余潘

(浙江省慈溪中學(xué) 浙江 寧波 315300)

法拉第圓盤發(fā)電機(jī)是人類歷史上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)[1]，揭開了機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的序幕，把人類帶向了電氣化時(shí)代.在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家探究物理的過程，感知科學(xué)發(fā)現(xiàn)的魅力，增強(qiáng)對(duì)科學(xué)的理解，提升科學(xué)素養(yǎng)[2].但在具體教學(xué)實(shí)施中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)法拉第圓盤發(fā)電機(jī)的理解不清晰、不透徹，并從“磁通量未改變”的角度對(duì)產(chǎn)生感應(yīng)電流提出質(zhì)疑.本文根據(jù)學(xué)生的困惑，從不同角度對(duì)法拉第圓盤發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行剖析，試圖突破難點(diǎn)，揭示本質(zhì).

1 復(fù)雜物理模型的等效分解

為了幫助學(xué)生理解復(fù)制模型，在教學(xué)過程中設(shè)置合理的梯度，引導(dǎo)學(xué)生將法拉第圓盤發(fā)電機(jī)模型按圖1進(jìn)行等效分解處理.

圖1 法拉第圓盤發(fā)電機(jī)模型等效分解圖

在推理思路上，以逆向遞進(jìn)(d)(c)(b)(a)順序更容易被學(xué)生接受，符合認(rèn)知規(guī)律.即從最簡(jiǎn)單基本的單導(dǎo)體棒平行切割模型圖1(d)，通過微元法過渡到單導(dǎo)體棒旋轉(zhuǎn)切割模型圖1(c)，再類比多導(dǎo)體棒旋轉(zhuǎn)切割模型圖1(b)，相當(dāng)于電源的并聯(lián)，再結(jié)論推理到無數(shù)根導(dǎo)體棒旋轉(zhuǎn)切割模型即法拉第圓盤發(fā)電機(jī)模型圖1(a).學(xué)生很容易意識(shí)到法拉第圓盤發(fā)電機(jī)模型產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與單導(dǎo)體棒或多導(dǎo)體棒旋轉(zhuǎn)切割模型產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，感應(yīng)電流方向可由右手定則判斷，為半徑方向.法拉第圓盤發(fā)電機(jī)內(nèi)阻，相比單導(dǎo)體棒或多導(dǎo)體棒旋轉(zhuǎn)切割，在獲得相同的電動(dòng)勢(shì)情況下，圓盤發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻更小，輸出效率更高.

2 從磁通量變化角度解釋

從磁通量角度分析，關(guān)鍵是研究回路的選取，已有文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行了等效電路的研究[3,4]，但其等效模型復(fù)雜，學(xué)生理解困難.本文以圖1(d)最簡(jiǎn)單基本的模型將單導(dǎo)體棒與圓盤進(jìn)行類比等效，如圖2所示.

圖2 單導(dǎo)體棒與圓盤進(jìn)行類比等效

若將電刷放在間距Δr較小的圓環(huán)上，由于間距小，可以認(rèn)為內(nèi)環(huán)與外環(huán)長(zhǎng)度相等，此時(shí)將圓環(huán)展開，等效成如圖3所示.

圖3 將圓環(huán)展開

相當(dāng)于在長(zhǎng)度為2πr的矩形區(qū)域內(nèi)，有無數(shù)根長(zhǎng)度為Δr的導(dǎo)體棒源源不斷的以速度v=rω向左平行切割.以任一根導(dǎo)體與電阻所構(gòu)成的回路為研究對(duì)象如圖4所示.

圖4 導(dǎo)體棒與電阻所構(gòu)成的回路

回歸到最簡(jiǎn)單基本的單導(dǎo)體棒切割模型，即可從磁通量變化角度來解釋.此導(dǎo)體棒即為電源，電動(dòng)勢(shì)ΔE=BΔrrω，無數(shù)根導(dǎo)體棒同時(shí)切割作為電源并聯(lián)關(guān)系，不改變電動(dòng)勢(shì)，只減小內(nèi)阻，與前者討論結(jié)果一致.若將電刷間距增大，不改變定性結(jié)果，便于學(xué)生理解，不做定量計(jì)算.

3 從感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)本質(zhì)角度解釋

從微觀角度分析，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)是自由電荷在非靜電力作用下的定向移動(dòng)，如圖5所示.

圖5 自由電荷在洛倫茲力作用下定向移動(dòng)

由于圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤上的自由電子由于受到沿半徑方向的洛倫茲力而定向移動(dòng)形成電流，方向?yàn)榘霃椒较?，與前者討論結(jié)果一致.便于學(xué)生理解，此處只討論了洛倫茲力的一個(gè)分力(充當(dāng)非靜電力)，而對(duì)洛倫茲力的另一分力及自由電荷由于徑向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的科里奧利力不做討論.

4 結(jié)束語

在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過復(fù)雜物理模型的等效分解與科學(xué)推理，有效幫助了學(xué)生對(duì)法拉第圓盤發(fā)電機(jī)的深入理解.通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生積極自主進(jìn)行模型建構(gòu)、科學(xué)推理來解決生活學(xué)習(xí)中遇到的問題與困惑，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的目的[5].