輪軸半徑可以忽略，金屬車(chē)輪半徑r＝0.4m，其間由絕緣輻條連接（絕緣輻條未畫(huà)出）。車(chē)輪與輪軸之間均勻地連接有4根金屬條，每根金屬條中間都串接一個(gè)LED燈，燈可視為純電阻元件，每個(gè)燈的阻值為R＝0.3Ω，并保持不變。車(chē)輪邊的車(chē)架上固定有磁鐵，在車(chē)輪與輪軸之間形成了磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.5T，方向垂直于紙面向外的扇形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，扇形對(duì)應(yīng)的圓心角θ＝30°。自行車(chē)勻速前進(jìn)的速度為v＝8m/s（等于車(chē)輪邊緣相對(duì)軸的線速度）。不計(jì)其他電阻和車(chē)輪厚度，并忽略磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)。

①在圖3乙所示裝置中，當(dāng)其中一根金屬條ab進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，指出ab上感應(yīng)電流的方向，并求ab中感應(yīng)電流的大?。?/p>

②若自行車(chē)以速度為v＝8m/s勻速前進(jìn)時(shí)，車(chē)輪受到的總摩擦阻力為2.0N，則后車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，動(dòng)力所做的功為多少？（忽略空氣阻力，π≈3.0）

【答案】（1）證明過(guò)程見(jiàn)解析 （2）①2A ②4.96J

【點(diǎn)評(píng)】應(yīng)用物理知識(shí)分析常見(jiàn)的生活現(xiàn)象，可以使物理學(xué)習(xí)更加深入而有趣。如2015年北京卷第20題（IC卡）、第24題（光電轉(zhuǎn)換的新型電源）等均以生活中常見(jiàn)的情境為素材，體現(xiàn)了“從生活走進(jìn)物理，從物理走向社會(huì)”的新課標(biāo)理念，這將會(huì)是高考考查的一個(gè)重要方向。

電磁感應(yīng)與電路的綜合問(wèn)題與此類STS信息可對(duì)接，一般的情景是做切割磁感線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體或?qū)w框使磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該導(dǎo)體或?qū)w框就可等效為電源。此問(wèn)題通常會(huì)以壓軸題的形式考查，涉及楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律等主干知識(shí)。解答此問(wèn)題一方面是要分清感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，另一方面是分清內(nèi)、外電路，對(duì)外電路需畫(huà)出等效電路圖，借助穩(wěn)恒電路的處理辦法進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算。解答電磁感應(yīng)電路問(wèn)題的基本步驟：

（2）分析電路結(jié)構(gòu)：分析內(nèi)、外電路和外電路的串、并聯(lián)關(guān)系，畫(huà)出等效電路圖；

（3）運(yùn)用電路規(guī)律：應(yīng)用歐姆定律和串、并聯(lián)電路的基本規(guī)律列方程求解。

【總結(jié)】由上可見(jiàn)，解決電磁感應(yīng)中STS問(wèn)題的主要解題策略如下：

（1）文本閱讀能力：了解問(wèn)題的背景、涉及的對(duì)象、過(guò)程和情景，明確要解決的問(wèn)題；

（2）信息提取能力：在領(lǐng)會(huì)題意的基礎(chǔ)上，對(duì)題目的關(guān)鍵信息進(jìn)行分析判斷（根據(jù)問(wèn)題要求和解答目標(biāo)，排除次要因素，抓住重要的物理?xiàng)l件和物理關(guān)系）；

（3）物理建模能力：把以上分析中獲取的核心物理情景、條件、關(guān)系與已熟知的物理知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，將實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化、抽象為恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，用學(xué)過(guò)的知識(shí)和方法解決問(wèn)題。

（作者單位：內(nèi)蒙古烏拉特前旗第一中學(xué)）