倡導(dǎo)深入探究 鼓勵(lì)模型建構(gòu)

摘 要：2021年1月浙江省高考物理卷第18題第2小題是學(xué)生求解時(shí)感覺有一定難度，部分教師也有困惑的一個(gè)題目.筆者通過對(duì)本題的理解進(jìn)行了物理建模和詳細(xì)理論推導(dǎo)，同時(shí)設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)用真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.通過研究這類基于教材高于教材的試題設(shè)計(jì)也獲得了一些啟示，平時(shí)的物理教學(xué)應(yīng)該從注重知識(shí)本身和習(xí)題求解的教學(xué)轉(zhuǎn)到注重物理原理理解、實(shí)際問題研究和素養(yǎng)培養(yǎng)上.

關(guān)鍵詞：浙江高考;物理建模;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;素養(yǎng)培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）09-0062-02

作者簡(jiǎn)介：張華（1980-），男，湖南岳陽人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、新課程新教材教學(xué)實(shí)施.

1 試題與答案

（2021年1月浙江省高考選考物理卷 18題）（2）在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，可拆變壓器如圖1所示.為了減小渦流在鐵芯中產(chǎn)生的熱量，鐵芯是由相互絕緣的硅鋼片平行疊成.硅鋼片應(yīng)平行于.

A.平面abcd B.平面abfe

C.平面abgh D.平面aehd

正確答案：D.

2 模型建構(gòu)

我們可以假設(shè)鐵芯由四片彼此絕緣的硅鋼片（從外往內(nèi)依次為1、2、3、4號(hào)硅鋼片）拼接而成，根據(jù)題目的表述，可畫出四個(gè)選項(xiàng)中的鐵芯硅鋼片疊放示意圖如圖2所示.

鐵芯處在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，因渦流而導(dǎo)致的能量損耗稱為渦流損耗，渦流損耗的大小與磁場(chǎng)的變化方式、導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等因素有關(guān).根據(jù)題意可知，上述因素中除了可拆變壓器鐵芯最上面的橫檔硅鋼片的放置情況不同之外其他因素都是相同的.因此我們根據(jù)控制變量法只需要研究鐵芯中橫檔硅鋼片放置情況這一因素造成對(duì)渦流的影響.

下面我們具體來研究較難區(qū)分的B、D兩個(gè)選項(xiàng)，兩種情況下可拆變壓器的鐵芯橫檔與豎直鐵芯柱接觸面的各參數(shù)示意圖如圖3所示.假設(shè)鐵芯由四片彼此絕緣的硅鋼片拼成，則可設(shè)通過豎直鐵芯柱的總磁通量為Φ，每片中磁通量為Φ/4.當(dāng)鐵芯橫檔如B選項(xiàng)中水平放置時(shí)，豎直鐵芯中四片硅鋼片的總磁通量Φ將全部通過橫檔中最下層的1號(hào)硅鋼片，并逐層穿越到橫檔中的2、3、4號(hào)硅鋼片;而當(dāng)鐵芯橫檔如D選項(xiàng)中豎直放置時(shí)只有豎直1號(hào)硅

鋼片中的Φ/4通過橫檔中最外層的1號(hào)硅鋼片，豎直2、3、4號(hào)硅鋼片中的Φ/4分別通過橫檔2、3、4號(hào)硅鋼片.根據(jù)法拉第感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式E= ΔΦΔt 和焦耳定律Q =I2Rt可得渦流在鐵芯中產(chǎn)生的熱量Q ∝ΔΦΔt2tR，即在交流電頻率相同的情況下渦流產(chǎn)生的熱量與穿過硅鋼片Φ的平方成正比，與R成反比，而渦流如果被限制在狹窄的薄片之內(nèi)，磁通穿過薄片的狹窄截面時(shí)，這些回路中的電動(dòng)勢(shì)較小，回路的長(zhǎng)度較大，回路的電阻R很大，硅鋼片中產(chǎn)生的渦流大為減弱，即產(chǎn)生的熱量減少.所以，D選項(xiàng)中渦流在鐵芯中產(chǎn)生的熱量小于B選項(xiàng)，同理可得A、C選項(xiàng)中的渦流產(chǎn)生的熱量也大于D選項(xiàng)，所以正確答案選D.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論推導(dǎo)答案的正確性，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

（1）控制其他因素不變的情況下測(cè)量變壓器橫檔平放（B選項(xiàng)）與豎放（D選項(xiàng)）時(shí)副線圈的電壓情況，副線圈電壓低則說明鐵芯中消耗的能量多，從能量損耗的角度進(jìn)行間接驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)可知當(dāng)變壓器鐵芯橫檔豎放（D選項(xiàng)）時(shí)，副線圈輸出電壓更高，說明變壓器損耗的能量更少，即鐵芯中渦流產(chǎn)生的熱量更少，與理論值相符.

（2）控制其他因素不變的情況下，測(cè)量變壓器橫檔平放（B選項(xiàng)）與豎放（D選項(xiàng)）時(shí)，用溫度傳感器測(cè)量鐵芯中的溫度變化，相同時(shí)間內(nèi)溫度高的鐵芯產(chǎn)生的熱量多，從產(chǎn)生熱量的角度進(jìn)行直接驗(yàn)證.

為了方便溫度傳感器測(cè)量鐵芯溫度，我們?cè)阼F芯橫檔中鉆一個(gè)小洞，連接電路如圖5所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示.

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)可知當(dāng)變壓器鐵芯橫檔豎放（D選項(xiàng)）時(shí)，在相同條件下測(cè)得的溫度更低，并且從升溫曲線圖變化情況可以看出鐵芯橫檔豎放時(shí)升溫較慢，說明此種情況下鐵芯中渦流產(chǎn)生的熱量更少，與理論值相符.

4 試題評(píng)析及教學(xué)啟示

學(xué)生求解本題的路徑主要有兩條：一是實(shí)驗(yàn)探究時(shí)的經(jīng)歷，如在實(shí)驗(yàn)時(shí)仔細(xì)觀察過硅鋼片疊放的方式，并與所學(xué)知識(shí)相關(guān)聯(lián)，這樣的學(xué)生具有很高的探究素養(yǎng);二是根據(jù)所學(xué)知識(shí)和思維，特別是模型建構(gòu)素養(yǎng)進(jìn)行模型建構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上推理.根據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中關(guān)于建模水平的表述，本題具有“能將實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型”特征，屬于學(xué)業(yè)水平4.

本題既注重考核學(xué)生對(duì)物理基本概念、基本規(guī)律和基本原理的理解和掌握，例如渦流、變壓器的工作原理、法拉第電磁感應(yīng)定律、焦耳定律、電阻定律等，又注重對(duì)學(xué)生探究經(jīng)歷的考查.這類基于教材高于教材的試題設(shè)計(jì)，需要學(xué)生具備利用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和科學(xué)思維素養(yǎng)解決實(shí)際問題，這對(duì)我們一線教師今后的教學(xué)有一定的啟示和指導(dǎo)作用，應(yīng)該從注重知識(shí)本身和習(xí)題求解的教學(xué)轉(zhuǎn)到注重物理原理理解、實(shí)際問題研究和素養(yǎng)培養(yǎng)上.

（收稿日期：2021-03-03）