一道2021年浙江物理選考題的深度分析與實驗再現

沈忠立

（浙江省富陽中學，浙江 富陽 311400）

2021年浙江物理1月選考卷第8題選擇題，粗看本題，從涉及勻強磁場概念表象來看似乎比較直白簡單，但實質上考生在問題分析時猶如“看山似山，又有看山不是山”的感覺.歸根到底對問題雖知其然，而未必知其所以然.究其原因，學生頭腦中僅僅只知道了勻強磁場概念表象，缺少對該概念在頭腦中建立過程和提煉升華的思維過程，即通電螺線管中的磁場是如何形成的，勻強磁場的模型是如何構建起來的，要形成勻強磁場需滿足怎樣的條件.基于上述問題，筆者從以下幾個方面分析，為今后的物理教學有所啟迪和深思.

1 原題呈現

例題.（2021年浙江物理1月選考卷第8題）如圖1所示是通有恒定電流的環形線圈和螺線管的磁感線分布圖.若通電螺線管是密繞的，下列說法正確的是

圖1

（A）電流越大，內部的磁場越接近勻強磁場.

（B）螺線管越長，內部的磁場越接近勻強磁場.

（C）螺線管直徑越大，內部的磁場越接近勻強磁場.

（D）磁感線畫得越密，內部的磁場越接近勻強磁場.

2 核心素養

本題雖然考查的是關于磁場中的勻強磁場概念，實質是考查通電螺線管中的勻強磁場是如何形成的，以及形成勻強磁場要滿足怎樣的條件.該題其實在建立勻強磁場模型能力的要求上是挺高的.該試題的命制較好地體現了物理學科的核心素養，因此解決該問題需要學生具備如下的物理核心素養：勻強磁場物質觀的建立、通過理論分析構建勻強磁場模型觀、并通過實驗探究出勻強磁場的形成的條件（表1）.

表1 考查知識與核心素養

3 深度分析

核心素養的培養需要通過深度學習培養，學生獲得的物理學科核心科素養反過來又能很好地促進深度思維和學習.本題所涉及知識本身似乎簡單，但其涉及的物理觀念是深刻的；考生不僅要知道勻強磁場的概念，更要從本質上去認識勻強磁場是如何形成，物理模型又是如何建立起來.若平時不經過深度學習和實驗的探究體驗，僅僅從圖中給出的信息來看結果是很唐突，定然難定奪，更會使考生對所呈現選項的判斷如同“看山似山，又有看山不是山”的感覺.于是筆者先從理論上去深度探究通電線圈中的勻強磁場是如何形成的及形成的條件，進而構建其物理模型.

（1）理論探究1：單匝載流線圈軸線上磁場的分布.

圖2

圖3

圖4

（2）理論探究2：通電螺線管軸線上的磁場的分布

圖5

圖6

4 實驗再現

物理是一門以實驗為基礎的學科，很多理論都要經得起實驗的檢驗.于是筆者試圖通過鐵粉模擬和通過磁傳感器探究螺線管內部磁場分布情況.

筆者安排如下實驗流程.

實驗目的.磁傳感器測量通電螺線管內部的磁場強度，并描繪出螺線管管內部的磁場強弱分布情況

實驗器材.磁傳感器，學生電源，粗細長短不同的密繞螺線管，電腦.

（1）磁傳感器.如圖7所示，磁傳感器把磁感應強度變成電信號，通過計算機對磁場進行研究.

圖7

（2）螺線管.如圖8所示，粗細長短不同的密繞螺線管.

圖8

探究過程.把探頭深入螺線管內部，測量螺線管內部軸線上不同位置的磁感應強度，再通過計算機可以很快采集到不同位置的磁感應強度大小，作出磁感應強度B與探頭位置x的關系曲線.

實驗探究1：線圈中通一定大小的電流，通過磁傳感器得到如表1所示的數據，繪制出如圖9所示的磁感應強度B與探頭位置x的關系曲線.

圖9

表1 探究磁感應強度B與探頭位置x的關系曲線

實驗結果1：探頭在線圈內部軸線上3.50 cm到5.50 cm的區域內磁感應強度大小幾乎不變，約為1.65 m T（因通電螺線管內的磁感應強度較小，在軸線上移動時會受到外界的數據擾動）.

實驗探究2：增大線圈中的電流，為實驗1中2倍.通過磁傳感器得到如表2所示的數據，繪制出如圖10所示的磁感應強度B與探頭位置x的關系曲線.

圖10

表2 增大線圈中的電流

實驗結果2：增加線圈電流，探頭在線圈內部軸線上3.50 cm到5.50 cm的區域內磁感應強度大小幾乎不變，說明通電線圈內勻強磁場的存在區域長度與電流大小無關.

實驗探究3：線圈長度實驗2相同，但線圈直徑變大.通過磁傳感器得到如表3所示的數據，繪制出如圖11所示的磁感應強度B與探頭位置x的關系曲線.

圖11

表3 增大線圈直徑

實驗結果3：線圈中長度不變，但增大線圈直徑，探頭在線圈內部軸線上3.50 cm到5.50 cm的區域內磁感應強大小幾乎不變，說明通電線圈內勻強磁場的存在區域區域長度與線圈直徑大小無關.

實驗探究4：線圈長度變短，但線圈直徑不變.通過磁傳感器得到如表4所示的數據，繪制出如圖12所示的磁感應強度B與探頭位置x的關系曲線.

表4 改變線圈長度

實驗結果4：線圈直徑不變，線圈長度變短，探頭在線圈內部磁感應強度變得不均勻，說明通電線圈內勻強磁場的存在區域區域長度與線圈長短有關.

通過理論分析與實驗探究表明，只有當密繞的螺線管足夠長時其軸線上的磁場是均勻的，與線圈的直徑、通過的電流大小、匝數的多少無關.

5 應用拓展

（1）亥姆霍茲線圈.如圖13所示，如有一對相同的載流線圈彼此平行且共軸，通以同方向電流，當線圈間距等于線圈的半徑時，在軸中間區域的磁場也是勻強磁場，這種儀器裝置在電子儀器中常叫亥姆霍茲線圈.

圖13

（2）在生產和科學研究中往往需要把樣品放在勻強磁場中進行測試，當需要的磁場不太強時，由于亥姆霍茲線圈具有開敞性質，很容易地可以將其它實驗儀器或樣品置入或移出，使用比較方便.如圖14和15所示為演示電子在勻強磁場中的運動軌跡.

圖14

圖15

6 結束語

通過對該問題的深度分析，筆者感受頗深.物理課堂教學不僅僅把概念與規律等知識教給學生就可，更多的是要給予學生有思維的空間與實驗探究的機會，通過科學思維建立概念形成規律，并能在學生頭腦中建立和提煉升華形成觀念和能力，獲得物理素養，提高學生深度學習水平，進而能很好的促進教師有效教學.