基于高考試題背景下轉(zhuǎn)動切割磁感線問題教學(xué)探討

陜西 楊榮富

電磁感應(yīng)相關(guān)知識在高中物理中占有重要地位，是每年高考必考的經(jīng)典題目。動生電動勢中導(dǎo)體轉(zhuǎn)動切割磁感線模型是熱門考點(diǎn)。本文通過對轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生機(jī)理、處理方法、常見類型、高考考點(diǎn)、未來考向預(yù)測，深入探討轉(zhuǎn)動切割磁感線這一重點(diǎn)問題。

1 問題提出

導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生動生電動勢，是電磁感應(yīng)中常見的一種考查形式。切割磁感線的形式可分為平動切割和轉(zhuǎn)動切割，通常這兩種情況都可用右手定則確定電動勢的方向，利用E=Blv來確定感應(yīng)電動勢的大小。轉(zhuǎn)動切割磁感線是動生電動勢常見類型之一，也是高考的高頻考點(diǎn)，經(jīng)統(tǒng)計2011到2020年10年間共計出現(xiàn)12次，平均一年一次。上課時教師只有準(zhǔn)備充分，才能講得透徹，分析得準(zhǔn)確，練得精準(zhǔn)。因此對該問題深入分析是必要的。

2 轉(zhuǎn)動切割磁感線電動勢產(chǎn)生原因及大小分析

(1)電動勢產(chǎn)生原因

如圖1所示，金屬導(dǎo)體棒AB以速度v勻速運(yùn)動切割垂直紙面向里的磁感線。金屬導(dǎo)體棒內(nèi)部有自由移動的電子，自由電子隨導(dǎo)體棒水平向右運(yùn)動，自由電子將會受到豎直向下的洛倫茲力f洛，最終導(dǎo)致導(dǎo)體兩端存在穩(wěn)定的電勢差，且φA>φB。導(dǎo)體棒切割磁感線時，導(dǎo)體棒充當(dāng)電源，A為電源正極，B為電源負(fù)極。處理這一類問題時首先應(yīng)該確定哪一部分為電源、弄清電源的正負(fù)極，如果有外電路，結(jié)合電路相關(guān)知識處理相關(guān)問題。轉(zhuǎn)動切割產(chǎn)生電動勢的原因和導(dǎo)體棒垂直切割原理相同。

(2)電動勢大小計算

轉(zhuǎn)動切割基本情境：如圖2所示，導(dǎo)體棒OA以O(shè)為圓心轉(zhuǎn)動切割垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場，已知角速度ω、導(dǎo)體棒長為l、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。計算導(dǎo)體棒電動勢大小的計算常有通量法則、等效法和定義法三種方法。

圖2

方法一：通量法則法

方法二：等效法

方法三：定義法

第二種方法在平常的教學(xué)和考試中更為常用。

(3)電動勢方向確定

實(shí)際處理時需要搞清楚電動勢的大小及電動勢的方向，此類問題可以用產(chǎn)生原理(微觀解釋)和右手定則兩種方法確定，實(shí)際運(yùn)用時右手定則是處理此問題的常用方法。如圖3所示，導(dǎo)體棒OA為電源，將導(dǎo)體棒轉(zhuǎn)化為電源后A為正極、O為負(fù)極。電磁感應(yīng)一般會有電路問題、動力學(xué)問題、能量綜合問題和圖像問題，處理問題之前應(yīng)首先分析清楚電路結(jié)構(gòu)，在電路基礎(chǔ)上再進(jìn)行深入分析。

甲

3 轉(zhuǎn)動切割磁感線常見類型分析

轉(zhuǎn)動切割常見的兩種基本類型是以導(dǎo)體棒和法拉第轉(zhuǎn)盤為背景，現(xiàn)有考查形式都是在這兩個背景的基礎(chǔ)上變化而來。接下來圍繞這兩個類型展開說明。

(1)導(dǎo)體棒切割磁感線為背景

類型一：以導(dǎo)體棒一端為圓心轉(zhuǎn)動切割

類型二：以導(dǎo)體棒外某一點(diǎn)為圓心轉(zhuǎn)動切割

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類型三：以導(dǎo)體棒上某一點(diǎn)為圓心轉(zhuǎn)動切割

甲

(2)以法拉第轉(zhuǎn)盤為背景

1831年法拉第首次展示了他的圓盤發(fā)電機(jī)，如圖6甲所示。圖6乙是發(fā)電機(jī)示意圖：水平的銅軸安裝在銅盤上，盤的邊緣恰好在兩個磁極之間，C和D兩塊銅片分別與軸和盤的邊緣接觸(接觸良好)。若讓銅盤轉(zhuǎn)動起來，電阻R中就會有電流流過。

甲

電動勢正負(fù)極的確定：對圖6乙從左向右看，利用上述動生電動勢產(chǎn)生原因(微觀解釋)容易確定圓盤中心點(diǎn)電勢低，邊緣電勢高，由此可知圓盤中心為電源負(fù)極、邊緣為電源正極。

甲

甲

以上是對導(dǎo)體棒、轉(zhuǎn)盤兩種常見類型的簡單分析。處理轉(zhuǎn)動切割磁感線問題首先要知道產(chǎn)生原因，在動生電動勢產(chǎn)生原理基礎(chǔ)上分析出電源正負(fù)極，然后計算出電動勢的大小，最后要將轉(zhuǎn)動切割部分充當(dāng)電源再轉(zhuǎn)化為電路問題。實(shí)際考查情境都是在導(dǎo)體棒和轉(zhuǎn)盤兩種類型的基礎(chǔ)上變形而來。弄清以上兩種模型的產(chǎn)生原因、電動勢方向確定、電動勢大小計算和兩種模型電路轉(zhuǎn)化是解決轉(zhuǎn)動切割類問題的關(guān)鍵。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，此類問題在2011年到2020年全國物理高考中共計出現(xiàn)12次，高考題目也都是以上述兩個基本模型為背景。

4 高考中的轉(zhuǎn)動切割統(tǒng)計分析

(1)高考背景圖

2011年至2020年10年間全國物理高考共計出現(xiàn)轉(zhuǎn)動切割類12次，統(tǒng)計圖如下表。

年份2011年安徽理綜2012年浙江理綜2012年全國新課標(biāo)卷2013年廣東理綜情境圖類型框架切割(導(dǎo)體棒)轉(zhuǎn)盤切割轉(zhuǎn)盤切割轉(zhuǎn)盤切割

續(xù)表

(2)高考考向分析

背景圖方面：以導(dǎo)體棒和轉(zhuǎn)盤為基本模型。其中以導(dǎo)體棒為背景考查6次、以轉(zhuǎn)盤為背景考查6次，情境圖以各種類型導(dǎo)體框架和不完整導(dǎo)體轉(zhuǎn)盤出現(xiàn)。

考查點(diǎn)方面：在前10年里轉(zhuǎn)動切割類問題大多數(shù)以考查簡單電路問題為主，會涉及動力學(xué)問題和能量問題。電路問題常會考查電動勢的方向、兩點(diǎn)間的電壓、簡單的閉合電路相關(guān)知識，近幾年出現(xiàn)了考查交流電有效值問題，2020年浙江選考出現(xiàn)了含有電容器的相關(guān)問題。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動切割考查已經(jīng)逐步加大難度和深度，今后考查點(diǎn)不再僅僅是處理簡單電路問題。

5 考向預(yù)測

轉(zhuǎn)動切割磁感線相關(guān)問題考查仍是熱門考點(diǎn)。從情境圖來說，還是在導(dǎo)體棒(導(dǎo)體框架)轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動切割兩類模型基礎(chǔ)上進(jìn)行變形處理。如圖9所示，情境圖形可以是規(guī)則變?yōu)椴灰?guī)則、完整變?yōu)椴煌暾?、整體變?yōu)橐徊糠?。也可以做磁場變化處理，將整個區(qū)域的磁場變?yōu)槟骋粎^(qū)域或者部分區(qū)域。不管情境發(fā)生怎樣變化，電磁感應(yīng)產(chǎn)生原理和處理方法不變?？键c(diǎn)方面會更加注重創(chuàng)新性、應(yīng)用型和綜合性，可能會在之前簡單電路問題的基礎(chǔ)上加入電容器等其他電學(xué)元件，也可能會出現(xiàn)電路與類平拋、圓周運(yùn)動、力電綜合應(yīng)用等綜合性問題。

6 結(jié)束語

本文從轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生機(jī)理、處理方法、常見類型、高考考點(diǎn)、未來考向預(yù)測五個方面進(jìn)行了闡述。核心問題是電動勢的產(chǎn)生、大小和方向。處理這類問題還需要結(jié)合電路知識進(jìn)行分析。在教學(xué)中深度挖掘相關(guān)題目信息，借助多種習(xí)題的問題背景深入挖掘試題內(nèi)涵，讓學(xué)生自覺歸納總結(jié)，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。培養(yǎng)學(xué)生良好的模型建構(gòu)能力，促進(jìn)學(xué)生對原始物理問題更深入的理解，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生高階思維的能力。