關于法拉第電磁感應定律的回顧和解讀
——由近3年高考物理全國Ⅰ卷相關題目的討論分析

高東梁 朱伊尼 高 雷

(蘇州大學物理科學與技術學院,江蘇 蘇州 215006)

法拉第電磁感應定律既緊密聯系了電場、磁場和電流,又為后續學習交變電流、電感和電磁輻射打下基礎．可以說該定律是電磁學的核心內容,也是高中物理教學的重點內容之一,對學生建立物理概念的基本框架起著至關重要的作用．

2018年、2019年和2020年高考物理全國Ⅰ卷的相關選擇題主要考察了學生對法拉第電磁感應定律的理解和應用．這些考題將導體轉動或運動切割磁感線所產生的動生電動勢和磁場變化對應的感應電動勢有機結合,同時考察楞次定律、磁通量和電荷量等電磁學基本概念;考題取之于教材中經典情景,但又結合多個物理概念進行創新,注重考察學生對基本物理概念、基本物理規律的正確理解．下面我們以這些考題為例,解析和探究法拉第電磁感應定律在物理教學中的應用與啟示．

圖1 2018年高考物理全國Ⅰ卷第17題圖

解析:本題主要考察法拉第電磁感應定律,以及磁通量、通過導體橫截面的電荷量等相關知識點．其中法拉第電磁感應定律在普通高等學校招生全國統一考試大綱[1]中屬于必考內容范圍的Ⅱ類要求,即要求學生掌握的程度為:理解其確切含義及與其他知識的聯系,能夠進行敘述和解釋,并能在實際問題的分析、綜合、推理和判斷等過程中運用．

例2.(2019年高考物理全國Ⅰ卷第20題)空間存在一方向與紙面垂直、大小隨時間變化的勻強磁場,其邊界如圖2(a)中虛線MN所示,一硬質細導線的電阻率為ρ、橫截面積為S,將該導線做成半徑為r的圓環固定在紙面內,圓心O在MN上．t=0時磁感應強度的方向如圖2(a)所示:磁感應強度B隨時間t的變化關系如圖2(b)所示,則在t=0到t=t1的時間間隔內

圖2 2019年高考物理全國Ⅰ卷第20題圖

(A) 圓環所受安培力的方向始終不變.

(B) 圓環中的感應電流始終沿順時針方向.

解析:本題綜合考察楞次定律、安培定則、閉合電路歐姆定律及法拉第電磁感應定律的相關知識點．其中楞次定律在普通高等學校招生全國統一考試大綱[1]中屬于必考內容范圍的Ⅱ類要求,即要求學生不僅能理解楞次定律的本質,還能應用楞次定律解決實際問題,達到對楞次定律的熟練掌握．

例3.(2020年高考理科綜合全國Ⅰ卷第21題)如圖3,U形光滑金屬框abcd置于水平絕緣平臺上,ab和dc邊平行,和bc邊垂直．ab、dc足夠長,整個金屬框電阻可忽略．一根具有一定電阻的導體棒MN置于金屬框上,用水平恒力F向右拉動金屬框,運動過程中,裝置始終處于豎直向下的勻強磁場中,MN與金屬框保持良好接觸,且與bc邊保持平行．經過一段時間后

圖3 2020年高考理科綜合全國Ⅰ卷第21題圖

(A) 金屬框的速度大小趨于恒定值.

(B) 金屬框的加速度大小趨于恒定值.

(C) 導體棒所受安培力的大小趨于恒定值.

(D) 導體棒到金屬框bc邊的距離趨于恒定值.

解析:本題主要考察法拉第電磁感應定律和安培力的相關知識點,將電磁感應現象與牛頓第二定律相結合,考查學生對安培力作用下導體棒運動趨勢的判斷．法拉第電磁感應定律和牛頓運動定律在普通高等學校招生全國統一考試大綱[1]中均屬于必考內容范圍的Ⅱ類要求,本題將二者結合,考察學生對知識點的掌握情況的同時,對學生的分析綜合能力進行考察．普通高等學校招生全國統一考試大綱中要求考生具備能夠獨立地對所遇到的問題進行具體分析、研究,弄清其中的物理狀態、物理過程和物理情境,找出起重要作用的因素及有關條件的能力．

綜上可得,金屬框的加速度趨于恒定值,安培力也趨于恒定值．金屬框的速度始終大于導體棒MN的速度,因此導體棒到金屬框bc邊的距離也會一直增大．所以答案為(B)、(C)．

從近三年的高考物理題來看,考題的物理情景都是結合電磁感應現象的幾類經典情況,綜合考察學生對法拉第電磁感應定律的理解和運用．人教版教材中對法拉第電磁感應定律的描述為:閉合電路中感應電動勢的大小,跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比．[2]用公式可表示為:感應電動勢E=ΔΦ/Δt．物理教師們可以借助教學儀器或自制教具，對該定律進行定量探索實驗.[3，4]下面我們來簡單回顧和探討一下法拉第電磁感應定律所對應的幾種常見情況．在奧斯特發現電流的磁效應后,法拉第終于在1831年通過一系列實驗發現了電磁感應現象,其實驗可以歸納為以下3種情況(如圖4).

圖4 電磁感應的3種典型實驗

從這3種實驗中,很容易看出實驗Ⅰ中線圈切割磁感線的運動產生動生電動勢,而實驗Ⅲ中磁場變化對應感應電動勢．對于實驗Ⅱ,可能有同學或老師會簡單地認為實驗Ⅱ本質上只不過是和實驗Ⅰ中的一樣,是線圈和磁場的相對運動產生了電動勢．但是大家要注意到,狹義相對論于1905年才由愛因斯坦首次提出,在這之前人們根本不會用相對論來聯系這兩種實驗．對于和磁場保持靜止的參照系,觀察者會認為線圈切割磁感線運動產生動生電動勢;而對于和線圈保持靜止的參照系,觀察者會認為線圈不動,是變化的磁場引起了感應電動勢．盡管在不同參照系所產生的兩種物理解釋大為不同,但是它們都可以用法拉第電磁感應定律的公式來描述．事實上,正是在對這個問題的深入思考上,愛因斯坦才由此提出了狹義相對論．[5]他認為一切物理規律(包括電磁規律)在所有的慣性參考系中都是相同的．把感應電動勢分為動生電動勢和感生電動勢只有一定程度的相對意義,[6]即在某一個參考系中的動生電動勢也有可能在另外一個參考系中是感生電動勢．