核心素养理念下高中物理情境试题教学实践

摘 要：以物理情境为载体考查学生的学科核心素养是高考命题的重要趋势，而学生往往缺乏把理论知识与实际情境相联系的意识，同时，建构物理模型、推理论证的关键能力也不足.笔者以电磁感应规律应用为例，改编试题，通过设置多个问题，展开具体情境试题的教学实践.

关键词：高中物理；情境试题；电磁感应

中图分类号：G632"" 文献标识码：A"" 文章编号：1008-0333（2024）34-0107-03

收稿日期：2024-09-05

作者简介：于子童（1994—），女，吉林省舒兰人，硕士，中级教师，从事高中物理教学研究.

在应试教育的背景下，教师往往重视知识和原理的教学，甚至强调死记硬背的学习方式[1]，这不利于培养学生的关键能力.物理情境试题不仅考查学生对物理概念、物理规律的理解能力，还考查学生根据已知条件对问题进行逻辑推理能力及分析综合能力.电磁感应现象在我国现代科技中常常应用，也是高考物理的一个热点，对学生的思维能力和综合能力要求较高.因此在高三备考中，教师应注重引导学生多视角延伸与反思拓展，进一步通过发现问题、提出问题、分析问题及解决问题，提高学生的综合能力.

1 试题呈现

如图1所示，真空管道高速列车技术将磁悬浮列车置于一个在与外部空气隔绝的管道内运行，因为真空管道高速列车具备速度高、能耗低、噪声小、安全性高等特点，所以是未来交通发展的一大方向.真空管道高速列车的动力系统是一种将电能转换成平动动能的装置.图2是某种动力系统的简化模型，图中实线表示固定在水平面上间距为l的两条平行光滑金属导轨，电阻忽略不计，ab和cd是两根与导轨垂直，长度均为l，电阻均为R的金属棒，通过绝缘材料固定在列车底部，并与导轨良好接触，其间距也为l，列车的总质量为m.列车启动前，ab、cd处于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于导轨平面向下，为使列车启动，需在阴影处加上垂直于导轨平面的变化磁场，磁场边界为半径为r的圆，导线为单匝且电阻忽略不计，列车启动后撤去变化磁场.

问题1 若闭合开关并在阴影处加如图3所示的变化磁场，要使列车向右运行.图3 变化的磁场

①请分析阴影部分磁场的方向.

②分析列车运动情况.

③若t0时刻前列车已达到匀速运动，速度大小为多少？

问题2 断开开关后，列车行驶过程中在某段轨道处有一块如图4所示匀强磁场区域，磁感应强度为B，其边界满足y=lsinπlx（0SymbolcB@xSymbolcB@1），若列车以速度v0匀速通过该区域，求此过程中金属棒ab中产生的热量.

问题3 列车减速时，需在前方设置如图5所示的一系列磁感应强度为B的匀强磁场区域，磁场宽度和相邻磁场间距均大于l.若某时刻列车的速度为v0，此时ab、cd均在无磁场区域，试讨论：要使列车停下来，前方至少需要多少块这样的有界磁场？

2 试题分析本题以磁悬浮列车为情境，全面考查学生对动力学、电路、能量及动量等物理知识的理解，体现了科学思维中的理想化模型的构建、科学推理、科学论证等素养.试题分3个问题，覆盖了电磁感应中的重要内容，并有一定的难度，层层递进，非常适合高三二轮复习[2]

解决这类问题最重要的是如何把情境化题目转化为理想化模型进行研究，并且还要注意有哪些理想化条件.图2是图1的理想化模型，abcd相当于列车，两根实线相当于导轨，还有导轨光滑、电阻不计等理想化条件.2.1 问题1分析

列车之所以向右运动，是因为受到力的作用，这个力就是安培力.根据左手定则判断出感应电流的方向，再根据楞次定律，磁场在均匀减小，产生同方向的电流，因此阴影部分磁场方向垂直导轨向里.

分析列车的运动情况，让学生提出结论并分析理由，经过课堂实践，大多数学生认为列车做的运动是匀加速运动，误区在于认为电路中只有一个电源，但实际上除了变化磁场产生的感生电源外，还有两个动生电源，此动生电源是由于列车运动切割磁感线产生的.此问涉及安培力的变化情况，即电流的变化问题，因此就是电路问题.解决电路问题应该画出等效电路图来进行分析更方便直观.如图6，感生电动势是恒定的，动生电动势是逐渐增加的并与感生电动势是相互减弱的.回路中的总电流是逐渐减小的，因此所受的安培力逐渐减小，所以列车做的是加速度减小的加速运动.

当动生电动势等于感生电动势，即B0t0πr2=Blvm时 ，回路中没有电流，没有安培力，此时列车达到最大速度，解得最大速度vm=B0πr2t0Bl，然后匀速运动下去.

点评 问题1通过分析列车的运动状态复习电磁感应中的两大类型——感生和动生，并让学生体会动力学、电路问题的分析方法，培养学生的物理思维能力.2.2 问题2分析列车匀速向右运动通过磁场，导体棒切割的有效长度成正弦式函数变化，因此产生的电动势是正弦式交流电，即E=Byv0=Bv0lsinπlx，可以计算出电动势、电流的有效值为分别为E=Blv02和I=Bv0l22R，匀速通过的时间为t=2lv0，金属棒ab中产生的热量Qab=I2Rt=B2v0l34R.

点评 电磁感应中焦耳热的计算一般有两种思路：（1）当电流恒定时，根据焦耳定律Q=I2Rt求解；（2）当电流变化时，用以下方法分析：①利用动能定理，求出克服安培力做的功W安，回路中产生的焦耳热等于克服安培力所做的功，即Q总=W安.②利用能量守恒，焦耳热与其他形式能量的总和保持不变[3].问题2中焦耳热的计算按照第一种思路进行，注意对于正弦交流电，计算焦耳热时用电流的有效值.

2.3 问题3分析

列车依次经过不相连的若干个匀强磁场区域最终停下来，求需要多少块这样的有界磁场才能达到这样的运动效果？首先分析经过第一个磁场时它的运动情况，金属框在进入第一个匀强磁场的过程中磁通量是增大的，所以会产生感应电流，进入的过程只有cd棒在磁场中会受到安培力，安培力是阻力，在这个安培力的作用下列车将做加速度减小的减速运动.因为磁场宽度大于l，全部进入磁场中磁通量无变化，无感应电流，不受安培力，做匀速运动.同理线框出磁场时有感应电流，只有ab棒在磁场中受安培力，继续做加速度减小的减速运动，在无磁场中不受力做匀速运动.线框每次进出磁场只有一个导体棒受到安培力，并做加速度减小的减速运动.一进一出，一进一出，进出交替，最终速度减小到零.

我们可以认为列车在每次进出磁场的过程是一个短暂的过程，也就是用微元法的思想把每一个电磁感应过程看成是一个微元，设第一次完全进入磁场减速后的速度为v1，第一次完全出磁场速度为v2；第二次完全进入磁场的减速后的速度为v3，第二次完全出磁场速度为v4，依次类推如图7，最终速度减小为0，看成n个微元过程，对每个过程列动量定理.用类似于数学中累加法求数列通项公式把n个微元过程相加，中间过程的动量就会消掉，只剩初末动量，等式左边整理为-Bl与总的电荷量的乘积.在整个运动过程，每次通过矩形磁场回路中的电荷量都相同，就等于磁通量的变化量除以整个回路当中的总电阻.我们假设进出磁场的个数一共有n次，总的电荷量其实跟磁场的个数有关.具体过程如图8所示（书写过程时微元法推导过程可省略）点评 问题3列车在电磁感应过程中做变加速运动时，牛顿运动定律和能量观点不能解决问题，可运用动量定理巧妙解答.

3 结束语

把物理情境转化为理想化模型是解决物理问题的关键，正确提取理想化条件是新高考对考生的必然要求.通过本次案例的教学实践可以发现，创新课堂教学有助于学生构建物理模型、培养自主学习习惯以及核心素养的落实.在课堂上让学生分析，提升学生的学习体验，加深印象，深化理解，有助于学生形成正确的物理观念，顺利解决物理实际问题.

参考文献：

［1］于永建.解读2017考纲修订应对物理高考变化：基于学科核心素养的物理高考命题与备考研究[J].中学物理教学参考，2016（11）：3.

[2] 李红伟.强化高考试题研究 促进思维能力提升[J].教学考试，2021（22）：4.

[3] 刘满怀.例谈高中物理粤教版栏目功能利用和开发：以电磁感应为例[J].中学物理教学参考，2017（12X）：3.

［责任编辑：李 璟］