初中物理“磁懸浮”內(nèi)容的透視與重構(gòu)

童大振　邢紅軍　任紅梅

摘要：初中物理教科書呈現(xiàn)磁懸浮列車的懸浮原理模糊化，這是造成人們對(duì)懸浮原理產(chǎn)生困擾的根源.因此，在對(duì)磁懸浮列車分類的基礎(chǔ)上，揭示中考相關(guān)試題的錯(cuò)誤，嘗試對(duì)教科書內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，為磁懸浮列車懸浮問題的教學(xué)提供了有益方案.

關(guān)鍵詞：教科書;磁懸浮;分類;重構(gòu)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）20-0019中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡介：童大振（1993-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向：物理教學(xué)論;

邢紅軍（1960-），男，河南平輿人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：物理教學(xué)論、學(xué)科能力發(fā)展與培養(yǎng);

任紅梅（1994-），女，安徽阜陽人，博士研究生，研究方向：大氣光學(xué).

1問題的提出

“磁懸浮列車”作為初中物理“電與磁”一章的生動(dòng)案例，被各版本教科書引用.然而，對(duì)其原理的理解卻長期存在爭(zhēng)論，其焦點(diǎn)在于：“磁懸浮列車浮起來的原理究竟是什么？”.目前的普遍認(rèn)識(shí)是：“列車能夠浮起來是受到了軌道對(duì)它施加的一個(gè)豎直向上的排斥力，因此，磁懸浮列車浮起的原理是‘同名磁極相互排斥”.但是，細(xì)心的讀者發(fā)現(xiàn)教材上對(duì)磁懸浮列車原理的描述并非如此，而是“磁極間的相互作用”.這就直接引發(fā)了對(duì)磁懸浮原理的討論[1][2].盡管如此，卻罕有論者從教科書內(nèi)容呈現(xiàn)的角度尋找原因，致使該問題遺留至今.筆者認(rèn)為，造成這種困擾的源頭在于教科書.雖然不同版本初中物理教科書對(duì)該問題均有描述，但沒有任何一版教材對(duì)磁懸浮列車的工作原理給出詳盡解釋.

2磁懸浮列車的教科書呈現(xiàn)

以人教版教科書為例，關(guān)于磁懸浮列車介紹的內(nèi)容為：“目前許多國家在研制高速磁浮列車，其上所用的磁體大多是通有強(qiáng)大電流的電磁鐵.磁浮列車的車廂和鐵軌上分別安放著磁體，磁極相對(duì).由于磁極間的相互作用，列車能夠在鐵軌上方幾厘米的高度上飛馳，避免了來自車輪與軌道之間的摩擦力，突破了以往列車的速度極限，每小時(shí)可運(yùn)行500km以上.這幾乎達(dá)到了短程飛機(jī)的航速，并且噪聲低、動(dòng)力損耗少、穩(wěn)定性高.2003年，我國上海市龍陽路至浦東機(jī)場(chǎng)的磁浮鐵路成為世界上第一條商業(yè)運(yùn)營的磁浮鐵路.”[3]從描述中不難發(fā)現(xiàn)，列車浮起來的原理為“磁極間的相互作用”.

進(jìn)一步梳理現(xiàn)行各版本初中物理教科書，對(duì)磁懸浮列車浮起來的原理描述見表1.

通過比較不同版本教科書對(duì)磁懸浮列車懸浮原理的描述可以看出，教科書對(duì)列車懸浮原理表述雖存在微小差異，但本質(zhì)上都是“磁極間的相互作用”，既包括“同名磁極相互排斥”又含有“異名磁極相互吸引”.那么，究竟什么樣的磁懸浮列車?yán)昧恕巴艠O相互排斥”原理？何種磁懸浮列車?yán)昧恕爱惷艠O相互吸引”原理？它們分別又是怎樣工作的？對(duì)于這個(gè)關(guān)鍵性的問題，各版本教科書中卻語焉不詳，這就影響了初中生對(duì)磁懸浮列車的理解.因此，對(duì)磁懸浮列車的懸浮原理進(jìn)行研究，這是解開磁懸浮列車問題困惑的關(guān)鍵.

3磁懸浮列車的分類

按照懸浮原理，可將磁懸浮列車分為以日本為代表的超導(dǎo)磁斥式（EDS）磁懸浮列車和以德國為代表的常導(dǎo)磁吸式（EMS）磁懸浮列車[7].這兩種列車采用了不同的方法將列車懸在空中，事實(shí)證明，這兩種方法都是切實(shí)可行的.

EDS（ElectrodynamicsSuspension）型磁懸浮列車的懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.此類型列車在車輛底部安裝超導(dǎo)磁體，在軌道兩側(cè)鋪設(shè)一系列鋁環(huán)線圈.列車運(yùn)行時(shí)，給車上線圈（超導(dǎo)磁體）通電流，產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，地上“U”型線圈（鋁環(huán)）與之相切割，在鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流.感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與車輛上超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)方向相反，兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生排斥力.當(dāng)排斥力大于車輛重量時(shí)，車輛就浮起來了.因此，EDS型磁懸浮列車的懸浮原理為“同名磁極相互斥”，懸浮原理圖如圖2所示.

EMS（ElectromagneticSuspension）型磁懸浮列車的懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.此種列車在車輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架（“兩腿”）上裝有車身線圈，在“T”型導(dǎo)軌上鋪設(shè)軌道線圈，車體“兩腿”把“T”型軌道環(huán)抱住.列車運(yùn)行時(shí)，同時(shí)給車身線圈和軌道線圈通上電流，使上下相對(duì)的軌道線圈和車身線圈產(chǎn)生異名磁極，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生強(qiáng)大的吸引力使車輛浮起.因此，EMS型磁懸浮列車的懸浮原理為“異名磁極相互排吸引”，懸浮原理圖如圖4所示.

2000年6月，中國上海市與德國磁浮國際公司合作進(jìn)行中國高速磁浮列車示范運(yùn)營線可行性研究.2003年1月，我國上海市龍陽路至浦東機(jī)場(chǎng)的磁浮鐵路投入使用并成為世界上第一條商業(yè)運(yùn)營的磁浮鐵路.因此，上海市的磁懸浮列車屬于EMS型列車.同樣，2016年5月開通運(yùn)營的中國首條擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中低速磁浮鐵路——長沙磁浮快線也屬于EMS型列車[8].它們的懸浮原理均為“異名磁極相互吸引”.

4磁懸浮列車教科書內(nèi)容的重構(gòu)

通過對(duì)磁懸浮列車進(jìn)行分類，可以很明確地看出，磁懸浮列車浮起來的原理不僅有“同名磁極相互排斥”，亦有“異名磁極相互吸引”.長期以來普遍認(rèn)為的“同名磁極相互排斥”原理是片面的，中考錯(cuò)誤試題或錯(cuò)誤答案的出現(xiàn)便是這種認(rèn)識(shí)的折射.

例1（2017年吉林延邊12題）磁懸浮列車在車廂和鐵軌上分別安放磁體，并使它們的磁極相互（選填“排斥”或“吸引”），從而使列車從鐵軌上“浮”起來，達(dá)到的目的.（答案：排斥，減小阻力）

例2（2008年湖北襄陽31題）磁懸浮列車是利用的原理從鐵軌上浮起來的.現(xiàn)在有一輛磁懸浮列車以150m/s的速度在軌道上勻速行駛，那么行駛270Km的路程需要h.（答案：“同名磁極相互排斥”或者“磁極間的相互作用”，0.5）

從例1的“答案”中可以很明確地得出，列車懸浮的原理就是“同名磁極相互排斥”.然而對(duì)于同樣的問題，例2卻給出了“同名磁極相互排斥”或者“磁極間的相互作用”兩個(gè)“答案”.顯然，“磁極間的相互作用”包含“同名磁極相互排斥”和“異名磁極相互吸引”，對(duì)于該答案，有質(zhì)疑聲稱：“如果‘同名磁極相互排斥正確，那么‘異名磁極相互吸引也不應(yīng)當(dāng)判錯(cuò)”.倘若“同名磁極相互排斥”和“異名磁極相互吸引”都正確，那么例1的“選填”又將如何處理？可以斷定，例1中的“選填”是缺少前提條件的，是一道錯(cuò)誤試題.而例2的標(biāo)準(zhǔn)答案應(yīng)該為“同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引”或“磁極間的相互作用”，這樣“或”字連接的兩個(gè)答案才等價(jià).

現(xiàn)行教科書對(duì)磁懸浮列車懸浮原理的“粗線條”解釋是師生理解懸浮原理窄化、試題錯(cuò)誤化的源頭.只有清晰地呈現(xiàn)各類型磁懸浮列車懸浮原理，才能消除學(xué)生對(duì)磁懸浮列車懸浮問題的困擾，避免類似錯(cuò)誤試題再次出現(xiàn).基于此，筆者嘗試對(duì)教科書中磁懸浮列車內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu).重構(gòu)內(nèi)容如下.

磁懸浮列車是一種快速、舒適、經(jīng)濟(jì)、無污染和低能耗的現(xiàn)代化交通工具.它是利用磁極間相互作用原理設(shè)計(jì)的，通以強(qiáng)大電流的電磁鐵產(chǎn)生巨大的磁場(chǎng)力使列車浮起（懸浮氣隙為10～100mm）從而大大減小運(yùn)行阻力，突破了以往列車的速度極限，每小時(shí)可運(yùn)行500km以上.根據(jù)懸浮系統(tǒng)的不同，可將磁懸浮列車分為超導(dǎo)磁斥式——EDS（ElectrodynamicsSuspension）磁懸浮列車（如圖1所示）和常導(dǎo)磁吸式——EMS（ElectromagneticSuspension）磁懸浮列車（如圖3所示）.它們的異同點(diǎn)見表2.

重構(gòu)后的內(nèi)容不僅介紹了磁懸浮列車的特點(diǎn)，更為重要的是，對(duì)磁懸浮列車進(jìn)行了分類，并說明了各類型列車懸浮原理的區(qū)別.這樣的內(nèi)容呈現(xiàn)既在橫向上拓寬了師生對(duì)磁懸浮列車種類的了解，又在縱向上加深了師生對(duì)電磁鐵應(yīng)用的理解，從而避免了現(xiàn)行教科書模糊化描述帶來的一系列問題.

5小結(jié)

著名科學(xué)史家托馬斯˙庫恩在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中指出：“學(xué)科學(xué)的學(xué)生接受理論，是教師和教科書的權(quán)威造成的，而不是因?yàn)樽C據(jù).”[9]因此，要教給學(xué)生正確的物理知識(shí)，就不能把教師和教材作為權(quán)威，而要基于證據(jù).正是由于“證據(jù)”不足，從教科書呈現(xiàn)磁懸浮列車教學(xué)內(nèi)容以來，人們對(duì)磁懸浮列車懸浮原理的探討就綿延不斷.然而，這些“證據(jù)”只是隔靴搔癢式地指出問題所在，對(duì)避免教科書模糊化帶來的諸多錯(cuò)誤顯得乏力.有鑒于此，筆者重構(gòu)磁懸浮列車教科書內(nèi)容，希望能夠從問題源頭終止如例1錯(cuò)誤命題和例2錯(cuò)誤答案的現(xiàn)象出現(xiàn)，能夠?qū)Τ踔写艖腋×熊嚱虒W(xué)提供有益的啟示.

參考文獻(xiàn)：

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[5]劉炳昇，李榮.義務(wù)教育教科書·物理（九年級(jí)下冊(cè)）[M].南京：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

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[9]托馬斯·庫恩著，金吾倫，胡新和譯.科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

（收稿日期：2019-06-17）