摘要：隨著高考制度的改革和各大高校自主招生名額的增加，根據(jù)自主招生的要求，我認(rèn)為高中學(xué)生有必要了解物理學(xué)科的發(fā)展史和一些前沿知識以及相關(guān)知識在日常生活中的應(yīng)用。教科書選修3—1第三章《 磁場》第四節(jié)的發(fā)展空間中談到了霍爾效應(yīng)，它與高中電磁學(xué)方面知識有著緊密的聯(lián)系，近些年全國多個省市出現(xiàn)過有關(guān)霍爾效應(yīng)的高考題，特別是北京在2009年和2010年這兩年物理高考題中均以霍爾效應(yīng)相關(guān)知識作為壓軸題。更重要的是霍爾效應(yīng)的發(fā)展歷史，正好是近代物理學(xué)發(fā)展的一個縮影，這為教師向?qū)W生講述近代物理學(xué)發(fā)展史提供了很好的素材，也能幫助學(xué)生了解物理學(xué)前沿知識，激發(fā)學(xué)生的求知欲。本文將從教科書中的一道習(xí)題出發(fā)，淺談對該部分知識的教學(xué)思考。

關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng);高中物理考題;物理教學(xué)

1.1描述該例題

高中教科書《物理》（選修3--1）第三章第102頁練習(xí)與評價(jià)的第3題長方形金屬塊放在勻強(qiáng)磁場中，有電流通過金屬塊，如圖所示，則下面說法正確的是（?）

A.金屬塊上、下表面電勢相等

B.金屬塊上表面電勢高于下表面電勢

C.金屬塊上表面電勢低于下表面電勢

D.無法確定上、下表面電勢高低

1.2分析并解決該題的教學(xué)過程

這道題很有代表意義，通過了解很多同學(xué)面對這樣的題都會做出錯誤選擇。現(xiàn)對該題進(jìn)行分析：本題主要考查了（1）對經(jīng)典霍爾效應(yīng)原理的理解即洛侖茲力的相關(guān)知識（2）對有關(guān)感應(yīng)電動勢公式的理解（3）對電流形成的原因的理解?更重要的是這道題還有它的時(shí)代意義，這就要求學(xué)生多關(guān)注科技進(jìn)步和社會發(fā)展。

作為中學(xué)物理教師的我們，該怎樣向?qū)W生講解這樣的題呢？我認(rèn)為可以這樣設(shè)計(jì)：新的教學(xué)理念要求，課程是教師、學(xué)生、教材、環(huán)境四個因素的整合。教學(xué)是一種對話、一種溝通、一種合作共建，這種教學(xué)所蘊(yùn)涵的課堂文化，有著鮮明的和諧、民主、平等等特色，那么在教與學(xué)的過程中，要不斷培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)的習(xí)慣，提高他們獨(dú)立思考、創(chuàng)新思維的能力。正因如此，可以把班里的同學(xué)分成四個小組，每組選一個組長，在講該題之前，給每組都分配點(diǎn)任務(wù)，如要求一組總結(jié)本章所學(xué)公式及左手定則的應(yīng)用，要求二組上網(wǎng)查找霍爾效應(yīng)的發(fā)展史和三組上網(wǎng)查找有關(guān)霍爾效應(yīng)在生活中的應(yīng)用，要求四組上網(wǎng)查找有關(guān)流量知識等等。上課時(shí)，在教師的主持下，首先用十分鐘，各組把收集的知識進(jìn)行交流，這樣做是為了同學(xué)們對該題的相關(guān)知識有個整體了解。接著應(yīng)該發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，教師以提問的方式，說明什么是霍爾效應(yīng)和生活中有哪些霍爾元件和其工作原理是什么，接著強(qiáng)調(diào)正電荷定向運(yùn)動形成的電流和負(fù)電荷定向運(yùn)動形成的電流產(chǎn)生電場的特點(diǎn)，最后開始板書解題過程。

2.1對比分析----磁流體發(fā)電機(jī)

高中教科書《物理》（選修3--1）103頁發(fā)展空間有關(guān)磁流體發(fā)電機(jī)的運(yùn)用。

例2：目前世界上正在研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī)，如圖所示，它的發(fā)電原理：當(dāng)一束等離子體（即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負(fù)電的微粒，而從整體來說呈中性），噴射入磁場，磁場中有兩塊金屬板A、B，這時(shí)金屬板上就聚集電荷，產(chǎn)生電壓。說明金屬板上為什么聚集電荷。在磁極配置如圖中所示的情況下，電路中的電流方向如何[3]？

解析過程：本題很有現(xiàn)實(shí)意義，該題的理論可用高中所學(xué)的電磁學(xué)知識來解釋，本題主要是對運(yùn)動的帶電微粒在磁場中受洛侖茲力和左手定則的運(yùn)用。學(xué)生可以自主完成，教師點(diǎn)評即可。

2.2對比分析——電磁流量計(jì)

高中教科書《物理》（必修加選修）（四川2012年前使用的教科書）第二冊第191頁的第五題“電磁流量計(jì)”就是霍爾效應(yīng)的相關(guān)知識在高中的實(shí)際應(yīng)用。

圖3和圖4是電磁流量計(jì)的示意圖。在非磁性材料做成的圓管道外加一勻強(qiáng)磁場區(qū)域，當(dāng)管中的導(dǎo)電液體流過此磁場區(qū)域時(shí)，測出管壁上的ab兩點(diǎn)間的電動勢E，就可以知道管中液體的流量q—單位時(shí)間內(nèi)流過液體的體積。已知管的直徑為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，試推出q與E的關(guān)系表達(dá)式。

因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)是一根管道，內(nèi)部沒有任何阻礙流體流動的結(jié)構(gòu)，所以可以用來測量高粘度及強(qiáng)腐蝕性流體的流量。它具有測量范圍寬、反應(yīng)快、易與其它自動裝置配套等優(yōu)點(diǎn)。

通過講述這道題讓同學(xué)們理解生活中的物理知識和高中所學(xué)的一些物理知識的整合，然后在舉例對該類型知識進(jìn)行鞏固。

2.3電磁流量計(jì)知識的鞏固

這里還是以我們?nèi)粘Ｉ钪袝龅降奈矬w來向?qū)W生們闡述，以便進(jìn)一步加深學(xué)生去探究身邊物理知識的熱情。

例：（2009年江蘇高考題）醫(yī)生做某些特殊手術(shù)時(shí)，利用電磁血流計(jì)來監(jiān)測通過動脈的血流速度。電磁血流計(jì)由一對電極a和b以及磁極N和S構(gòu)成，磁極間的磁場是均勻的。使用時(shí)，兩電極a、b均與血管壁接觸，兩觸點(diǎn)的連線、磁場方向和血流速度方向兩兩垂直，由于血液中的正負(fù)離子隨血流一起在磁場中運(yùn)動，電極a、b之間會有微小電勢差如圖所示。在達(dá)到平衡時(shí)，血管內(nèi)部的電場可看作是勻強(qiáng)電場，血液中的離子所受的電場力和磁場力的合力為零。在某次監(jiān)測中，兩觸點(diǎn)的距離為3.0mm，血管壁的厚度可忽略，兩觸點(diǎn)間的電勢差為160μV，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為0.040T。則血流速度的近似值和電極a、b的正負(fù)為（?）

A 1.3m/s，a正、b負(fù)

B. 2.7m/s，a正、b負(fù)

C. 1.3m/s，a負(fù)、b正

D. 2.7m/s ， a負(fù)、b正

解析：這道題就也是電磁流量計(jì)的運(yùn)用，通過前面對電磁流量計(jì)的相關(guān)知識的了解，由左手定則可知，血液中的正離子向上運(yùn)動、負(fù)離子向下運(yùn)動，故電極a是正極板。由洛倫茲力等于電場力：可得： 知代人數(shù)據(jù)可得V=1.3所以選A

通過這個例子，可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)有關(guān)電磁流量計(jì)知識的題，所要他們掌握的知識點(diǎn)是一樣的，即任它千變?nèi)f化，都應(yīng)該抓住電磁流量計(jì)的原理和高中物理知識的相關(guān)聯(lián)系。

3.1知識擴(kuò)展——講述物理學(xué)發(fā)展史

物理學(xué)史是綻放在自然科學(xué)中的一朵奇葩，是蘊(yùn)涵著巨大精神財(cái)富的一塊寶地，它體現(xiàn)了人類探索和逐步認(rèn)識物理世界的現(xiàn)象、特性、規(guī)律和本質(zhì)的歷程。它涉及到認(rèn)識論和方法論的因素，體現(xiàn)著認(rèn)識過程中理論與實(shí)踐、繼承與突破、理性與非理性的辨證統(tǒng)一，因而，物理學(xué)史富含著“教書育人”的教育因素。高中物理新教材在各模塊中多處引入物理學(xué)史，教師在教學(xué)過程中應(yīng)注重將物理學(xué)史有序、有趣、有度地融入課堂教學(xué)，使得科學(xué)教育和人文教育交融，以此增強(qiáng)課堂教學(xué)內(nèi)容的生動性、藝術(shù)性和實(shí)效性。以霍爾效應(yīng)的歷史為例，講述近代物理學(xué)的發(fā)展史，讓學(xué)生了解物理學(xué)的發(fā)展過程和前沿的物理學(xué)知識就是一個不錯的選擇。

通過所查找的資料，學(xué)生了解了霍爾元件、磁流體發(fā)電機(jī)和電磁流量計(jì)其實(shí)就是經(jīng)典霍爾效應(yīng)的應(yīng)用，又知道隨著科學(xué)的進(jìn)步和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成熟，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)等等。此時(shí)教師可以講述物理學(xué)發(fā)展史了

在霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)（經(jīng)典霍爾效應(yīng)）的時(shí)代，即19世紀(jì)中后期，物理學(xué)家中普遍存在一種樂觀情緒，認(rèn)為對復(fù)雜紛紜的物理現(xiàn)象的本質(zhì)的認(rèn)識已經(jīng)完成。他們陶醉于17世紀(jì)以牛頓為代表建立起來的力學(xué)體系，19世紀(jì)建立起來的電動力學(xué)以及熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。J.C.Maxwell與1871年在劍橋大學(xué)就職演說中提到：“在幾年中，所有重要得物理常數(shù)將被近似估計(jì)出來給科學(xué)界人士留下的只是提高這些常數(shù)的觀測值的精度。”然而自然科學(xué)總是在不斷地發(fā)展。在充滿喜悅的氣氛中，一些敏銳的物理學(xué)家已逐漸認(rèn)識到經(jīng)典物理學(xué)中潛伏著危機(jī)。20世紀(jì)初，W.Thomson就指出：經(jīng)典物理學(xué)的上空懸浮著兩團(tuán)烏云。第一團(tuán)烏云涉及電動力學(xué)中的“以太”（一種固態(tài)介質(zhì)）。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為電磁場描述的是“以太”的應(yīng)力。但是，為什么天體能無摩擦地穿行于“以太”之中？為什么人們無法通過實(shí)驗(yàn)測出“以太”本身的運(yùn)動速度？第二團(tuán)烏云則涉及物體的比熱，即觀測到的物體比熱總是低于經(jīng)典物理學(xué)中能量均分定理給出的值[2]。有了問題，就有人會去想辦法解決。1900年，普朗克把多人關(guān)于黑體輻射的研究結(jié)果進(jìn)一步研究以后，提出了量子論。1911年盧瑟福證實(shí)了原子核式結(jié)構(gòu)。在這基礎(chǔ)上，在1913年有玻爾理論的發(fā)表。到了1925年，一個關(guān)于微觀體系的新理論量子力學(xué)建立了起來，這一個理論對物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展起到了巨大作用?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)就得益于量子理論的發(fā)展，現(xiàn)在有關(guān)霍爾效應(yīng)的理論還在不斷發(fā)展如量子自旋霍爾效應(yīng)等等[1]。

通過上述教學(xué)過程，學(xué)生能夠明白霍爾效應(yīng)在日常生活中的應(yīng)用并對近代物理學(xué)發(fā)展史有一定了解。那么課后再做如下習(xí)題：

4.1 霍爾元件的理論知識

（2010年北京高考題）利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件及傳感器，廣泛應(yīng)用于測量和自動控制等領(lǐng)域。將一金屬或半導(dǎo)體薄片垂直置于磁場中，在薄片的兩個側(cè)面、間通以電流時(shí)，另外兩側(cè)、間產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象應(yīng)為霍爾效應(yīng)。其原因是薄片中的移動電荷受洛倫茲力的作用向一側(cè)偏轉(zhuǎn)和積累，于是、間建立起電場，同時(shí)產(chǎn)生霍爾電勢差。當(dāng)電荷所受的電場力與洛倫茲力處處相等時(shí)，和達(dá)到穩(wěn)定值，的大

小與和及霍爾元件厚度之間滿足關(guān)系式，其中

比例系數(shù)稱為霍爾系數(shù)，僅與材料性質(zhì)有關(guān)。如圖6、7、8，

（1）設(shè)半導(dǎo)體薄片的寬度（、間距）為，請寫出和的關(guān)系式;若半導(dǎo)體材料是電子導(dǎo)電的，請判斷圖6中、哪端的電勢高;

（2）已知半導(dǎo)體薄片內(nèi)單位體積中導(dǎo)電的電子數(shù)為，電子的電荷量為，請導(dǎo)出霍爾系數(shù)的表達(dá)式。（通過橫截面積的電流，其中是導(dǎo)電電子定向移動的平均速率）;

（3）圖7是霍爾測速儀的示意圖，將非磁性圓盤固定在轉(zhuǎn)軸上，圓盤的周邊等距離地嵌裝著個永磁體，相鄰永磁體的極性相反。霍爾元件置于被測圓盤的邊緣附近。當(dāng)圓盤勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，霍爾元件輸出的電壓脈沖信號圖像如圖8所示。

a.若在時(shí)間內(nèi)，霍爾元件輸出的脈沖數(shù)目為，請導(dǎo)出圓盤轉(zhuǎn)速的表達(dá)式。

b.利用霍爾測速儀可測量汽車行駛的里程。除此之外，請你展開“智慧的翅膀”，提出另一個實(shí)例或設(shè)想。

解析過程：只要深刻理解動生電動勢產(chǎn)生機(jī)理，解決此題就不為難。但是在第一問要注意真正的載流子是電子，這和高溫高壓氣體或者海水什么的是有所區(qū)別的，必須找到真正載流子（也即電子）的運(yùn)動方向，利用左手定則正確判斷其受到指向f的力，否則如果直接對電流也即正電荷用左手定則，會得出f的電勢高的錯誤結(jié)論。第二問利用平衡時(shí)候洛倫茲力與電場力相等得出電場的表達(dá)式，配合題目給出的電流表達(dá)式一并帶入霍爾系數(shù)表達(dá)式，易得正確答案。最后一問考的精彩，利用霍爾效應(yīng)磁場方向的周期性改變帶來兩版電壓的周期性改變計(jì)算圓盤轉(zhuǎn)速，從而做出霍爾測速儀，和生活聯(lián)系非常緊密。我們可以利用霍爾測速儀測轉(zhuǎn)速的功能，將其利用在很多具體生活實(shí)際中，比如說把霍爾測速儀利用在測量風(fēng)速上，測量河水流速甚至流量上等。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾謹(jǐn)言.量子力學(xué)教程[M].北京.科學(xué)出版社.2008

[2]馮劍盛.霍爾效應(yīng)與中學(xué)物理的整合[J].物理教育學(xué)報(bào)，2004，25（11）：20-22

[3]人民教育出版社物理室主編.全日制普通高級中學(xué)教科書《物理》（必修加選修）;第二冊.北京.人民教育出版社

作者簡介：朱婉妮，1988年出生，女，四川成都人，大學(xué)本科，中學(xué)二級教師，主要研究基礎(chǔ)力學(xué)。