关于法拉第电磁感应定律的回顾和解读——由近3年高考物理全国Ⅰ卷相关题目的讨论分析

高东梁 朱伊尼 高 雷

(苏州大学物理科学与技术学院,江苏 苏州 215006)

法拉第电磁感应定律既紧密联系了电场、磁场和电流,又为后续学习交变电流、电感和电磁辐射打下基础．可以说该定律是电磁学的核心内容,也是高中物理教学的重点内容之一,对学生建立物理概念的基本框架起着至关重要的作用．

2018年、2019年和2020年高考物理全国Ⅰ卷的相关选择题主要考察了学生对法拉第电磁感应定律的理解和应用．这些考题将导体转动或运动切割磁感线所产生的动生电动势和磁场变化对应的感应电动势有机结合,同时考察楞次定律、磁通量和电荷量等电磁学基本概念;考题取之于教材中经典情景,但又结合多个物理概念进行创新,注重考察学生对基本物理概念、基本物理规律的正确理解．下面我们以这些考题为例,解析和探究法拉第电磁感应定律在物理教学中的应用与启示．

图1 2018年高考物理全国Ⅰ卷第17题图

解析:本题主要考察法拉第电磁感应定律,以及磁通量、通过导体横截面的电荷量等相关知识点．其中法拉第电磁感应定律在普通高等学校招生全国统一考试大纲[1]中属于必考内容范围的Ⅱ类要求,即要求学生掌握的程度为:理解其确切含义及与其他知识的联系,能够进行叙述和解释,并能在实际问题的分析、综合、推理和判断等过程中运用．

例2.(2019年高考物理全国Ⅰ卷第20题)空间存在一方向与纸面垂直、大小随时间变化的匀强磁场,其边界如图2(a)中虚线MN所示,一硬质细导线的电阻率为ρ、横截面积为S,将该导线做成半径为r的圆环固定在纸面内,圆心O在MN上．t=0时磁感应强度的方向如图2(a)所示:磁感应强度B随时间t的变化关系如图2(b)所示,则在t=0到t=t1的时间间隔内

图2 2019年高考物理全国Ⅰ卷第20题图

(A) 圆环所受安培力的方向始终不变.

(B) 圆环中的感应电流始终沿顺时针方向.

解析:本题综合考察楞次定律、安培定则、闭合电路欧姆定律及法拉第电磁感应定律的相关知识点．其中楞次定律在普通高等学校招生全国统一考试大纲[1]中属于必考内容范围的Ⅱ类要求,即要求学生不仅能理解楞次定律的本质,还能应用楞次定律解决实际问题,达到对楞次定律的熟练掌握．

例3.(2020年高考理科综合全国Ⅰ卷第21题)如图3,U形光滑金属框abcd置于水平绝缘平台上,ab和dc边平行,和bc边垂直．ab、dc足够长,整个金属框电阻可忽略．一根具有一定电阻的导体棒MN置于金属框上,用水平恒力F向右拉动金属框,运动过程中,装置始终处于竖直向下的匀强磁场中,MN与金属框保持良好接触,且与bc边保持平行．经过一段时间后

图3 2020年高考理科综合全国Ⅰ卷第21题图

(A) 金属框的速度大小趋于恒定值.

(B) 金属框的加速度大小趋于恒定值.

(C) 导体棒所受安培力的大小趋于恒定值.

(D) 导体棒到金属框bc边的距离趋于恒定值.

解析:本题主要考察法拉第电磁感应定律和安培力的相关知识点,将电磁感应现象与牛顿第二定律相结合,考查学生对安培力作用下导体棒运动趋势的判断．法拉第电磁感应定律和牛顿运动定律在普通高等学校招生全国统一考试大纲[1]中均属于必考内容范围的Ⅱ类要求,本题将二者结合,考察学生对知识点的掌握情况的同时,对学生的分析综合能力进行考察．普通高等学校招生全国统一考试大纲中要求考生具备能够独立地对所遇到的问题进行具体分析、研究,弄清其中的物理状态、物理过程和物理情境,找出起重要作用的因素及有关条件的能力．

综上可得,金属框的加速度趋于恒定值,安培力也趋于恒定值．金属框的速度始终大于导体棒MN的速度,因此导体棒到金属框bc边的距离也会一直增大．所以答案为(B)、(C)．

从近三年的高考物理题来看,考题的物理情景都是结合电磁感应现象的几类经典情况,综合考察学生对法拉第电磁感应定律的理解和运用．人教版教材中对法拉第电磁感应定律的描述为:闭合电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比．[2]用公式可表示为:感应电动势E=ΔΦ/Δt．物理教师们可以借助教学仪器或自制教具，对该定律进行定量探索实验.[3，4]下面我们来简单回顾和探讨一下法拉第电磁感应定律所对应的几种常见情况．在奥斯特发现电流的磁效应后,法拉第终于在1831年通过一系列实验发现了电磁感应现象,其实验可以归纳为以下3种情况(如图4).

图4 电磁感应的3种典型实验

从这3种实验中,很容易看出实验Ⅰ中线圈切割磁感线的运动产生动生电动势,而实验Ⅲ中磁场变化对应感应电动势．对于实验Ⅱ,可能有同学或老师会简单地认为实验Ⅱ本质上只不过是和实验Ⅰ中的一样,是线圈和磁场的相对运动产生了电动势．但是大家要注意到,狭义相对论于1905年才由爱因斯坦首次提出,在这之前人们根本不会用相对论来联系这两种实验．对于和磁场保持静止的参照系,观察者会认为线圈切割磁感线运动产生动生电动势;而对于和线圈保持静止的参照系,观察者会认为线圈不动,是变化的磁场引起了感应电动势．尽管在不同参照系所产生的两种物理解释大为不同,但是它们都可以用法拉第电磁感应定律的公式来描述．事实上,正是在对这个问题的深入思考上,爱因斯坦才由此提出了狭义相对论．[5]他认为一切物理规律(包括电磁规律)在所有的惯性参考系中都是相同的．把感应电动势分为动生电动势和感生电动势只有一定程度的相对意义,[6]即在某一个参考系中的动生电动势也有可能在另外一个参考系中是感生电动势．