中學物理教學中的疑難淺析

【摘 要】中學物理教材中涉及到的物理知識基本上是物理學科的基礎知識，對于從事本學科教學的物理老師而言理解起來并無多大障礙。但對于少數邊緣知識點，課本上沒有深入的解釋，學生理解起來比較困難，甚至部分老師的認識也是模糊的。因此，有必要對這些知識點進行簡單明了的闡述。

【關鍵詞】 磁場 輻向分布 原子能量狀態 環形電流 磁極

一、如何理解電流表兩磁極間的磁感線呈輻向分布

在高二物理課本《電流表的工作原理》這節中說到蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是均勻的輻向分布的，這樣才能使電流表中通過的電流與指針偏轉的角度成正比。可是，該磁場為什么呈輻向分布是一個比較費解的問題。如果認為磁感線是從電流表左邊的磁極到右邊的磁極，那么磁感線要么是平行的，要么是輻向的。可是如果是平行的則不滿足電流表對磁場的要求；如果是輻向分布的，則磁感線要從左邊磁極的上邊到右邊磁極的下邊，這樣所有的磁感線將交于轉軸這一點，這就違反了所有磁感線都不相交的基本原理，這樣的理解也是不正確的。究竟如何理解這個問題呢？其實，這確實與電流表的獨特結構有關，電流表的線圈是繞在圓柱形鐵芯上的，圓柱形鐵芯在永磁體的磁場中被磁化，形成左右兩個磁極，這兩個磁極被永磁體所包圍，并且比永磁體的磁極小。正是這樣的特殊結構成就了輻向分布的磁場。

二、如何理解穿過閉合曲面的磁通量為零

“磁通量”這個物理量在高中物理中屬于“知道”層面的物理量，是學習法拉第電磁感應定律的預備知識點。但是，只要學了這個物理量，就不能回避穿過閉合曲面的磁通量為零這個問題。這個問題在梁燦彬、秦光戎、梁竹鍵所著的《電磁學》中有明確的論述，被稱為磁場中的高斯定理，并用畢奧定律高等數學的知識進行詳細的證明。但如果給高中生講這些，學生是不會懂的。任何閉合曲面都可以等效為兩個相等的平面，磁感線在這兩個平面上一進一出，學生認為一進一出磁感線的方向相同，因此是它們的數值相加，所以不為零。其實，磁通這個物理量并不是矢量，它的正負并不表示它的方向。那磁通量的正負表示什么呢？磁通量是正的表示“進”這個面，負的則表示“出”這個面。因此，對于閉合曲面而言，磁感線在此其中一個等效平面是“進”的，磁通量為正；另一個等效平面是“出”的，磁通量為負。一正一負，磁通量的和為零。

三．如何讓學生理解原子或原子核處于不同的能量狀態

在高中物理的近代物理初步這部分知識中，都提到原子和原子核都可以處于不同的能量狀態、基態和激發態。原子和原子核處于基態和激發態所具有的能量是不同的，當原子和原子核從高激發態向低激發態或基態躍遷時以光子的形式向外輻射能量。如何讓學生正確理解基態與激發態時原子原子核的不同呢？可以用一個淺顯的比方讓學生理解，就是柴油機加油與不加油的狀態分別對應原子或原子核的激發態與基態。它們的相同點是：1. 加油與不加油的柴油機就柴油機本身而言沒有區別，只是能量狀態不同；處于激發態和基態的原子原子核就原子原子核本身而言也沒有不同，只是能量狀態不同。2. 不加油的柴油機是穩定的不能釋放能量；處于基態的原子原子核是穩定的同樣不能釋放能量。3. 加油的柴油機柴油燃燒變成無油的柴油機要釋放能量；原子原子核從激發態躍遷到基態要釋放能量。

四、如何判斷下列過程中感應電流的方向

在高中物理《電磁感應》這一章的楞次定律的應用這個知識點中常會出現下列題目：

閉合線圈abcd由位置Ⅰ經位置Ⅱ平移至位置Ⅲ，試判斷

線圈中感應電流的方向

A．始終沿abcd方向

B．始終沿adcb方向

C．先沿abcd方向，后沿adbc方向

D．先沿adcb方向，后沿abcd方向

這條題目很多學生通常會這樣理解：從位置I到位置II引起感應電流的磁場方向向上，又靠近磁體北極，因此，磁通量增加。感應電流的磁場向下，所以感應電流的方向為abcd；同理，從位置II到位置III，電流的方向為adcb。因此，得出的答案為C。其實，這題中，引起感應電流的磁通量是增加還是減少可以用極限分析法來分析：把I位置推到無窮遠的地方，穿過線圈的磁通量為零，而在II位置磁感線方向與線圈平行，穿過線圈的磁通量也為零而在中間部分磁通量向上且不為零。因此，從1位置到2位置向上的磁通量先增加后減小。因此感應電流的方向先沿abcd再沿adcb；而由II位置到III位置感應電流方向則為adcb到abcd。題目中沒有正確選項。許多資料中都是選B的這是為什么呢？原來，他們把位置I和位置II理解為在磁體的N極附近，這樣從I位置到II位置就只有向上的磁通量減小的過程，從II位置III位置則只有向下的磁通量增加的過程，因此，整個過程中感應電流的磁場都是向上的，感應電流沿adcb方向，答案為B。其實這樣的理解是不準確的。因為題目中沒有任何線圈在N極附近運動的提示，示意圖也只是定性的，也不能理解為線圈只在N極附近運動。

五、磁體都有兩個磁極，可直線電流的兩個磁極在哪里

磁體都有兩個磁極如小磁針，條形磁體，蹄形磁體以及不規則的磁體也不例外。科學家早就從理論上預言了磁單極子的存在，可是至今未發現磁單極子，也就是說，所有的磁體都有兩個磁極。被確認為磁極的位置至少應有兩個特征：1.該點在磁體周圍磁性最強。2.該點必須是磁感線進入或離開磁體的點，可是直線電流周圍的磁感線的分布是圍繞磁感線的一個個同心圓筒，周圍的任何一點都不同時滿足這兩個條件，那么直線電流這個磁體的磁極究竟在什么位置呢?為了弄清這個問題，先分析環形電流和通電螺線管的磁極。環形電流相當于小磁針，磁極在環形平面的兩側；而螺線管相當于多個環形電流的疊加，磁極當然在螺線管的兩端。從這里可以看出，凡是環形電流都是有磁極的。其實，任何電源產生的電流都可以看作環形電流。而直線電流可以看作環形電流的一小段，并不是一個完整的電流，也不是一個完整的磁體。由此可以得出結論：直線電流的磁場沒有磁極。

總之，高中物理中的知識雖屬于物理學中的基礎知識。但對于從事物理學科教學的高中物理教師而言，只有善于發現，善于解決疑難，方可在教學中立于不敗之地。

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