王言利

(江蘇省鎮(zhèn)江中學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江 212017)

1 問題的提出

一次高三模擬考試中有這樣一道計(jì)算題.

【例1】動(dòng)圈式話筒是一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的傳聲器,它的結(jié)構(gòu)如圖1所示.主要由振動(dòng)膜片、音圈、永磁鐵和升壓變壓器等組成.它的工作原理是當(dāng)人對著話筒講話時(shí)，膜片就隨著聲音顫動(dòng)，從而帶動(dòng)連在一起的音圈在磁場中作運(yùn)動(dòng)，線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而完成聲電轉(zhuǎn)換.若圓環(huán)形音圈的匝數(shù)為N，半徑為r，音圈所用導(dǎo)線的橫截面積為S，電阻率為ρ，其振動(dòng)時(shí)所在區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.

圖1 動(dòng)圈式話筒示意圖

(1)求音圈的電阻；

(2)若某時(shí)刻音圈的切割速率為v，求此時(shí)音圈中產(chǎn)生的電動(dòng)勢；

(3)若音圈的切割速度按v=v0sinωt變化，話筒工作時(shí)和音圈相連的后續(xù)電路可等效成電阻為R的負(fù)載，求音圈輸出的電功率.

這道題是一個(gè)實(shí)際電磁感應(yīng)問題，問題情境來自生活實(shí)際，可以在人教版《物理·選修3-2》第4節(jié)法拉第電磁感應(yīng)定律問題與練習(xí)中找到與它類似的問題，教材上的問題情境是一個(gè)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器.揚(yáng)聲器反過來是可以當(dāng)做話筒用的，它和動(dòng)圈式話筒應(yīng)用了相同的原理并具有相類似的聲電轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu).作為試卷的第一道計(jì)算題，雖然該題目在計(jì)算上的難度不大，但是這樣的實(shí)際物理問題與同學(xué)們所熟悉的那些模型化的電磁感應(yīng)習(xí)題很不一樣，學(xué)生遇到這種熟悉又陌生的問題會(huì)感到一些困惑.看似不難的題目，很多學(xué)生解答得并不好，這其中的原因值得我們?nèi)パ芯?

2 實(shí)際物理問題的特點(diǎn)

物理問題可以分為兩種，第一種被稱為物理習(xí)題；第二種被稱為實(shí)際物理問題.實(shí)際物理問題是在現(xiàn)實(shí)世界中客觀存在的，尚未被分解、簡化、抽象的物理問題，它具有以下兩個(gè)特征：(1)來自真實(shí)生活情境，只是對現(xiàn)象進(jìn)行描述，沒有對現(xiàn)象作過度抽象；(2)具有客觀性、復(fù)雜性、已知條件的隱蔽性和答案的合理性，但有時(shí)并不具有精確性.物理習(xí)題則是指將實(shí)際問題經(jīng)過合理的分解、簡化和抽象后形成的問題，這類問題往往是為鞏固物理概念、規(guī)律而人為加工選編出來的，例如教科書、教參和各類中學(xué)物理輔導(dǎo)資料中大多數(shù)的題目.習(xí)題是人為設(shè)置的且條件控制嚴(yán)格，物理情境的真實(shí)性因此受到破壞，使學(xué)生解答習(xí)題的思維活動(dòng)與解決實(shí)際問題的思維活動(dòng)相去甚遠(yuǎn).這就造成很多學(xué)生只知道根據(jù)已知條件和現(xiàn)成的物理模型去解題，但是遇到一些實(shí)際物理問題時(shí)卻束手無策.因此雖然學(xué)生在物理課上學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)問題，也做了很多電磁感應(yīng)的習(xí)題，比如導(dǎo)體棒切割磁感線類問題，線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)類問題，但是遇到動(dòng)圈式揚(yáng)聲器這樣的實(shí)際問題時(shí)解答得并不好.究其原因是學(xué)生做的習(xí)題已經(jīng)被加工簡化，也就是說解決實(shí)際問題過程中所需要的分析、抽象、概括和建立模型等科學(xué)思維方法被出題者代替學(xué)生完成了，從而使學(xué)生在習(xí)題解決過程中失去了發(fā)展一些科學(xué)思維能力的機(jī)會(huì).

3 實(shí)際物理問題的解決過程

學(xué)生解決實(shí)際問題需要經(jīng)歷3個(gè)相互銜接的過程：第一，分辨與概括，即弄清楚面對的實(shí)際問題是什么，有什么樣的現(xiàn)象和科學(xué)事實(shí)；第二，建構(gòu)物理模型，即把實(shí)際問題進(jìn)行分解、簡化、抽象后轉(zhuǎn)化為相關(guān)的物理模型；第三，推理和計(jì)算，根據(jù)相關(guān)概念、定律和公式進(jìn)行推理和演算，解決問題.

本文題目中對動(dòng)圈式話筒這個(gè)問題的解決，需要學(xué)生對動(dòng)圈式話筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，認(rèn)識(shí)動(dòng)圈話筒應(yīng)用了電磁感應(yīng)規(guī)律這個(gè)物理本質(zhì)，然后在法拉第電磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上，對動(dòng)圈式話筒進(jìn)行抽象，構(gòu)建導(dǎo)體切割磁感線的模型.這要求學(xué)生能把直導(dǎo)線切割磁感線的知識(shí)遷移到彎曲的導(dǎo)線垂直切割磁感線情境上面，對建構(gòu)物理模型的能力具有較高要求.接下來，在物理模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論推導(dǎo)和計(jì)算，套在N極上的線圈在膜片的帶動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)線圈都做垂直切割磁感線運(yùn)動(dòng)，可以根據(jù)E=BLv求出線圈產(chǎn)生的總感應(yīng)電動(dòng)勢,即E=NB×2πr×v=2πNBrv.解決動(dòng)圈式話筒這個(gè)問題的另外一個(gè)障礙就是磁場的分布沒有直接畫出，也需要學(xué)生根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析.這里的磁場可以看做是兩個(gè)并排的U形磁鐵產(chǎn)生的，U形磁鐵口兩磁極相對的部分近似為勻強(qiáng)磁場，其磁感線的分布如圖2所示.

圖2 U形磁鐵口磁感線的分布示意圖

通過磁感線的分布可以看出，音圈在切割磁感線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，線圈所在區(qū)域的磁場是勻強(qiáng)磁場，磁場方向與線圈的運(yùn)動(dòng)方向垂直.線圈的速度按正弦規(guī)律變化，因此產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也按正弦規(guī)律變化，即音圈產(chǎn)生的電流是正弦交流電，其表達(dá)式為

e=2πNBrv0sinωt

其電動(dòng)勢的有效值為

輸出功率為

4 實(shí)際物理問題的教學(xué)價(jià)值

新課程標(biāo)準(zhǔn)制定了學(xué)科的核心素養(yǎng)，物理的核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”，其中科學(xué)思維是從物理學(xué)的角度對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象過程，包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等要素[1].中國基礎(chǔ)物理教育的傳統(tǒng)是比較注重知識(shí)傳授，教學(xué)以習(xí)題訓(xùn)練為主，培養(yǎng)出來的學(xué)生具有扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)和很好的邏輯推理能力.但是學(xué)生在抽象與概括、建構(gòu)科學(xué)模型、質(zhì)疑與科學(xué)創(chuàng)新等科學(xué)素養(yǎng)方面的表現(xiàn)卻不盡人意，這也使我們的基礎(chǔ)教育飽受社會(huì)詬病.楊振寧說:“做很多習(xí)題,只能說是訓(xùn)練獨(dú)立思考能力的一半，而另一半的方法是復(fù)雜的，不是每個(gè)學(xué)生都能采納同樣的建議或勸告，這個(gè)方法要靠自己去摸索.”[2]物理教學(xué)的價(jià)值體現(xiàn)就是培養(yǎng)全體公民的科學(xué)素質(zhì)，而物理問題尤其是實(shí)際物理問題的解決是科學(xué)素養(yǎng)的實(shí)在體現(xiàn).在現(xiàn)實(shí)的情境中能夠通過獨(dú)立思考做出合理的判斷和選擇,能夠運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)解決實(shí)際問題,這也是物理核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容.

實(shí)際物理問題由于具有原始性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，學(xué)生解決實(shí)際問題的過程也就是經(jīng)歷運(yùn)用科學(xué)思維與探究的過程.面對一個(gè)信息復(fù)雜、客觀真實(shí)的實(shí)際問題，學(xué)生找不到可以拿來效仿的原型，也沒有既成的經(jīng)驗(yàn)作為指導(dǎo)，只能通過獨(dú)立思考，不斷嘗試，對問題進(jìn)行探索嘗試.解決實(shí)際物理問題所需要的物理圖像或物理模型通常是隱藏的，學(xué)生只能根據(jù)某些事實(shí)或已知理論，運(yùn)用抽象、概括、建立模型、類比、猜測等科學(xué)思維對實(shí)際問題的本質(zhì)形成適應(yīng)性、啟發(fā)性的領(lǐng)悟，這種科學(xué)抽象思維就帶有跳躍式提取和加工信息的特點(diǎn).

因此實(shí)際物理問題可以彌補(bǔ)習(xí)題真實(shí)情境缺失的缺點(diǎn)，有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和解決問題的能力.高中物理教學(xué)越來越重視與生活實(shí)際及現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系，在我們的物理教材中也有很多的實(shí)際問題，比如電磁流量計(jì)，等離子體發(fā)電，動(dòng)圈式揚(yáng)聲器等等，教材中的這些材料經(jīng)常被拿來改編成各種考試題目，成為考試命題者鐘愛的題目原型，使用實(shí)際問題對學(xué)生進(jìn)行物理能力測試或許將是未來考試命題的一個(gè)發(fā)展趨勢.物理教師要養(yǎng)成課程資源意識(shí),不斷地發(fā)現(xiàn)實(shí)際物理問題，指導(dǎo)學(xué)生解決一些實(shí)際物理問題，使學(xué)生體會(huì)基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的過程以及分析綜合、推理論證方法在實(shí)際問題解決中的應(yīng)用，從而落實(shí)核心素養(yǎng)中對科學(xué)思維能力的培養(yǎng).