对一道电磁感应高考题的科学性探究

龚湘萍 陈礼生

摘 要 通过本文高考题的教学和讨论，虽然给我们的感觉是作为高考题好像缺乏科学严密性，作为复习教学选题又很不好处理，但是通过这段题的分析讨论和多层次辨析，不仅可以端正学生的科学态度，而且可以培养学生不迷信权威和敢于作出正确的决断的能力，可以使学生思维严谨，形成发散思维，增强创新能力，提供学生的物理核心素养。

关键词 电磁感应 高考题的科学

中图分类号：G632文献标识码：A

高考原题：如图所示，两条平行的光滑金属导轨所在平面与水平面的夹角为 ，间距为d。导轨处于匀强磁场中，磁感应强度大小为B，方向与导轨平面垂直。质量为m的金属棒被固定在导轨上，距底端的距离为s，导轨与外接电源相连，使金属棒通有电流。金属棒被松开后，以加速度a沿导轨匀加速下滑，金属棒中的电流始终保持恒定，重力加速度为g。求下滑到底端的过程中，金属棒

（1）末速度的大小;

（2）通过的电流大小I;

（3）通过的电荷量Q。

这是2018年高考江苏卷第21题，在高三物理复习过程中遇到这道题时，给学生进行讲解时给老师带来了不少困惑，因此笔者对该题的解答、命题立意和科学性探究分析如下，以供广大同行一起商榷。

原题解答：（1）匀加速直线运动，解得。

（2）安培力，金属棒所受合力。

牛顿运动定律

解得

（3）运动时间，电荷量

解得

命题立意：原题的立意是设定金属棒中的电流恒定，金属棒匀加速下滑，没有给出电路的电阻，且设问要求计算的量都不涉及到因为时间的积累而引起变化的物理量，故作为一个题目的特定条件或者引申为一个特别的“理想化模型”也都能够说得过去，只要不去考虑物理过程的内在机理，题目还是正确的。

问题讨论：但在实际教学过程中，金属棒做匀加速下滑，随时间的积累速度会增大，而金属棒在磁场中做切割磁感线运动，必然要产生感应电动势，根据右手定则可知，此电动势比为反电动势，即与外接电源产生电流的方向相反，故合电动势减小，将会引起电路中的电流减小，电路中的电流减小，使金属棒受到的安培力减小，则金属棒的合外力增大，金属棒将做变加速运动，如此循环下去，所有变化趋势都是否定题设条件的，在教学过程中很难对学生给出合理的解释，因此在实际教学中只能顺势引导学生开展如下问题讨论：（1）为了满足通过金属棒的电流恒定，必须保证电路中的合电动势不变，怎样才能保证电路中的合电动势不变？（2）为了满足金属棒匀加速下滑，必须满足金属棒所受合外力保持不变，在安培力减小的情况下，怎样保持合外力不变？如此操作金属棒还是不是自然松开？（3）计算通过金属棒的电荷量时，根据定义式求解是适应任何情况的，但如果电路中的电流不是恒定的，甚至不是均匀变化的，那么究竟是按照定义式计算还是按照法拉第电磁感应定律推导得出的来计算更合适呢？（4）如果问题的解答过程要涉及到电路的电阻，那应该怎样设定电路的电阻呢？

笔者在实际教学讨论当中也得出了以下的讨论结果：（1）为了保证电路中的合电动势不变，可以提供电动势均匀增大的外接电源;（2）为了保证金属棒所受合外力保持不变，可以提供一个均匀变化的沿导轨向上的外力，但金属棒不再自然松开;（3）考虑到计算电荷量可以用平均感应电动势的特殊性及电流的变化随时间的积累性，计算电荷量还是用更为合理;（4）如果考虑电路中的电流恒定，金属棒切割磁感线产生反电动势，电路中的合电动势减小，故电路中的电阻应该减小，随金属棒的下滑，接入电路中的导轨长度变大，电阻只能变大而不能变小，故最好还是设定导轨的电阻不计，整个电路的电阻恒定。

科学探究：由以上问题讨论可知，要找到一个电动势随时间增大的电源或者随时间减小沿导轨向上的外力都很难，而且起始值又该如何设定呢？考虑要计算通过金属棒的电荷量，题目中可以计算闭合电路增大的面积，更为合理的是设定电路的电阻。其中增加一个沿导轨向上的外力就一定要改变题目自由松开金属棒的命题立意，设定电路的电阻只是改变求解通过金属棒的电荷量的思维方向，对整个命题立意没有影响，因此要解决问题的唯一出路只能是给出一个随时间均匀增大的外接电源。然而这项工作在考生解题过程中是无法解决的，在学生复习和老师的教学过程中也不好解决，因此，这就要求高考命题必须严格遵循科学性原则，题设条件必须经得起严密的逻辑推敲，否则，作为一道高考题就失去了考查学生能力功用和对后续复习的指导性。

教学反思：通过这道高考题的教学和讨论，虽然给我們的感觉是作为高考题好像缺乏科学严密性，作为复习教学选题又很不好处理，但是通过这段题的分析讨论和多层次辨析，不仅可以端正学生的科学态度，而且可以培养学生不迷信权威和敢于作出正确的决断的能力，可以使学生思维严谨，形成发散思维，增强创新能力，提供学生的物理核心素养。