米樹(shù)理

摘要：本文針對(duì)《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)》物理選修3-2第27頁(yè)“思考與討論”欄目中的“使用鋁框做線圈骨架有什么好處”的問(wèn)題進(jìn)行了探討，并找到了答案：結(jié)合磁電式儀表的工作原理，線圈骨架應(yīng)選擇質(zhì)量小、電阻率小的非磁性材料，而鐵、鋁、銅三種常用金屬中，鋁最合適。在找尋這類問(wèn)題答案的過(guò)程中，筆者得出體會(huì)：這類問(wèn)題在《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)》中有很多，教師應(yīng)當(dāng)自己先多動(dòng)腦，然后要鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)腦，使學(xué)生不僅知其然而且知其所以然，使學(xué)生在探究這類問(wèn)題答案的同時(shí)可以發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力，發(fā)展其思維能力，使學(xué)生真正有所獲，有所發(fā)展。

關(guān)鍵詞：線圈骨架 電磁阻尼 慣性

G633.7

針對(duì)《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)》物理選修3-2第27頁(yè)“思考與討論”欄目中的“使用鋁框做線圈骨架有什么好處”的問(wèn)題，因?yàn)椤督虒W(xué)參考書(shū)》中未作任何說(shuō)明，所以在備課過(guò)程中被提出來(lái)之后，高二年級(jí)備課組的幾位教師之間展開(kāi)了熱烈的討論。

我們查閱了《高級(jí)中學(xué)課本》（甲種本）第三冊(cè)，《全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書(shū)》（必修加選修）第二冊(cè)，兩書(shū)中的處理方式一樣，都是在學(xué)習(xí)安培力之后介紹電流表（磁電式儀表）的工作原理：“這種電表的構(gòu)造是在一個(gè)很強(qiáng)的蹄形磁鐵的兩極間有一個(gè)固定的圓柱形鐵芯，鐵芯外面套有一個(gè)可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁框，鋁框上饒有線圈，鋁框的轉(zhuǎn)軸上裝有兩個(gè)螺旋彈簧和一個(gè)指針。線圈的兩端分別接在這兩個(gè)螺旋彈簧上，被測(cè)電流經(jīng)過(guò)這兩個(gè)彈簧流入線圈。蹄形磁鐵和鐵芯的磁場(chǎng)是均勻輻向分布的，不管通電線圈轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁感線平行，當(dāng)電流通過(guò)線圈的時(shí)候，線圈上跟鐵柱軸線平行的兩邊都受到安培力，這兩個(gè)力產(chǎn)生的力矩使線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋彈簧被扭動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，其大小隨線圈轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增大而增大。當(dāng)這種阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩增大到同安培力產(chǎn)生的力矩相平衡時(shí)，線圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)。”在學(xué)習(xí)渦流，電磁阻尼時(shí)，介紹鋁框的作用：“電學(xué)測(cè)量?jī)x表要求指針的擺動(dòng)很快停下來(lái)，以便可以迅速讀出示數(shù)。前一章講的電流表，線圈要繞在鋁框上，鋁框就起這種作用。當(dāng)被測(cè)電流通過(guò)線圈時(shí)，線圈帶動(dòng)指針和鋁框一起轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁框在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生渦流，磁場(chǎng)對(duì)這個(gè)渦流的作用力阻礙它們的擺動(dòng)，使指針能很快的指到示數(shù)位置上?！睕](méi)有問(wèn)“使用鋁框做線圈骨架有什么好處？”也沒(méi)有為什么要用鋁框做線圈骨架的任何說(shuō)明。通過(guò)對(duì)問(wèn)題的進(jìn)一步分析，我們認(rèn)識(shí)到新舊教科書(shū)對(duì)同一知識(shí)的呈現(xiàn)方式不同，認(rèn)為這是一個(gè)理論聯(lián)系實(shí)際的開(kāi)放性問(wèn)題，答案不唯一。這個(gè)問(wèn)題的解決過(guò)程，實(shí)際上設(shè)置了這樣一個(gè)情景，就是要學(xué)生象科學(xué)家運(yùn)用理論知識(shí)結(jié)合磁電式儀表的原理以及電磁阻尼的知識(shí)探究選擇做線圈骨架的材料一樣，通過(guò)認(rèn)真的，全面的思考和分析，認(rèn)識(shí)到理論與實(shí)際的差距，體會(huì)到經(jīng)過(guò)努力終于完成一項(xiàng)任務(wù)的成功的喜悅，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。使用鋁框做線圈骨架的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)該是與其它常用金屬（如鐵、銅）做線圈骨架比較的結(jié)果。按照這個(gè)思路，我們集中討論用鋁框做線圈骨架比用鐵、銅框做線圈骨架有什么好處。

觀點(diǎn)一：鐵是磁性材料，如果用鐵做線圈骨架，鐵被磁化后被永磁鐵吸住不能轉(zhuǎn)動(dòng)，就指針也不能動(dòng)了，就沒(méi)法測(cè)量了；如果用鋁框做線圈骨架則沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。

觀點(diǎn)二：磁電式儀表的磁場(chǎng)分布有其特殊的要求，如果用磁性材料做線圈骨架，會(huì)影響電表磁場(chǎng)的分布，破壞電表的性能。鋁則不然。

觀點(diǎn)三：同樣的鋁框比鐵框的電阻小，渦流強(qiáng)，電磁阻尼效果好，指針能很快地穩(wěn)定指到讀數(shù)位置上。

觀點(diǎn)四：按照以上觀點(diǎn)，為什么不用銅呢？銅不是磁性材料，不會(huì)影響電表磁場(chǎng)的分布；同樣的銅框比鋁框的電阻還小，渦流更強(qiáng)，電磁阻尼效果更好。

觀點(diǎn)五：同樣的鋁框比鐵（或銅）框的質(zhì)量小，慣性小，在電磁阻尼的作用下指針能很快地穩(wěn)定指到讀數(shù)位置上。

之后又查了《普通物理學(xué)實(shí)驗(yàn)》（二。電磁學(xué)部分），實(shí)驗(yàn)十一，《靈敏電流計(jì)特性的研究》（磁電式儀表），阻尼分為三種，欠阻尼運(yùn)動(dòng)，臨界阻尼運(yùn)動(dòng)，過(guò)阻尼運(yùn)動(dòng)。例如測(cè)2A的電流，當(dāng)外加電流通過(guò)靈敏電流計(jì)使線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于慣性和動(dòng)能的作用，指針不可能一下停止在2A處，要繼續(xù)向前轉(zhuǎn)，等轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，在螺旋彈簧的作用下，又要向回轉(zhuǎn)動(dòng)，在電磁阻尼效的作用下，指針來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)幾次之后才停下，這種是欠阻尼運(yùn)動(dòng)；等轉(zhuǎn)過(guò)2A處一個(gè)角度，在螺旋彈簧和電磁阻尼的作用下，轉(zhuǎn)回到2A處恰好停下，這種是臨界阻尼運(yùn)動(dòng)；等轉(zhuǎn)過(guò)2A處一個(gè)角度，在螺旋彈簧和電磁阻尼效的作用下，以非常緩慢的速度轉(zhuǎn)到2A處停下，這種是過(guò)阻尼運(yùn)動(dòng)。磁電式儀表的指針在轉(zhuǎn)動(dòng)后停在指示值所需時(shí)間越短越有利，因此通常使指針的運(yùn)動(dòng)在近臨界的阻尼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

綜合上述觀點(diǎn)，結(jié)合磁電式儀表的工作原理，線圈骨架應(yīng)選擇質(zhì)量小，電阻率小的非磁性材料.那么鐵、鋁、銅三種常用金屬中，鋁最合適.

事實(shí)上，這類問(wèn)題在《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)》中很多.我認(rèn)為，這一方面是為了被迫學(xué)生動(dòng)腦， 這另一方面也是為了被迫教師動(dòng)腦.通過(guò)被迫教師動(dòng)腦，先讓教師熟悉和掌握動(dòng)腦的方法和技巧，然后引導(dǎo)學(xué)生輕車熟路的動(dòng)腦，使學(xué)生不僅知其然而且知其所以然，使學(xué)生在探究這類問(wèn)題答案的同時(shí)可以發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力，發(fā)展其思維能力，使學(xué)生真正有所獲，有所發(fā)展。而教師在備這類問(wèn)題時(shí)，借助于年級(jí)備課組這個(gè)平臺(tái)，發(fā)揮集體的智慧，集思廣益，比一個(gè)人單打獨(dú)斗要好，而且可以提高教師的教學(xué)能力，不斷發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

楊述武主編，：《普通物理學(xué)實(shí)驗(yàn)》（二 電磁學(xué)部分）高等教育出版社1992年版endprint