對(duì)《電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況》一節(jié)的幾點(diǎn)思考

賴賢明　江立坤

《電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況》是人教版選修3-2中第四章第5節(jié)的內(nèi)容，是對(duì)楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律鞏固和提高，所以不是新知識(shí).雖非新知，但筆者在教授此課過(guò)程中發(fā)覺(jué)教材所探討的問(wèn)題有一定深度，有些關(guān)鍵地方跳躍性較大，且教材內(nèi)容編排上某些內(nèi)容還缺乏嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)在認(rèn)知方面有困難，因此，筆者對(duì)這一節(jié)教材內(nèi)容進(jìn)行了仔細(xì)的閱讀，有幾點(diǎn)思考匯集成文，希望同仁指點(diǎn).

1 這樣的標(biāo)題不合適

文章第一小節(jié)以《電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感生電場(chǎng)》為標(biāo)題，但是文中對(duì)感生電場(chǎng)的概念以其特征描述都是一帶而過(guò)，倒是何為非靜電力的解釋潑墨較多.當(dāng)然，這樣安排自有道理，因?yàn)楦猩妱?dòng)勢(shì)中何謂非靜電力是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，而在此時(shí)感生電場(chǎng)顯然非重點(diǎn)，因?yàn)辂溈怂鬼f電磁場(chǎng)理論將在3-4中有詳細(xì)的闡述，故不宜過(guò)多說(shuō)明，有鑒于此，故筆者認(rèn)為該小節(jié)標(biāo)題定為《電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感生電場(chǎng)》欠妥，建議改成《感生電動(dòng)勢(shì)的非靜電力》.

2 這樣的表述缺乏嚴(yán)謹(jǐn)

《電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感生電場(chǎng)》這一小節(jié)的最后寫(xiě)到：假定導(dǎo)體中的自由電荷是正電荷，他們定向運(yùn)動(dòng)的方向就是感應(yīng)電流的方向，也就是感生電場(chǎng)的方向.因此實(shí)際問(wèn)題中我們常要由磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱變化情況來(lái)判斷感生電場(chǎng)的方向，或者相反.這時(shí)就要根據(jù)楞次定律用右手定則來(lái)確定他們之間的關(guān)系.

筆者認(rèn)真閱讀這一段文字之后，發(fā)現(xiàn)有一些地方表述不嚴(yán)謹(jǐn)，值得商榷.第一，文中用的是“定向運(yùn)動(dòng)”而我們常說(shuō)電流是電荷定向移動(dòng)形成的，因?yàn)殡姾沙硕ㄏ蛞苿?dòng)之外還在做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)；第二，右手定則是用來(lái)判斷部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)（動(dòng)生）電流方向的，而在此文中，產(chǎn)生的是感生電流，顯然不能用右手定則，結(jié)合文章的意思，可以明確編者所要描述的應(yīng)該是要根據(jù)楞次定律用安培定則來(lái)確定他們之間的關(guān)系；第三，導(dǎo)體中正電荷定向運(yùn)動(dòng)的方向就是感應(yīng)電流的方向，也就是感生電場(chǎng)的方向與常要由磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱變化情況來(lái)判斷感生電場(chǎng)的方向之間并無(wú)因果關(guān)系，所以文中的描述出現(xiàn)邏輯混亂，筆者建議將“常要由”改成“常可由”.

3 電子感應(yīng)加速器中通過(guò)電磁鐵的電流的作用

電子感應(yīng)加速器可以利用渦旋電場(chǎng)對(duì)電子進(jìn)行加速，它的基本原理如圖1所示， 上、下為電磁鐵的兩個(gè)磁極，磁極之間有一個(gè)環(huán)形真空室，電子可在真空室中做圓周運(yùn)動(dòng).當(dāng)然結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是要理解為什么可以使電子加速，關(guān)鍵就是要清楚電子感應(yīng)加速器中通過(guò)電磁鐵的電流在加速器中產(chǎn)生的作用是什么？而在文章中對(duì)這一方面并沒(méi)有詳細(xì)的解釋，導(dǎo)致學(xué)生理解困難.

其實(shí)，通過(guò)電磁鐵中的電流是用頻率約為數(shù)十赫茲的強(qiáng)大交變電流，這樣使電磁鐵兩極間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化，從而在環(huán)形真空室中感應(yīng)出很強(qiáng)的渦旋電場(chǎng)，電子槍將電子注入真空室，電子在渦旋電場(chǎng)的作用下被加速.為了使得電子獲得較大能量，要循環(huán)加速，即讓電子做圓周運(yùn)動(dòng)，做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由洛倫茲力提供.從上面分析可以看出變化電流產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)在感應(yīng)加速器中身兼雙職（1）變化的磁場(chǎng)B所激發(fā)的感生電場(chǎng)E使電子不斷被加速；（2） 磁場(chǎng)B對(duì)電子施加的洛倫茲力充當(dāng)維持電子作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力.

4 如何理解動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)中非靜電力與洛倫茲力有關(guān)！

在教學(xué)過(guò)程中一再?gòu)?qiáng)調(diào)洛倫茲力不做功，但是在文中又特別說(shuō)明非靜電力與洛倫茲力有關(guān)，導(dǎo)致學(xué)生的認(rèn)知沖突，不能理解，甚至有學(xué)生懷疑洛倫茲力不做功的正確性，并且洛倫茲力不做功雖然可以證明，但要用到高等數(shù)學(xué)知識(shí)，要求較高，不宜給學(xué)生介紹.為了緩解學(xué)生的認(rèn)知沖突，筆者想到了用初等數(shù)學(xué)知識(shí)證明導(dǎo)體勻速直線運(yùn)動(dòng)這一特殊情況下洛倫茲力不做功，證明如下：

如圖2所示，當(dāng)金屬棒以速度v向右勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，不考慮自由電子的熱運(yùn)動(dòng)，可認(rèn)為電子在磁場(chǎng)中也是以速度v向右勻速直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)與速度v對(duì)應(yīng)的洛倫茲力為F1=qvB，由于v恒定，所以F1的大小也恒定，即電子在豎直方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度為a.豎直方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在t時(shí)刻速度v′=at，設(shè)與v′相對(duì)應(yīng)的洛倫茲力為F2，此時(shí)洛倫茲力F為F1、F2的合力，再設(shè)F與豎直方向的夾角為α有

tanα=F1F1=qv′BqvB=atv，

設(shè)合速度ω與豎直方向的夾角為θ有

tanθ=vv′=vat.

根據(jù)上面兩式可得tanαtanθ=1，也就是α+θ=90°即力的方向與速度方向的夾角為90°，所以不做功.上面的證明雖然是特殊情況下的，但是也有一定的說(shuō)服力，不僅如此，上面的證明還有助于理解動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)中非靜電力與洛倫茲力有關(guān)的實(shí)質(zhì).

無(wú)論對(duì)學(xué)生的學(xué)還是教師的教，教材都是最重要的教育資源，所以作為教師對(duì)教材進(jìn)行認(rèn)真思考就顯得尤為重要.但是由于筆者水平有限，上面的點(diǎn)滴思考不一定正確，請(qǐng)同仁們不吝賜教.