加強理論修養提升教學能力

谷春生

隨著新課改的全面推開，一線教師們積極加強了科學探究問題的設計，學生探究實踐的達成，確實提升了師生的實踐能力.但筆者在聽課、交流、外出學習中，發現不少年輕教師對高中物理書本理論知識的認識有所偏差，故而有必要談一談《加強理論修養，提升教學能力》的問題，使青年教師成為外修實踐，內修理論，實踐與理論雙豐收的一代新人.

前蘇聯著名教育家馬卡連柯認為學生可以原諒教師嚴厲、刻板甚至吹毛求疵，但不能原諒他們不學無術.在新課程改革中，雖然教師的角色發生了較大的改變，但其主要工作還是教書育人，為此，作為“科學（物理學）界在課堂上的代表”，物理教師必須具備精湛的專業素養.

一般認為，教師的專業素養主要包括專業知識、專業技能和專業情意.

下面著重談一談物理教師必須具有深厚的專業知識和廣博的知識背景.物理教師應該具備的專業知識既包括物理學學科知識，也包括進行物理課堂教學所必需的教育科學知識.其中，在物理學科知識方面，物理教師應比較清楚地理解物理學的完整體系，能正確熟練地掌握物理學中的基本概念和原理，了解和掌握與物理學科相關的背景、知識、材料及物理學的發展趨勢.在教育科學知識方面，物理教師應了解并能靈活運用普通教育學、普通心理學和教育心理學等方面的知識，同時還應具有物理學科教育學、物理學科心理學、物理課程與教學論、教育測量與評價以及物理教育科研方法等領域的知識.新課程改革給中學物理教師帶來的是全方位的挑戰，這就要求物理教師“具有多元化的知識結構，不僅在知識的縱向有深度，在橫向也應有寬度”.實踐表明，在新課程改革中，物理教師只有具備深厚的專業知識和廣博的知識背景，深入領悟物理新課程理念，才可能在教學過程中得心應手，使學生充分認識科學知識的價值，從而使他們積極主動地學習、探索科學知識；才能引導學生縝密地運用物理語言、規律、思維分析解決生產、生活實際中遇到的物理（科學）問題；才能帶領學生創造性地開展探究性學習，更有效地培養具有創新精神和開拓能力的高素質人才.

下面舉出一些在高中物理教學中青年教師的誤區，通過深入剖析，以提升大家對物理學專業知識的認識.

問題磁通量發生變化，僅僅是閉合電路產生感應電流的充分不必要條件嗎？

在講授電磁學知識《電磁感應》時，人教版教材這樣描述：“只要穿過閉合導體回路的磁通量發生變化，閉合導體回路中就有感應電流”；而教科版教材描述“穿過閉合電路的磁通量發生變化時，這個閉合電路中就有感應電流產生”. 磁通量發生變化是閉合導體回路產生感應電流的什么條件？有些青年教師認為僅僅是閉合電路產生感應電流的充分條件，而不是必要條件，難道還有其他方式可以產生感應電流嗎？聽課與交流中，不少年輕教師認為：有.他們舉出的案例如下：

案例一如圖1所示，有一個足夠大的絕緣水平板面，空間存在豎直向下的有界勻強磁場，閉合金屬銅框ACMN豎直放置，其上部的一半處于磁場的外部， 上邊框焊上一個微型靈敏電流計G，現水平迅速向右平移銅框，微型靈敏電流計G指針偏轉，青年老師認為這是邊框AC切割磁感線產生的感應電流，豎直銅框的磁通量沒發生變化.所以“磁通量發生變化，僅僅是閉合電路產生感應電流的充分條件，而不是必要條件”，切割磁感線是產生的感應電流的另一個條件，到底是不是這樣的呢？

困惑釋疑請看圖2，由于銅邊框MN在有界磁場區外部，對切割磁感線無貢獻，圖1過程可以等效為圖2情景，邊框MN不動，迅速拖動下邊框AC至A′C′，則從表面上看是邊框MN切割了磁感線，但本質是穿過閉合電路的磁通量發生了變化，增加了AC C′A′的磁感線的穿過面積，從而增加了磁通量.

該情景可以按照教科書中的方式進一步簡化如圖3所示：銅邊框AC在有界勻強磁場中，邊框MN在磁場區外部，水平向右整體迅速拖動銅框.

所以回路有“部分導線切割磁感線運動”時，可以從“回路磁通量是否變化”判斷，也可從“部分切割的導線所產生的電動勢”來判斷，但根據法拉第電磁感應定律本質是穿過閉合電路的磁通量發生了變化，所以法拉第電磁感應定律廣義的存在.

案例二（源于真實探究實驗）

如圖4所示，有一個足夠大的光滑銅板水平放置，空間存在豎直向下的勻強磁場，閉合金屬銅框ACMN豎直放置，現把下邊框AC剪去，僅留下上面三根邊框，AC兩端點與銅板良好接觸， 上邊框焊上一個微型靈敏電流計G，現在銅板上水平迅速向右拖動銅框，保持銅框豎直并與銅板良好接觸并良好接通，則微型靈敏電流計G指針偏轉，青年老師認為這是邊框MN切割磁感線產生的感應電流，豎直銅框的磁通量沒發生變化，為什么會產生感應電流呢？難道切割磁感線是產生感應電流的另一個條件嗎？

困惑釋疑如圖5所示物理情景較為復雜，看著銅框ACMN沒有閉合，但實質是通過下部的水平光滑銅板組成了閉合電路，邊框MN切割磁感線，哪個平面的磁通量發生變化了呢？原來初態下虛線AC參與上部銅框組成了閉合回路，如圖5所示，運動過程中AC兩端點在銅板上滑動，直至圖中A′C′處，這里等效形成了ACC′A′至C′M′N′A′的折疊直角曲面，單看豎立平面ACMN和A′C′M′N′，穿過它們的磁通量都為零，仿佛初、末位置的磁通量沒發生變化，但穿過等效折疊直角曲面ACC′A′至C′M′N′A′的磁通量增加了，變化的面積是ACC′A′，故在折疊直角曲面ACC′A′至C′M′N′A′中產生了逆時針方向的感應電流（俯視圖），所以從本質上來講還是穿過閉合電路的磁通量發生了變化.

案例三在如圖6所示的裝置中，設N、S極中間的磁場是均勻的，矩形線圈H的平面與磁鐵AA′面平行并向下移動.有的青年教師說：“線圈的BC邊切割了磁感線，閉合的矩形線圈中應該有感應電流.”另外的則說：“通過線圈H的磁通量在線圈運動過程中沒有發生變化，所以矩形線圈中沒有感應電流.”到底哪種說法對呢？

回答是第一種說法對.因為線圈的BC邊作切割磁感線運動，產生了感應電動勢，所以閉合電路中就有感應電流.若根據穿過閉合電路的磁通量是否有變化，來判斷回路中是否有感應電流，上述結論也是對的.因為任何磁感線總是閉合的，在磁鐵外部，磁感線從N極到S極；在磁鐵的內部，磁感線是從S極到N極.當線圈向下移動時，穿過線圈的磁感線條數也增加了，如圖7所示.這說明穿過線圈的磁通量發生了變化，因而線圈中產生了感應電流.說線圈下移時，通過線圈的磁通量不變，是不符合實際情況的，所以得出的結論是錯誤的，所以本質還是穿過閉合電路的磁通量發生了變化.

案例四如圖4所示，一個很長的豎直放置的圓柱形磁鐵，產生一個中心輻射的磁場（磁場水平向外），其大小為B=k/r（其中r為距離柱軸的半徑）.設一個與磁鐵同軸的圓形鋁環，半徑為r0（大于圓柱形磁鐵的半徑），電阻為R，在磁場中由靜止開始下落，下落過程中圓環平面始終水平.試求：圓環下落的速度v時的感應電流.

根據題意：圓環所在處在磁感應強度B=k/r0，且圓環的切割速度始終與所在處的磁場垂直，所以圓環的有效切割長度為其周長，即c=2πr0，切割磁感線產生的電動勢E=BLv=2kπv，得出感應電流I=E/R=2kπv/R .

困惑得出的結論，顯然沒什么問題，但如果換個角度考慮，將會產生這樣的疑問：圓環下落到任何一個位置時，圖中所示的磁感線均與圓環平面平行，那么下落過程中穿過它的磁通量保持不變，怎么會產生感應電流呢？難道已經深入人心的產生感應電流的條件有誤？穿過圓環的磁通量真的沒有變化嗎？

判斷圓環下落過程中有無磁通量變化，首先我們要研究這個輻向磁場是如何產生的，圖中的磁感線是輻射狀的，而磁感線應該是閉合曲線，那么磁場的整體分布如何呢？

北京高考理綜試卷24題為我們找到了答案.題目是這樣的：用密度為d、電阻率為ρ、橫截面積為A的薄金屬條制成邊長為L的閉合正方形框abb′a′.如圖10所示，金屬方框水平放在磁極的狹縫間，方框平面與磁場方向平行.設勻強磁場僅存在于相對磁極之間，其他地方的磁場忽略不計.可認為方框的aa′和bb′邊都處在磁極間，極間磁感應強度大小為B.方框從靜止開始釋放，其平面在下落過程中保持水平（不計空氣阻力）.

題目的第1問是假設磁場區域在豎直方向足夠長，求方框下落的最大速度vm.

方框下落過程中，受到重力G及安培力F的作用.二力平衡時，方框達到最大速度vm.

這道試題給我們展示了輻射磁場產生的方式，只要我們把中間的磁極由方形變成圓柱形，兩側的磁極做成圓筒形圍繞在圓柱體周圍，在圓柱體和圓筒間留下縫隙，在磁極的縫隙間就可產生圖8中所示的由中心向四周輻射的磁場.我們可以大致畫出整體的磁場分布情況：

由圖11可知，狹縫間的磁感線并不是由中心為起點輻射出去的，而是在磁極內外構成閉合磁感線，由于磁極間的距離很近，磁感線可近似看作是水平的；從俯視圖中看起來，這些磁感線好像都是由中心向外輻射的.當套在中心磁極上的線圈向下運動時，磁極外部的磁感線與線圈平行，沒有引起磁通量的變化.但中心磁極內部的磁感線卻越來越密，使穿過線圈的磁通量越來越大，引起了感應電流.所以圖8中的感應電流也是由于穿過圓環的磁通量發生變化引起的，開始認為線圈在下落過程中沒有磁通量變化，只是考慮了磁場的局部，而沒有考慮磁場的整體分布情況，所以從本質上來講還是穿過閉合電路的磁通量發生了變化.

案例五高中物理教學要求中，在學習磁電式電流表的工作原理時，要遇到這種特殊的輻向磁場，如圖12所示，在兩磁極間有一個圓柱形軟鐵，由于軟鐵被磁化，在磁極和軟鐵之間就形成了沿半徑方向的輻向磁場.

其內部為均勻的輻向磁場，不管通電線圈轉到什么角度，它的平面都跟磁感線平行.線圈所在處的磁感應強度的大小都相同.

困惑若將正負接線柱用導體連接之后，用手晃動電流表.此時，線圈的兩對邊做切割磁感線的運動，產生感應電動勢，進而產生感應電流.此過程中線圈的磁通量始終不變嗎？是否可以說，在這種情況下，閉合電路的磁通量未發生改變，但產生了感應電動勢？

困惑釋疑這種理解是錯誤的.

如圖12所示，當逆時針晃動電流表線框時，線圈兩邊都切割磁感線產生感應電動勢（不抵消），根據右手定則，可判定從而產生如圖所示的感應電流.但在疑問中，閉合電路（線圈回路）的磁通量始終不變嗎？答案是否定的.在這種情況下，閉合電路的磁通量時刻發生變化，所以產生了感應電動勢，分析詳見圖13.

為了問題的簡化好理解，我們把線圈的鐵芯盡可能的縮小，若考慮線圈的鐵芯，它具有較好的導磁性，磁感線的規范畫法如圖12所示，這里圖13畫出了大致的情景.電流表中的磁極如圖13中的紅、藍色半圓所示，帶箭頭的線表示磁感線，顯然，線圈（實心紫色矩形）在圖中水平位置處穿過的磁通量為零，當線圈平面向左轉或向右轉時，在傾斜位置處穿過的磁通量不為零.

若線圈在豎直位置，穿過的磁通量是最大的.當線圈轉動時，閉合線圈的磁通量發生變化故而產生了感應電流，所以說本質還是穿過閉合電路的磁通量發生了變化.

案例六如圖14所示，一個有明顯圓形邊界的勻強磁場，圓形邊界的半徑為R，磁感應強度的大小為B，方向垂直于紙面向里，磁場隨時間均勻增加，B=kt （k>0），磁場中有一個閉合三角形金屬框架abc，試分析金屬框中有沒有感應電流？剪去邊框ac、bc，只剩下水平棒ab，問ab兩端有沒有感應電動勢？

根據法拉第電磁感應定律：ENΔΦΔt=BΔSΔt，故閉合三角形金屬框架abc中有感應電流，這種產生的是感生電動勢，進而產生了感生電流，沒有導棒切割磁感線的運動仍然能產生電磁感應現象，所以磁通量的變化才是本質.那么，有人又有疑問：剪去邊框ac、bc，只剩下水平棒ab， ab兩端有感應電動勢，又該怎樣解釋呢？

英國大物理學家麥克斯韋深入研究了電磁感應現象，根據法拉第電磁感應定律和電動勢的定義推導出：

ε=∮L旋·d=-dΦdt=-ddtL·d

積分式中S是以閉合回路L為邊界的曲面，當回路固定不變時，

ε=∮L旋·d=-St·d.

因為B即是時間的函數，又是空間變量的函數，所以這里要用偏導數.

麥克斯韋根據研究總結得出：無論有無導體或導體回路，變化的磁場都將在其周圍空間產生一種電場，這種電場的電場線是閉合的，稱為有旋電場或渦旋場.這里麥克斯韋假想了一個有界曲面，根據法拉第電磁感應定律，找到了穿過該曲面的磁通量隨時間的變化率，最終推導出了麥克斯韋方程組中的一個重要方程，這里雖然沒有了線圈實體，但某一有界曲面依然存在.這說明對應孤立的金屬棒，也要構造一個面，研究穿過這個面的磁通量隨時間的變化率，進而用偏導數，微積分求出感應電動勢，這也說明要想產生感應電動勢，本質還是穿過閉合面的磁通量發生了變化，磁通量隨時間的變化率在電磁感應現象中廣義的存在.上述問題也是構造出有界三角形abc平面進行處理的.

綜上所述，我認為磁通量發生變化，是閉合電路產生感應電流的充分而必要條件，即是閉合電路產生感應電流的充要條件；磁通量發生變化，也是電路產生感應電動勢的充要條件.所以青年教師最好應該多多專研專業知識，加強理論修養，拓寬自己對知識認識的深度和廣度，厚積而薄發，這樣才能在教學中游刃有余，漸入佳境，較快地提升教學能力.