一道2021年浙江物理选考题的深度分析与实验再现

沈忠立

（浙江省富阳中学，浙江 富阳 311400）

2021年浙江物理1月选考卷第8题选择题，粗看本题，从涉及匀强磁场概念表象来看似乎比较直白简单，但实质上考生在问题分析时犹如“看山似山，又有看山不是山”的感觉.归根到底对问题虽知其然，而未必知其所以然.究其原因，学生头脑中仅仅只知道了匀强磁场概念表象，缺少对该概念在头脑中建立过程和提炼升华的思维过程，即通电螺线管中的磁场是如何形成的，匀强磁场的模型是如何构建起来的，要形成匀强磁场需满足怎样的条件.基于上述问题，笔者从以下几个方面分析，为今后的物理教学有所启迪和深思.

1 原题呈现

例题.（2021年浙江物理1月选考卷第8题）如图1所示是通有恒定电流的环形线圈和螺线管的磁感线分布图.若通电螺线管是密绕的，下列说法正确的是

图1

（A）电流越大，内部的磁场越接近匀强磁场.

（B）螺线管越长，内部的磁场越接近匀强磁场.

（C）螺线管直径越大，内部的磁场越接近匀强磁场.

（D）磁感线画得越密，内部的磁场越接近匀强磁场.

2 核心素养

本题虽然考查的是关于磁场中的匀强磁场概念，实质是考查通电螺线管中的匀强磁场是如何形成的，以及形成匀强磁场要满足怎样的条件.该题其实在建立匀强磁场模型能力的要求上是挺高的.该试题的命制较好地体现了物理学科的核心素养，因此解决该问题需要学生具备如下的物理核心素养：匀强磁场物质观的建立、通过理论分析构建匀强磁场模型观、并通过实验探究出匀强磁场的形成的条件（表1）.

表1 考查知识与核心素养

3 深度分析

核心素养的培养需要通过深度学习培养，学生获得的物理学科核心科素养反过来又能很好地促进深度思维和学习.本题所涉及知识本身似乎简单，但其涉及的物理观念是深刻的；考生不仅要知道匀强磁场的概念，更要从本质上去认识匀强磁场是如何形成，物理模型又是如何建立起来.若平时不经过深度学习和实验的探究体验，仅仅从图中给出的信息来看结果是很唐突，定然难定夺，更会使考生对所呈现选项的判断如同“看山似山，又有看山不是山”的感觉.于是笔者先从理论上去深度探究通电线圈中的匀强磁场是如何形成的及形成的条件，进而构建其物理模型.

（1）理论探究1：单匝载流线圈轴线上磁场的分布.

图2

图3

图4

（2）理论探究2：通电螺线管轴线上的磁场的分布

图5

图6

4 实验再现

物理是一门以实验为基础的学科，很多理论都要经得起实验的检验.于是笔者试图通过铁粉模拟和通过磁传感器探究螺线管内部磁场分布情况.

笔者安排如下实验流程.

实验目的.磁传感器测量通电螺线管内部的磁场强度，并描绘出螺线管管内部的磁场强弱分布情况

实验器材.磁传感器，学生电源，粗细长短不同的密绕螺线管，电脑.

（1）磁传感器.如图7所示，磁传感器把磁感应强度变成电信号，通过计算机对磁场进行研究.

图7

（2）螺线管.如图8所示，粗细长短不同的密绕螺线管.

图8

探究过程.把探头深入螺线管内部，测量螺线管内部轴线上不同位置的磁感应强度，再通过计算机可以很快采集到不同位置的磁感应强度大小，作出磁感应强度B与探头位置x的关系曲线.

实验探究1：线圈中通一定大小的电流，通过磁传感器得到如表1所示的数据，绘制出如图9所示的磁感应强度B与探头位置x的关系曲线.

图9

表1 探究磁感应强度B与探头位置x的关系曲线

实验结果1：探头在线圈内部轴线上3.50 cm到5.50 cm的区域内磁感应强度大小几乎不变，约为1.65 m T（因通电螺线管内的磁感应强度较小，在轴线上移动时会受到外界的数据扰动）.

实验探究2：增大线圈中的电流，为实验1中2倍.通过磁传感器得到如表2所示的数据，绘制出如图10所示的磁感应强度B与探头位置x的关系曲线.

图10

表2 增大线圈中的电流

实验结果2：增加线圈电流，探头在线圈内部轴线上3.50 cm到5.50 cm的区域内磁感应强度大小几乎不变，说明通电线圈内匀强磁场的存在区域长度与电流大小无关.

实验探究3：线圈长度实验2相同，但线圈直径变大.通过磁传感器得到如表3所示的数据，绘制出如图11所示的磁感应强度B与探头位置x的关系曲线.

图11

表3 增大线圈直径

实验结果3：线圈中长度不变，但增大线圈直径，探头在线圈内部轴线上3.50 cm到5.50 cm的区域内磁感应强大小几乎不变，说明通电线圈内匀强磁场的存在区域区域长度与线圈直径大小无关.

实验探究4：线圈长度变短，但线圈直径不变.通过磁传感器得到如表4所示的数据，绘制出如图12所示的磁感应强度B与探头位置x的关系曲线.

表4 改变线圈长度

实验结果4：线圈直径不变，线圈长度变短，探头在线圈内部磁感应强度变得不均匀，说明通电线圈内匀强磁场的存在区域区域长度与线圈长短有关.

通过理论分析与实验探究表明，只有当密绕的螺线管足够长时其轴线上的磁场是均匀的，与线圈的直径、通过的电流大小、匝数的多少无关.

5 应用拓展

（1）亥姆霍兹线圈.如图13所示，如有一对相同的载流线圈彼此平行且共轴，通以同方向电流，当线圈间距等于线圈的半径时，在轴中间区域的磁场也是匀强磁场，这种仪器装置在电子仪器中常叫亥姆霍兹线圈.

图13

（2）在生产和科学研究中往往需要把样品放在匀强磁场中进行测试，当需要的磁场不太强时，由于亥姆霍兹线圈具有开敞性质，很容易地可以将其它实验仪器或样品置入或移出，使用比较方便.如图14和15所示为演示电子在匀强磁场中的运动轨迹.

图14

图15

6 结束语

通过对该问题的深度分析，笔者感受颇深.物理课堂教学不仅仅把概念与规律等知识教给学生就可，更多的是要给予学生有思维的空间与实验探究的机会，通过科学思维建立概念形成规律，并能在学生头脑中建立和提炼升华形成观念和能力，获得物理素养，提高学生深度学习水平，进而能很好的促进教师有效教学.