寻根溯源，培养核心素养 

—由两道形异质同题引发的思考

        刘竹明   周金旺

  （安徽省安庆市望江县第三中学  246200）

摘要：从两道形异质同题出发，寻根溯源，最终得出相同解法的合理性和理论依据。借此过程，培养学生的物理学科核心素养。

关键词：磁生电；感应电动势；感应电流；科学探究；科学思维    

进入21世纪，我国基础教育新课程改革有了很大的进展，从三维目标到现在的核心素养，理念理论在不断的发展、完善和创新，同时我们的课堂教学也发生了很多可喜的变化。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。高中物理学科核心素养主要包括四个方面：“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”。

对于核心素养的培养，我们主要以新授课的形式来落实，下面尝试通过习题课的形式来落实。首先我们从习题出发。

1．(多选)(2017·天津理综)在匀强磁场中，一个100匝的闭合矩形金属线圈，绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动，穿过该线圈的磁通量随时间按图示正弦规律变化。设线圈总电阻为2 Ω，则(　　)

A．t＝0时，线圈平面平行于磁感线

B．t＝1 s时，线圈中的电流改变方向

C．t＝1.5 s时，线圈中的感应电动势最大

D．一个周期内，线圈产生的热量为8π² J

[解析]　A.t＝0时，Φ＝0，故线圈平面平行于磁感线，A正确；B.线圈每经过一次中性面电流的方向改变一次，线圈经过中性面时，磁通量最大，故在t＝0.5 s、1.5 s时线圈中的电流改变方向。在t＝1 s时线圈平面平行于磁感线，线圈中的电流方向不变，B错误；C.线圈在磁场中转动，磁通量最大时，感应电动势为0，磁通量为0时，感应电动势最大，故t＝1.5 s时，感应电动势为0，C错误；D.线圈中感应电动势的最大值E_m＝nBωS＝nωΦ_m＝nT(2π)Φ_m＝100×2(2π)×0.04 V＝4π V，有效值E＝2(Em)＝2πV，故在一个周期内线圈产生的热量Q＝R(E2)T＝2(2π2)×2 J＝8π² J，D正确。

2. (2020·合肥三模)如图甲所示，串联一理想交流电流表的单匝圆形闭合导线框水平放置，半径为r、电阻为R。匀强磁场穿过线框，该磁场磁感应强度B随时间t按正弦规律变化，如图乙所示。则下列说法正确的是（　　）

A. 时线框中的感应电流最大

B. 时电流表的示数为零

C. 在内线框有收缩趋势

D. 0～T时间内导线框中产生的焦耳热为

[解析]A．时磁感应强度最大，线框中的磁通量最大，而磁通量的变化率却为零，因此感应电流也为零，故A错误；B．电流表测量有效值，所以时电流表的读数不为0，故B错误；C．在内，穿过线圈的磁通量增加，根据楞次定律可知，闭合导线框有收缩的趋势，故C正确；D．线框中产生的感应电动势的最大值

一个周期内产生的热量

故D正确；故选CD。

这两道题线框中产生的感应电动势的最大值求解都用了相同方法即Em＝nBωS.这个公式是在一个n匝的闭合矩形金属线圈在匀强磁场中绕与磁感线垂直的固定轴匀速转动时推导出来的。所以这个公式在例1情景下运用肯定可以，但在例2情景下可以运用吗？与公式Em＝nBωS推导的情景完全不同，最关键的是两种情景下感应电动势和感应电流产生的机理不同，一个是动生电动势，其非静电力与洛伦兹力有关，一个是感生电动势，其非静电力是变化磁场在空间激发的感生电场对自由电荷的作用。

关于上述质疑，我们需要追根溯源。应《哲学杂志》之约，法拉第自1821年夏开始撰写题为《电磁学的历史概要》的述评，于是他认真研究了奥斯特、安培等人的工作，阅读了大量文献，他就是从这时开始了寻求电磁感应的思考和实验探索。法拉第在1822年12月、1825年11月和1828年4月做过三次集中的实验研究，均以失败告终。原因在于，法拉第认为，既然奥斯特的实验表明有电流就会有磁场，那么有了磁场就一定会有电流。遗憾的是，他在这些实验中使用的都是恒定电流产生的磁场，看这些磁场会不会在某个电路中产生感应电流。多次尝试失败后，他并没有放弃，在1831年8月29日，他做了一个这样的实验：把两个线圈绕在同一个铁环上，一个线圈接到电源上，另一个线圈接入“电流表”，他细心的观察到，在给一个线圈通电或断电的瞬间，另一个线圈中也出现了电流。“磁生电”的现象终于被发现。

法拉第茅塞顿开，领悟到“磁生电”是在变化、运动过程中才能出现的。因此他设计并动手做了几十个实验，各种深藏不露的“磁生电”现象喷涌而出，最后法拉第把引起电流的原因概括为五类：变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。他把这类现象称为电磁感应，产生的电流叫做感应电流。

在我们学习了磁通量之后，通过实验总结出来的上述引起电流原因的五类可以更简洁明了的概括为一句话：只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就有感应电流。既然有感应电流，电路中就一定有感应电动势，如果回路没有闭合，回路中没有感应电流，但感应电动势仍然存在。

感应电动势大小跟什么有关呢？纽曼、韦伯在对理论和实验资料进行严格分析后，于1845年和1846年先后指出：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律，其表达式为E＝nΔt(ΔΦ)。

通过上述分析我们发现，不管在什么情景下产生的动生电动势或感生电动势，只要闭合回路中磁通量的变化规律相同，感应电动势的求解方法可以相同。当闭合回路中磁通量随时间是线性变化的，由法拉第电磁感应定律知，感应电动势是恒定的，从而产生的感应电流是恒定电流，如果闭合回路中磁通量随时间按照正弦规律变化的，由法拉第电磁感应定律知，闭合回路中产生的感应电动势、感应电流都是随时间按照余弦规律变化的，如果闭合回路中磁通量随时间按照余弦规律变化的，由法拉第电磁感应定律知，闭合回路中产生的感应电动势、感应电流都是随时间按照正弦规律变化的。因此不管在什么情景下产生的动生电动势或感生电动势，只要闭合回路中磁通量随时间按照正、余弦规律变化的，闭合回路中产生的感应电动势、感应电流也都是随时间按正、余弦规律变化的，所以例1和例2中感应电动势最大值求解都可以用Em＝nBωS求解，有效值都可以用E＝Em/求解。

通过上述习题解答过程合理性的探索，我们发现理解和掌握一些定律和结论对解决问题很重要，但发现定律和结论的探索过程和思考方式方法更重要，新课程改革比以往任何时候更重视核心素养的培养，更重视过程方法，科学探究过程。在我们课堂教学中再现，哪怕是口述大师们思考和研究过程，有条件的话也可以把科学家们原始的探究过程再现出来，把科学家们发现中的失败和挫折也表现出来，让学生们知道科学家也有疏忽和失误，他们是伟大的，但并不是高不可攀的。麦克斯韦曾就法拉第的著作说道“他既告诉我们成功的经验，也告诉我们不成功的经验；既告诉我们那些成熟的想法，也告诉我们那些粗糙的想法。读者的能力可能远不及他，但是感到的共鸣却常常多于钦佩，并且会引起这样一种信念：如果自己有这样的机会，也会成为一个发现者。”

通过上述习题解答过程合理性的探索，经历了质疑、科学推理、科学论证、抽象概括等过程。在一定程度上培养了科学思维能力。当然，科学思维能力的培养有多种途径，其中研究和解答习题是一种常见而又非常有效的方法。

经过寻根溯源，这里的“根”和“源”是从法拉第探索磁生电开始。法拉第经过十年艰苦探索，最终获得成功，收获了划时代的发现。回顾法拉第的一生，他在科学探究中遭遇了多次失败。在他当年的日记中，“未显示作用”“毫无反应”“不行”等词语，记录着艰苦的探索历程。几十年的经历使他在晚年感叹道:“┉┉就是最有成就的科学家，得以实现的建议、猜想、愿望和初步判断，也不到十分之一”。法拉第在一生的科学研究中不怕挫折和困难，不怕多次的失败，持之以恒，勇于探索的科学态度和精神是人类的精神财富，永远值得我们学习。

法拉第谢绝了皇家学会会长、皇家研究院院长、伦敦大学教授等职位和头衡，也不肯接受贵族爵位，把一生献给了科学事业。1867年8月25日，法拉第坐在书房的椅子上平静地离开了人世。他的学生和朋友丁铎尔在《作为一个发现者的法拉第》一书中感慨地写道:“在他的眼中，华丽的官廷和布拉顿高原上的雷雨比起来，算得了什么?皇家的一切器具和落日比较起来，又算什么?我之所以说出雷雨和落日，因为这些现象在他的心里，都可以挑起一种狂喜┉┉”。法拉第对待科学的态度是一种无比的热爱，孜孜不倦地探索着自然界的奥秘，造福人类，有很强的社会责任感，超越了人世间的名利。有人说兴趣是最好的老师，兴趣的外因或内因培养都很重要。

参考文献：

张维善.普通高中课程标准实验教科书 物理 选修3-2[M].北京市海淀区中关村南大街17号院1号楼.人民教育出版社.2010年4月第三版.