王言利

(江苏省镇江中学 江苏 镇江 212017)

1 问题的提出

一次高三模拟考试中有这样一道计算题.

【例1】动圈式话筒是一种结构简单、使用方便的传声器,它的结构如图1所示.主要由振动膜片、音圈、永磁铁和升压变压器等组成.它的工作原理是当人对着话筒讲话时，膜片就随着声音颤动，从而带动连在一起的音圈在磁场中作运动，线圈两端就会产生感应电动势，从而完成声电转换.若圆环形音圈的匝数为N，半径为r，音圈所用导线的横截面积为S，电阻率为ρ，其振动时所在区域的磁感应强度为B.

图1 动圈式话筒示意图

(1)求音圈的电阻；

(2)若某时刻音圈的切割速率为v，求此时音圈中产生的电动势；

(3)若音圈的切割速度按v=v0sinωt变化，话筒工作时和音圈相连的后续电路可等效成电阻为R的负载，求音圈输出的电功率.

这道题是一个实际电磁感应问题，问题情境来自生活实际，可以在人教版《物理·选修3-2》第4节法拉第电磁感应定律问题与练习中找到与它类似的问题，教材上的问题情境是一个动圈式扬声器.扬声器反过来是可以当做话筒用的，它和动圈式话筒应用了相同的原理并具有相类似的声电转化结构.作为试卷的第一道计算题，虽然该题目在计算上的难度不大，但是这样的实际物理问题与同学们所熟悉的那些模型化的电磁感应习题很不一样，学生遇到这种熟悉又陌生的问题会感到一些困惑.看似不难的题目，很多学生解答得并不好，这其中的原因值得我们去研究.

2 实际物理问题的特点

物理问题可以分为两种，第一种被称为物理习题；第二种被称为实际物理问题.实际物理问题是在现实世界中客观存在的，尚未被分解、简化、抽象的物理问题，它具有以下两个特征：(1)来自真实生活情境，只是对现象进行描述，没有对现象作过度抽象；(2)具有客观性、复杂性、已知条件的隐蔽性和答案的合理性，但有时并不具有精确性.物理习题则是指将实际问题经过合理的分解、简化和抽象后形成的问题，这类问题往往是为巩固物理概念、规律而人为加工选编出来的，例如教科书、教参和各类中学物理辅导资料中大多数的题目.习题是人为设置的且条件控制严格，物理情境的真实性因此受到破坏，使学生解答习题的思维活动与解决实际问题的思维活动相去甚远.这就造成很多学生只知道根据已知条件和现成的物理模型去解题，但是遇到一些实际物理问题时却束手无策.因此虽然学生在物理课上学习了电磁感应问题，也做了很多电磁感应的习题，比如导体棒切割磁感线类问题，线圈在磁场中转动类问题，但是遇到动圈式扬声器这样的实际问题时解答得并不好.究其原因是学生做的习题已经被加工简化，也就是说解决实际问题过程中所需要的分析、抽象、概括和建立模型等科学思维方法被出题者代替学生完成了，从而使学生在习题解决过程中失去了发展一些科学思维能力的机会.

3 实际物理问题的解决过程

学生解决实际问题需要经历3个相互衔接的过程：第一，分辨与概括，即弄清楚面对的实际问题是什么，有什么样的现象和科学事实；第二，建构物理模型，即把实际问题进行分解、简化、抽象后转化为相关的物理模型；第三，推理和计算，根据相关概念、定律和公式进行推理和演算，解決问题.

本文题目中对动圈式话筒这个问题的解决，需要学生对动圈式话筒的结构进行分析，认识动圈话筒应用了电磁感应规律这个物理本质，然后在法拉第电磁感应定律的基础上，对动圈式话筒进行抽象，构建导体切割磁感线的模型.这要求学生能把直导线切割磁感线的知识迁移到弯曲的导线垂直切割磁感线情境上面，对建构物理模型的能力具有较高要求.接下来，在物理模型的基础上进行理论推导和计算，套在N极上的线圈在膜片的带动下往复运动，每个线圈都做垂直切割磁感线运动，可以根据E=BLv求出线圈产生的总感应电动势,即E=NB×2πr×v=2πNBrv.解决动圈式话筒这个问题的另外一个障碍就是磁场的分布没有直接画出，也需要学生根据已有经验进行分析.这里的磁场可以看做是两个并排的U形磁铁产生的，U形磁铁口两磁极相对的部分近似为匀强磁场，其磁感线的分布如图2所示.

图2 U形磁铁口磁感线的分布示意图

通过磁感线的分布可以看出，音圈在切割磁感线运动的时候，线圈所在区域的磁场是匀强磁场，磁场方向与线圈的运动方向垂直.线圈的速度按正弦规律变化，因此产生的感应电动势也按正弦规律变化，即音圈产生的电流是正弦交流电，其表达式为

e=2πNBrv0sinωt

其电动势的有效值为

输出功率为

4 实际物理问题的教学价值

新课程标准制定了学科的核心素养，物理的核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”，其中科学思维是从物理学的角度对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构物理模型的抽象过程，包括模型建构、科学推理、科学论证等要素[1].中国基础物理教育的传统是比较注重知识传授，教学以习题训练为主，培养出来的学生具有扎实的知识基础和很好的逻辑推理能力.但是学生在抽象与概括、建构科学模型、质疑与科学创新等科学素养方面的表现却不尽人意，这也使我们的基础教育饱受社会诟病.杨振宁说:“做很多习题,只能说是训练独立思考能力的一半，而另一半的方法是复杂的，不是每个学生都能采纳同样的建议或劝告，这个方法要靠自己去摸索.”[2]物理教学的价值体现就是培养全体公民的科学素质，而物理问题尤其是实际物理问题的解决是科学素养的实在体现.在现实的情境中能够通过独立思考做出合理的判断和选择,能够运用所学的知识和经验解决实际问题,这也是物理核心素养的重要内容.

实际物理问题由于具有原始性和复杂性等特点，学生解决实际问题的过程也就是经历运用科学思维与探究的过程.面对一个信息复杂、客观真实的实际问题，学生找不到可以拿来效仿的原型，也没有既成的经验作为指导，只能通过独立思考，不断尝试，对问题进行探索尝试.解决实际物理问题所需要的物理图像或物理模型通常是隐藏的，学生只能根据某些事实或已知理论，运用抽象、概括、建立模型、类比、猜测等科学思维对实际问题的本质形成适应性、启发性的领悟，这种科学抽象思维就带有跳跃式提取和加工信息的特点.

因此实际物理问题可以弥补习题真实情境缺失的缺点，有效培养学生的科学思维能力和解决问题的能力.高中物理教学越来越重视与生活实际及现代社会及科技发展的联系，在我们的物理教材中也有很多的实际问题，比如电磁流量计，等离子体发电，动圈式扬声器等等，教材中的这些材料经常被拿来改编成各种考试题目，成为考试命题者钟爱的题目原型，使用实际问题对学生进行物理能力测试或许将是未来考试命题的一个发展趋势.物理教师要养成课程资源意识,不断地发现实际物理问题，指导学生解决一些实际物理问题，使学生体会基于经验事实建构物理模型的过程以及分析综合、推理论证方法在实际问题解决中的应用，从而落实核心素养中对科学思维能力的培养.