摘 要：以物理情境為載體考查學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)是高考命題的重要趨勢(shì)，而學(xué)生往往缺乏把理論知識(shí)與實(shí)際情境相聯(lián)系的意識(shí)，同時(shí)，建構(gòu)物理模型、推理論證的關(guān)鍵能力也不足.筆者以電磁感應(yīng)規(guī)律應(yīng)用為例，改編試題，通過設(shè)置多個(gè)問題，展開具體情境試題的教學(xué)實(shí)踐.

關(guān)鍵詞：高中物理；情境試題；電磁感應(yīng)

中圖分類號(hào)：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號(hào)：1008-0333（2024）34-0107-03

收稿日期：2024-09-05

作者簡(jiǎn)介：于子童（1994—），女，吉林省舒蘭人，碩士，中級(jí)教師，從事高中物理教學(xué)研究.

在應(yīng)試教育的背景下，教師往往重視知識(shí)和原理的教學(xué)，甚至強(qiáng)調(diào)死記硬背的學(xué)習(xí)方式[1]，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力.物理情境試題不僅考查學(xué)生對(duì)物理概念、物理規(guī)律的理解能力，還考查學(xué)生根據(jù)已知條件對(duì)問題進(jìn)行邏輯推理能力及分析綜合能力.電磁感應(yīng)現(xiàn)象在我國(guó)現(xiàn)代科技中常常應(yīng)用，也是高考物理的一個(gè)熱點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的思維能力和綜合能力要求較高.因此在高三備考中，教師應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生多視角延伸與反思拓展，進(jìn)一步通過發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題及解決問題，提高學(xué)生的綜合能力.

1 試題呈現(xiàn)

如圖1所示，真空管道高速列車技術(shù)將磁懸浮列車置于一個(gè)在與外部空氣隔絕的管道內(nèi)運(yùn)行，因?yàn)檎婵展艿栏咚倭熊嚲邆渌俣雀?、能耗低、噪聲小、安全性高等特點(diǎn)，所以是未來交通發(fā)展的一大方向.真空管道高速列車的動(dòng)力系統(tǒng)是一種將電能轉(zhuǎn)換成平動(dòng)動(dòng)能的裝置.圖2是某種動(dòng)力系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，圖中實(shí)線表示固定在水平面上間距為l的兩條平行光滑金屬導(dǎo)軌，電阻忽略不計(jì)，ab和cd是兩根與導(dǎo)軌垂直，長(zhǎng)度均為l，電阻均為R的金屬棒，通過絕緣材料固定在列車底部，并與導(dǎo)軌良好接觸，其間距也為l，列車的總質(zhì)量為m.列車啟動(dòng)前，ab、cd處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)軌平面向下，為使列車啟動(dòng)，需在陰影處加上垂直于導(dǎo)軌平面的變化磁場(chǎng)，磁場(chǎng)邊界為半徑為r的圓，導(dǎo)線為單匝且電阻忽略不計(jì)，列車啟動(dòng)后撤去變化磁場(chǎng).

問題1 若閉合開關(guān)并在陰影處加如圖3所示的變化磁場(chǎng)，要使列車向右運(yùn)行.圖3 變化的磁場(chǎng)

①請(qǐng)分析陰影部分磁場(chǎng)的方向.

②分析列車運(yùn)動(dòng)情況.

③若t0時(shí)刻前列車已達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)，速度大小為多少？

問題2 斷開開關(guān)后，列車行駛過程中在某段軌道處有一塊如圖4所示勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，其邊界滿足y=lsinπl(wèi)x（0SymbolcB@xSymbolcB@1），若列車以速度v0勻速通過該區(qū)域，求此過程中金屬棒ab中產(chǎn)生的熱量.

問題3 列車減速時(shí)，需在前方設(shè)置如圖5所示的一系列磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，磁場(chǎng)寬度和相鄰磁場(chǎng)間距均大于l.若某時(shí)刻列車的速度為v0，此時(shí)ab、cd均在無磁場(chǎng)區(qū)域，試討論：要使列車停下來，前方至少需要多少塊這樣的有界磁場(chǎng)？

2 試題分析本題以磁懸浮列車為情境，全面考查學(xué)生對(duì)動(dòng)力學(xué)、電路、能量及動(dòng)量等物理知識(shí)的理解，體現(xiàn)了科學(xué)思維中的理想化模型的構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證等素養(yǎng).試題分3個(gè)問題，覆蓋了電磁感應(yīng)中的重要內(nèi)容，并有一定的難度，層層遞進(jìn)，非常適合高三二輪復(fù)習(xí)[2]

解決這類問題最重要的是如何把情境化題目轉(zhuǎn)化為理想化模型進(jìn)行研究，并且還要注意有哪些理想化條件.圖2是圖1的理想化模型，abcd相當(dāng)于列車，兩根實(shí)線相當(dāng)于導(dǎo)軌，還有導(dǎo)軌光滑、電阻不計(jì)等理想化條件.2.1 問題1分析

列車之所以向右運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)槭艿搅Φ淖饔茫@個(gè)力就是安培力.根據(jù)左手定則判斷出感應(yīng)電流的方向，再根據(jù)楞次定律，磁場(chǎng)在均勻減小，產(chǎn)生同方向的電流，因此陰影部分磁場(chǎng)方向垂直導(dǎo)軌向里.

分析列車的運(yùn)動(dòng)情況，讓學(xué)生提出結(jié)論并分析理由，經(jīng)過課堂實(shí)踐，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為列車做的運(yùn)動(dòng)是勻加速運(yùn)動(dòng)，誤區(qū)在于認(rèn)為電路中只有一個(gè)電源，但實(shí)際上除了變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的感生電源外，還有兩個(gè)動(dòng)生電源，此動(dòng)生電源是由于列車運(yùn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生的.此問涉及安培力的變化情況，即電流的變化問題，因此就是電路問題.解決電路問題應(yīng)該畫出等效電路圖來進(jìn)行分析更方便直觀.如圖6，感生電動(dòng)勢(shì)是恒定的，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)是逐漸增加的并與感生電動(dòng)勢(shì)是相互減弱的.回路中的總電流是逐漸減小的，因此所受的安培力逐漸減小，所以列車做的是加速度減小的加速運(yùn)動(dòng).

當(dāng)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)等于感生電動(dòng)勢(shì)，即B0t0πr2=Blvm時(shí) ，回路中沒有電流，沒有安培力，此時(shí)列車達(dá)到最大速度，解得最大速度vm=B0πr2t0Bl，然后勻速運(yùn)動(dòng)下去.

點(diǎn)評(píng) 問題1通過分析列車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)習(xí)電磁感應(yīng)中的兩大類型——感生和動(dòng)生，并讓學(xué)生體會(huì)動(dòng)力學(xué)、電路問題的分析方法，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力.2.2 問題2分析列車勻速向右運(yùn)動(dòng)通過磁場(chǎng)，導(dǎo)體棒切割的有效長(zhǎng)度成正弦式函數(shù)變化，因此產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)是正弦式交流電，即E=Byv0=Bv0lsinπl(wèi)x，可以計(jì)算出電動(dòng)勢(shì)、電流的有效值為分別為E=Blv02和I=Bv0l22R，勻速通過的時(shí)間為t=2lv0，金屬棒ab中產(chǎn)生的熱量Qab=I2Rt=B2v0l34R.

點(diǎn)評(píng) 電磁感應(yīng)中焦耳熱的計(jì)算一般有兩種思路：（1）當(dāng)電流恒定時(shí)，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt求解；（2）當(dāng)電流變化時(shí)，用以下方法分析：①利用動(dòng)能定理，求出克服安培力做的功W安，回路中產(chǎn)生的焦耳熱等于克服安培力所做的功，即Q總=W安.②利用能量守恒，焦耳熱與其他形式能量的總和保持不變[3].問題2中焦耳熱的計(jì)算按照第一種思路進(jìn)行，注意對(duì)于正弦交流電，計(jì)算焦耳熱時(shí)用電流的有效值.

2.3 問題3分析

列車依次經(jīng)過不相連的若干個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域最終停下來，求需要多少塊這樣的有界磁場(chǎng)才能達(dá)到這樣的運(yùn)動(dòng)效果？首先分析經(jīng)過第一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)它的運(yùn)動(dòng)情況，金屬框在進(jìn)入第一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的過程中磁通量是增大的，所以會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)入的過程只有cd棒在磁場(chǎng)中會(huì)受到安培力，安培力是阻力，在這個(gè)安培力的作用下列車將做加速度減小的減速運(yùn)動(dòng).因?yàn)榇艌?chǎng)寬度大于l，全部進(jìn)入磁場(chǎng)中磁通量無變化，無感應(yīng)電流，不受安培力，做勻速運(yùn)動(dòng).同理線框出磁場(chǎng)時(shí)有感應(yīng)電流，只有ab棒在磁場(chǎng)中受安培力，繼續(xù)做加速度減小的減速運(yùn)動(dòng)，在無磁場(chǎng)中不受力做勻速運(yùn)動(dòng).線框每次進(jìn)出磁場(chǎng)只有一個(gè)導(dǎo)體棒受到安培力，并做加速度減小的減速運(yùn)動(dòng).一進(jìn)一出，一進(jìn)一出，進(jìn)出交替，最終速度減小到零.

我們可以認(rèn)為列車在每次進(jìn)出磁場(chǎng)的過程是一個(gè)短暫的過程，也就是用微元法的思想把每一個(gè)電磁感應(yīng)過程看成是一個(gè)微元，設(shè)第一次完全進(jìn)入磁場(chǎng)減速后的速度為v1，第一次完全出磁場(chǎng)速度為v2；第二次完全進(jìn)入磁場(chǎng)的減速后的速度為v3，第二次完全出磁場(chǎng)速度為v4，依次類推如圖7，最終速度減小為0，看成n個(gè)微元過程，對(duì)每個(gè)過程列動(dòng)量定理.用類似于數(shù)學(xué)中累加法求數(shù)列通項(xiàng)公式把n個(gè)微元過程相加，中間過程的動(dòng)量就會(huì)消掉，只剩初末動(dòng)量，等式左邊整理為-Bl與總的電荷量的乘積.在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，每次通過矩形磁場(chǎng)回路中的電荷量都相同，就等于磁通量的變化量除以整個(gè)回路當(dāng)中的總電阻.我們假設(shè)進(jìn)出磁場(chǎng)的個(gè)數(shù)一共有n次，總的電荷量其實(shí)跟磁場(chǎng)的個(gè)數(shù)有關(guān).具體過程如圖8所示（書寫過程時(shí)微元法推導(dǎo)過程可省略）點(diǎn)評(píng) 問題3列車在電磁感應(yīng)過程中做變加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律和能量觀點(diǎn)不能解決問題，可運(yùn)用動(dòng)量定理巧妙解答.

3 結(jié)束語(yǔ)

把物理情境轉(zhuǎn)化為理想化模型是解決物理問題的關(guān)鍵，正確提取理想化條件是新高考對(duì)考生的必然要求.通過本次案例的教學(xué)實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)新課堂教學(xué)有助于學(xué)生構(gòu)建物理模型、培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)習(xí)慣以及核心素養(yǎng)的落實(shí).在課堂上讓學(xué)生分析，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，加深印象，深化理解，有助于學(xué)生形成正確的物理觀念，順利解決物理實(shí)際問題.

參考文獻(xiàn)：

［1］于永建.解讀2017考綱修訂應(yīng)對(duì)物理高考變化：基于學(xué)科核心素養(yǎng)的物理高考命題與備考研究[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016（11）：3.

[2] 李紅偉.強(qiáng)化高考試題研究 促進(jìn)思維能力提升[J].教學(xué)考試，2021（22）：4.

[3] 劉滿懷.例談高中物理粵教版欄目功能利用和開發(fā)：以電磁感應(yīng)為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017（12X）：3.

［責(zé)任編輯：李 璟］