聚焦關(guān)鍵問題推進(jìn)深度教學(xué)

摘 要：聚焦“磁流體發(fā)電機(jī)”關(guān)鍵問題，掌握“受力與運動分析”“化立體為平面”“宏微結(jié)合”等研究方法，論證電動勢大小與是否接入負(fù)載無關(guān)，揭示其電磁感應(yīng)本質(zhì)。討論磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電能力的影響因素，離子流速方向的壓強(qiáng)差，為生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵問題；宏微結(jié)合；發(fā)電能力

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0013-4

所謂深度，是指觸及事物本質(zhì)的一種教學(xué)方式，具有以下特征與要求：

（1）學(xué)科角度，有深度的教學(xué)應(yīng)體現(xiàn)和反映學(xué)科本質(zhì)內(nèi)容，致力于培養(yǎng)學(xué)生解釋、分析問題的意識和眼光。

（2）教師角度，有深度的教學(xué)要求教師要對問題鉆得深、研得透。超越知識表層結(jié)構(gòu)而進(jìn)入深層結(jié)構(gòu)，挖掘蘊(yùn)含在知識內(nèi)部的思維方式和價值取向。

（3）學(xué)生角度，有深度的教學(xué)要促進(jìn)學(xué)生思維水平的發(fā)展、思維品質(zhì)的提升和思維態(tài)度的養(yǎng)成，引導(dǎo)學(xué)生獲取知識背后豐富的思維價值。

帶電粒子在組合場中的運動問題，是高中物理的重點和難點，通常以電場和磁場交替，或是電場和磁場復(fù)合的模型呈現(xiàn)。磁流體發(fā)電機(jī)是此類模型的重要應(yīng)用，也是物理學(xué)科知識指導(dǎo)生產(chǎn)生活實踐和現(xiàn)代科技發(fā)展的重要體現(xiàn)。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對其物理原理和微觀本質(zhì)理解不透徹，對結(jié)論和公式“死記硬背”居多。筆者嘗試聚焦“磁流體發(fā)電機(jī)”的關(guān)鍵問題開展復(fù)習(xí)教學(xué)，挖掘微觀本質(zhì)，揭示思維方法，以期發(fā)展學(xué)生的高階物理思維和學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 提出問題，引發(fā)思考

問題意識，是指人們在認(rèn)知過程中碰到的難以解決、存在疑慮的問題，并由此產(chǎn)生的困惑、探索的心理狀態(tài)。這種心理狀態(tài)會不斷驅(qū)使個體積極思考、批判探索。在教學(xué)過程中，教師要不斷激發(fā)學(xué)生的問題意識，引導(dǎo)學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的過程中達(dá)到能力提升、思維訓(xùn)練的目的。

教學(xué)環(huán)節(jié)：回顧帶電粒子運動在現(xiàn)代科技中的幾類常見應(yīng)用，如質(zhì)譜儀、回旋加速器、速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)等，溫習(xí)研究方法。如圖1為磁流體發(fā)電機(jī)模型，已知磁感應(yīng)強(qiáng)度B，極板間距d，離子速度v，外電阻R，極板間等效內(nèi)阻r。引導(dǎo)學(xué)生思考并討論關(guān)于磁流體發(fā)電機(jī)的幾個關(guān)鍵問題，如表1所示。

2 追本溯源，分類論證

關(guān)鍵問題促使學(xué)生思考其物理本質(zhì)。如電動勢如何產(chǎn)生？對應(yīng)的非靜電力是什么？電動勢大小是多少？電動勢大小是否和接入負(fù)載有關(guān)？電壓、功率、電場強(qiáng)度大小等和哪些因素有關(guān)？讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入課堂，有利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)的獲得感，促進(jìn)深度教學(xué)的有效性。

教學(xué)環(huán)節(jié)：如圖2，引導(dǎo)學(xué)生把磁流體發(fā)電機(jī)的實物圖轉(zhuǎn)化為平面圖，體會“化立體為平面”的研究方法。分“接入負(fù)載”和“不接負(fù)載”兩種情況進(jìn)行分析，如表2。

從上述分析發(fā)現(xiàn)，無論是否接入負(fù)載，磁流體發(fā)電機(jī)的電動勢E始終等于Bdv。根據(jù)定義：電源電動勢的大小等于電源內(nèi)部非靜電力對單位正電荷做功的數(shù)值，即E==dvB，若兩極板作為電源，要產(chǎn)生穩(wěn)定的電動勢，電源內(nèi)部必然有非靜電力存在，從宏觀上看，垂直于極板方向的洛倫茲力充當(dāng)非靜電力。

3 宏微結(jié)合，關(guān)聯(lián)類比

在物理規(guī)律的探究過程中，宏觀和微觀相互佐證、相輔相成的研究方法，體現(xiàn)物理規(guī)律的嚴(yán)密性，有助于學(xué)生形成和發(fā)展科學(xué)思維。

教學(xué)環(huán)節(jié)：若接入負(fù)載，極板內(nèi)外形成電流回路，如圖3，極板間的正、負(fù)離子存在垂直極板方向的定向移動（因電源內(nèi)外部電流大小相同，該速度暫且認(rèn)為和外電路電子定向移動速率v相同）。垂直極板方向的離子定向移動速度v對應(yīng)水平向左的洛倫茲力f2=qvB，n個洛倫茲力疊加，F(xiàn)A=nf2=nqvB=ItvB=BId，即得到宏觀呈現(xiàn)的安培力。離子朝兩極板積聚的過程，合速度方向斜向右上方，合洛倫茲力方向斜向左上方。

復(fù)習(xí)課教學(xué)強(qiáng)調(diào)知識關(guān)聯(lián)和體系建構(gòu)。知識的獲得過程是新舊知識相互作用的過程，不僅需要關(guān)注知識自身的發(fā)生、形成和發(fā)展的內(nèi)在過程，更要關(guān)注它與原有知識的有機(jī)聯(lián)系。通過關(guān)聯(lián)，學(xué)生具備了在新舊知識中求同存異的能力，豐富了原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。如果教師把所傳授的知識置入關(guān)聯(lián)之中，課堂里的知識空間就自然形成了。

教學(xué)環(huán)節(jié)：引導(dǎo)學(xué)生思考比較與“磁流體發(fā)電機(jī)”相似的物理模型，回顧“動生電動勢”的學(xué)習(xí)，導(dǎo)體棒在磁場中切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如圖4，對導(dǎo)體棒內(nèi)部自由電子的受力情況、洛倫茲力做功情況開展類似的分析可得，導(dǎo)體棒兩端的感應(yīng)電動勢E=dvB。故可把進(jìn)入磁流體發(fā)電機(jī)兩極板間的一排正、負(fù)離子看成是一根向右運動的“導(dǎo)體棒”，在切割過程產(chǎn)生感應(yīng)電動勢也是E=Bdv，說明發(fā)電本質(zhì)即“單棒切割”本質(zhì)。

4 聚焦思維，拓展深化

教學(xué)環(huán)節(jié)：

猜想：磁流體發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力與哪些因素相關(guān)？

學(xué)生：磁感應(yīng)強(qiáng)度B，離子噴射速度v。

如圖5，若磁流體發(fā)電機(jī)極板間等離子體自左向右射入，噴射速度為v。已知極板間長、高、寬分別為l、a、b，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，外電阻為R，等效電阻率為ρ。若回路為純電阻電路，在接入負(fù)載后：

5 反饋實踐，助推生產(chǎn)

物理學(xué)科作為自然科學(xué)的重要分支，與生產(chǎn)生活實踐有著密切關(guān)聯(lián)。緊密聯(lián)系生活實際，有助于學(xué)生加深“物理知識來源生活，回饋實踐”的體會。

教學(xué)環(huán)節(jié)：

磁流體發(fā)電機(jī)有何優(yōu)點和缺點？采取學(xué)生回答、教師補(bǔ)充的方式。

優(yōu)點：環(huán)保，廢氣依然高溫，可以不排入大氣，循環(huán)利用。

缺點：功率偏小，強(qiáng)磁場難以獲得，等離子體附著在正負(fù)極板上，對材料耐高溫、耐腐蝕要求高。

綜上所述，以“磁流體發(fā)電機(jī)”復(fù)習(xí)課教學(xué)為例，用五個關(guān)鍵問題為引，深度探討、論證磁流體發(fā)電機(jī)的電動勢大小與是否接入負(fù)載無關(guān)，并揭示其電磁感應(yīng)本質(zhì)。引導(dǎo)學(xué)生掌握“受力與運動分析”“化立體為平面”“從微觀到宏觀”等研究方法；理解“能量搬運工”洛倫茲力永不做功的物理觀念；討論發(fā)電能力影響因素和離子流速方向的壓強(qiáng)差，為生產(chǎn)實踐提供理論依據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生形成高階物理思維，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

［１］張軼炳．動態(tài)信息加工模型下的自主科學(xué)探究培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)［Ｊ］．物理教學(xué)探討，２０２１，39（１１）：１－５．

［２］於羅英．淺析“磁流體發(fā)電機(jī)”的教學(xué)難點突破［Ｊ］．中學(xué)物理教學(xué)參考，２００８，37（３）：１６．

（欄目編輯 趙保鋼）