一道2021年浙江物理選考題的深度分析與實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)

沈忠立

（浙江省富陽中學(xué)，浙江 富陽 311400）

2021年浙江物理1月選考卷第8題選擇題，粗看本題，從涉及勻強(qiáng)磁場(chǎng)概念表象來看似乎比較直白簡(jiǎn)單，但實(shí)質(zhì)上考生在問題分析時(shí)猶如“看山似山，又有看山不是山”的感覺.歸根到底對(duì)問題雖知其然，而未必知其所以然.究其原因，學(xué)生頭腦中僅僅只知道了勻強(qiáng)磁場(chǎng)概念表象，缺少對(duì)該概念在頭腦中建立過程和提煉升華的思維過程，即通電螺線管中的磁場(chǎng)是如何形成的，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的模型是如何構(gòu)建起來的，要形成勻強(qiáng)磁場(chǎng)需滿足怎樣的條件.基于上述問題，筆者從以下幾個(gè)方面分析，為今后的物理教學(xué)有所啟迪和深思.

1 原題呈現(xiàn)

例題.（2021年浙江物理1月選考卷第8題）如圖1所示是通有恒定電流的環(huán)形線圈和螺線管的磁感線分布圖.若通電螺線管是密繞的，下列說法正確的是

圖1

（A）電流越大，內(nèi)部的磁場(chǎng)越接近勻強(qiáng)磁場(chǎng).

（B）螺線管越長，內(nèi)部的磁場(chǎng)越接近勻強(qiáng)磁場(chǎng).

（C）螺線管直徑越大，內(nèi)部的磁場(chǎng)越接近勻強(qiáng)磁場(chǎng).

（D）磁感線畫得越密，內(nèi)部的磁場(chǎng)越接近勻強(qiáng)磁場(chǎng).

2 核心素養(yǎng)

本題雖然考查的是關(guān)于磁場(chǎng)中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)概念，實(shí)質(zhì)是考查通電螺線管中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)是如何形成的，以及形成勻強(qiáng)磁場(chǎng)要滿足怎樣的條件.該題其實(shí)在建立勻強(qiáng)磁場(chǎng)模型能力的要求上是挺高的.該試題的命制較好地體現(xiàn)了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，因此解決該問題需要學(xué)生具備如下的物理核心素養(yǎng)：勻強(qiáng)磁場(chǎng)物質(zhì)觀的建立、通過理論分析構(gòu)建勻強(qiáng)磁場(chǎng)模型觀、并通過實(shí)驗(yàn)探究出勻強(qiáng)磁場(chǎng)的形成的條件（表1）.

表1 考查知識(shí)與核心素養(yǎng)

3 深度分析

核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需要通過深度學(xué)習(xí)培養(yǎng)，學(xué)生獲得的物理學(xué)科核心科素養(yǎng)反過來又能很好地促進(jìn)深度思維和學(xué)習(xí).本題所涉及知識(shí)本身似乎簡(jiǎn)單，但其涉及的物理觀念是深刻的；考生不僅要知道勻強(qiáng)磁場(chǎng)的概念，更要從本質(zhì)上去認(rèn)識(shí)勻強(qiáng)磁場(chǎng)是如何形成，物理模型又是如何建立起來.若平時(shí)不經(jīng)過深度學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的探究體驗(yàn)，僅僅從圖中給出的信息來看結(jié)果是很唐突，定然難定奪，更會(huì)使考生對(duì)所呈現(xiàn)選項(xiàng)的判斷如同“看山似山，又有看山不是山”的感覺.于是筆者先從理論上去深度探究通電線圈中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)是如何形成的及形成的條件，進(jìn)而構(gòu)建其物理模型.

（1）理論探究1：?jiǎn)卧演d流線圈軸線上磁場(chǎng)的分布.

圖2

圖3

圖4

（2）理論探究2：通電螺線管軸線上的磁場(chǎng)的分布

圖5

圖6

4 實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，很多理論都要經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn).于是筆者試圖通過鐵粉模擬和通過磁傳感器探究螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)分布情況.

筆者安排如下實(shí)驗(yàn)流程.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?磁傳感器測(cè)量通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，并描繪出螺線管管內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)弱分布情況

實(shí)驗(yàn)器材.磁傳感器，學(xué)生電源，粗細(xì)長短不同的密繞螺線管，電腦.

（1）磁傳感器.如圖7所示，磁傳感器把磁感應(yīng)強(qiáng)度變成電信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行研究.

圖7

（2）螺線管.如圖8所示，粗細(xì)長短不同的密繞螺線管.

圖8

探究過程.把探頭深入螺線管內(nèi)部，測(cè)量螺線管內(nèi)部軸線上不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度，再通過計(jì)算機(jī)可以很快采集到不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，作出磁感應(yīng)強(qiáng)度B與探頭位置x的關(guān)系曲線.

實(shí)驗(yàn)探究1：線圈中通一定大小的電流，通過磁傳感器得到如表1所示的數(shù)據(jù)，繪制出如圖9所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與探頭位置x的關(guān)系曲線.

圖9

表1 探究磁感應(yīng)強(qiáng)度B與探頭位置x的關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果1：探頭在線圈內(nèi)部軸線上3.50 cm到5.50 cm的區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小幾乎不變，約為1.65 m T（因通電螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，在軸線上移動(dòng)時(shí)會(huì)受到外界的數(shù)據(jù)擾動(dòng)）.

實(shí)驗(yàn)探究2：增大線圈中的電流，為實(shí)驗(yàn)1中2倍.通過磁傳感器得到如表2所示的數(shù)據(jù)，繪制出如圖10所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與探頭位置x的關(guān)系曲線.

圖10

表2 增大線圈中的電流

實(shí)驗(yàn)結(jié)果2：增加線圈電流，探頭在線圈內(nèi)部軸線上3.50 cm到5.50 cm的區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小幾乎不變，說明通電線圈內(nèi)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的存在區(qū)域長度與電流大小無關(guān).

實(shí)驗(yàn)探究3：線圈長度實(shí)驗(yàn)2相同，但線圈直徑變大.通過磁傳感器得到如表3所示的數(shù)據(jù)，繪制出如圖11所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與探頭位置x的關(guān)系曲線.

圖11

表3 增大線圈直徑

實(shí)驗(yàn)結(jié)果3：線圈中長度不變，但增大線圈直徑，探頭在線圈內(nèi)部軸線上3.50 cm到5.50 cm的區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)大小幾乎不變，說明通電線圈內(nèi)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的存在區(qū)域區(qū)域長度與線圈直徑大小無關(guān).

實(shí)驗(yàn)探究4：線圈長度變短，但線圈直徑不變.通過磁傳感器得到如表4所示的數(shù)據(jù)，繪制出如圖12所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與探頭位置x的關(guān)系曲線.

表4 改變線圈長度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果4：線圈直徑不變，線圈長度變短，探頭在線圈內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度變得不均勻，說明通電線圈內(nèi)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的存在區(qū)域區(qū)域長度與線圈長短有關(guān).

通過理論分析與實(shí)驗(yàn)探究表明，只有當(dāng)密繞的螺線管足夠長時(shí)其軸線上的磁場(chǎng)是均勻的，與線圈的直徑、通過的電流大小、匝數(shù)的多少無關(guān).

5 應(yīng)用拓展

（1）亥姆霍茲線圈.如圖13所示，如有一對(duì)相同的載流線圈彼此平行且共軸，通以同方向電流，當(dāng)線圈間距等于線圈的半徑時(shí)，在軸中間區(qū)域的磁場(chǎng)也是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，這種儀器裝置在電子儀器中常叫亥姆霍茲線圈.

圖13

（2）在生產(chǎn)和科學(xué)研究中往往需要把樣品放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)需要的磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，由于亥姆霍茲線圈具有開敞性質(zhì)，很容易地可以將其它實(shí)驗(yàn)儀器或樣品置入或移出，使用比較方便.如圖14和15所示為演示電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡.

圖14

圖15

6 結(jié)束語

通過對(duì)該問題的深度分析，筆者感受頗深.物理課堂教學(xué)不僅僅把概念與規(guī)律等知識(shí)教給學(xué)生就可，更多的是要給予學(xué)生有思維的空間與實(shí)驗(yàn)探究的機(jī)會(huì)，通過科學(xué)思維建立概念形成規(guī)律，并能在學(xué)生頭腦中建立和提煉升華形成觀念和能力，獲得物理素養(yǎng)，提高學(xué)生深度學(xué)習(xí)水平，進(jìn)而能很好的促進(jìn)教師有效教學(xué).