初中物理“磁悬浮”内容的透视与重构

童大振　邢红军　任红梅

摘要：初中物理教科书呈现磁悬浮列车的悬浮原理模糊化，这是造成人们对悬浮原理产生困扰的根源.因此，在对磁悬浮列车分类的基础上，揭示中考相关试题的错误，尝试对教科书内容进行重构，为磁悬浮列车悬浮问题的教学提供了有益方案.

关键词：教科书;磁悬浮;分类;重构

文章编号：1008-4134（2019）20-0019中图分类号：G633.7文献标识码：B

作者简介：童大振（1993-），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向：物理教学论;

邢红军（1960-），男，河南平舆人，博士，教授，博士生导师，研究方向：物理教学论、学科能力发展与培养;

任红梅（1994-），女，安徽阜阳人，博士研究生，研究方向：大气光学.

1问题的提出

“磁悬浮列车”作为初中物理“电与磁”一章的生动案例，被各版本教科书引用.然而，对其原理的理解却长期存在争论，其焦点在于：“磁悬浮列车浮起来的原理究竟是什么？”.目前的普遍认识是：“列车能够浮起来是受到了轨道对它施加的一个竖直向上的排斥力，因此，磁悬浮列车浮起的原理是‘同名磁极相互排斥”.但是，细心的读者发现教材上对磁悬浮列车原理的描述并非如此，而是“磁极间的相互作用”.这就直接引发了对磁悬浮原理的讨论[1][2].尽管如此，却罕有论者从教科书内容呈现的角度寻找原因，致使该问题遗留至今.笔者认为，造成这种困扰的源头在于教科书.虽然不同版本初中物理教科书对该问题均有描述，但没有任何一版教材对磁悬浮列车的工作原理给出详尽解释.

2磁悬浮列车的教科书呈现

以人教版教科书为例，关于磁悬浮列车介绍的内容为：“目前许多国家在研制高速磁浮列车，其上所用的磁体大多是通有强大电流的电磁铁.磁浮列车的车厢和铁轨上分别安放着磁体，磁极相对.由于磁极间的相互作用，列车能够在铁轨上方几厘米的高度上飞驰，避免了来自车轮与轨道之间的摩擦力，突破了以往列车的速度极限，每小时可运行500km以上.这几乎达到了短程飞机的航速，并且噪声低、动力损耗少、稳定性高.2003年，我国上海市龙阳路至浦东机场的磁浮铁路成为世界上第一条商业运营的磁浮铁路.”[3]从描述中不难发现，列车浮起来的原理为“磁极间的相互作用”.

进一步梳理现行各版本初中物理教科书，对磁悬浮列车浮起来的原理描述见表1.

通过比较不同版本教科书对磁悬浮列车悬浮原理的描述可以看出，教科书对列车悬浮原理表述虽存在微小差异，但本质上都是“磁极间的相互作用”，既包括“同名磁极相互排斥”又含有“异名磁极相互吸引”.那么，究竟什么样的磁悬浮列车利用了“同名磁极相互排斥”原理？何种磁悬浮列车利用了“异名磁极相互吸引”原理？它们分别又是怎样工作的？对于这个关键性的问题，各版本教科书中却语焉不详，这就影响了初中生对磁悬浮列车的理解.因此，对磁悬浮列车的悬浮原理进行研究，这是解开磁悬浮列车问题困惑的关键.

3磁悬浮列车的分类

按照悬浮原理，可将磁悬浮列车分为以日本为代表的超导磁斥式（EDS）磁悬浮列车和以德国为代表的常导磁吸式（EMS）磁悬浮列车[7].这两种列车采用了不同的方法将列车悬在空中，事实证明，这两种方法都是切实可行的.

EDS（ElectrodynamicsSuspension）型磁悬浮列车的悬浮系统结构示意图如图1所示.此类型列车在车辆底部安装超导磁体，在轨道两侧铺设一系列铝环线圈.列车运行时，给车上线圈（超导磁体）通电流，产生强磁场，地上“U”型线圈（铝环）与之相切割，在铝环内产生感应电流.感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力.当排斥力大于车辆重量时，车辆就浮起来了.因此，EDS型磁悬浮列车的悬浮原理为“同名磁极相互斥”，悬浮原理图如图2所示.

EMS（ElectromagneticSuspension）型磁悬浮列车的悬浮系统结构示意图如图3所示.此種列车在车辆两侧转向架（“两腿”）上装有车身线圈，在“T”型导轨上铺设轨道线圈，车体“两腿”把“T”型轨道环抱住.列车运行时，同时给车身线圈和轨道线圈通上电流，使上下相对的轨道线圈和车身线圈产生异名磁极，在磁场作用下产生强大的吸引力使车辆浮起.因此，EMS型磁悬浮列车的悬浮原理为“异名磁极相互排吸引”，悬浮原理图如图4所示.

2000年6月，中国上海市与德国磁浮国际公司合作进行中国高速磁浮列车示范运营线可行性研究.2003年1月，我国上海市龙阳路至浦东机场的磁浮铁路投入使用并成为世界上第一条商业运营的磁浮铁路.因此，上海市的磁悬浮列车属于EMS型列车.同样，2016年5月开通运营的中国首条拥有完全自主知识产权的中低速磁浮铁路——长沙磁浮快线也属于EMS型列车[8].它们的悬浮原理均为“异名磁极相互吸引”.

4磁悬浮列车教科书内容的重构

通过对磁悬浮列车进行分类，可以很明确地看出，磁悬浮列车浮起来的原理不仅有“同名磁极相互排斥”，亦有“异名磁极相互吸引”.长期以来普遍认为的“同名磁极相互排斥”原理是片面的，中考错误试题或错误答案的出现便是这种认识的折射.

例1（2017年吉林延边12题）磁悬浮列车在车厢和铁轨上分别安放磁体，并使它们的磁极相互（选填“排斥”或“吸引”），从而使列车从铁轨上“浮”起来，达到的目的.（答案：排斥，减小阻力）

例2（2008年湖北襄阳31题）磁悬浮列车是利用的原理从铁轨上浮起来的.现在有一辆磁悬浮列车以150m/s的速度在轨道上匀速行驶，那么行驶270Km的路程需要h.（答案：“同名磁极相互排斥”或者“磁极间的相互作用”，0.5）

从例1的“答案”中可以很明确地得出，列车悬浮的原理就是“同名磁极相互排斥”.然而对于同样的问题，例2却给出了“同名磁极相互排斥”或者“磁极间的相互作用”两个“答案”.显然，“磁极间的相互作用”包含“同名磁极相互排斥”和“异名磁极相互吸引”，对于该答案，有质疑声称：“如果‘同名磁极相互排斥正确，那么‘异名磁极相互吸引也不应当判错”.倘若“同名磁极相互排斥”和“异名磁极相互吸引”都正确，那么例1的“选填”又将如何处理？可以断定，例1中的“选填”是缺少前提条件的，是一道错误试题.而例2的标准答案应该为“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”或“磁极间的相互作用”，这样“或”字连接的两个答案才等价.

现行教科书对磁悬浮列车悬浮原理的“粗线条”解释是师生理解悬浮原理窄化、试题错误化的源头.只有清晰地呈现各类型磁悬浮列车悬浮原理，才能消除学生对磁悬浮列车悬浮问题的困扰，避免类似错误试题再次出现.基于此，笔者尝试对教科书中磁悬浮列车内容进行重构.重构内容如下.

磁悬浮列车是一种快速、舒适、经济、无污染和低能耗的现代化交通工具.它是利用磁极间相互作用原理设计的，通以强大电流的电磁铁产生巨大的磁场力使列车浮起（悬浮气隙为10～100mm）从而大大减小运行阻力，突破了以往列车的速度极限，每小时可运行500km以上.根据悬浮系统的不同，可将磁悬浮列车分为超导磁斥式——EDS（ElectrodynamicsSuspension）磁悬浮列车（如图1所示）和常导磁吸式——EMS（ElectromagneticSuspension）磁悬浮列车（如图3所示）.它们的异同点见表2.

重构后的内容不仅介绍了磁悬浮列车的特点，更为重要的是，对磁悬浮列车进行了分类，并说明了各类型列车悬浮原理的区别.这样的内容呈现既在横向上拓宽了师生对磁悬浮列车种类的了解，又在纵向上加深了师生对电磁铁应用的理解，从而避免了现行教科书模糊化描述带来的一系列问题.

5小结

著名科学史家托马斯˙库恩在《科学革命的结构》中指出：“学科学的学生接受理论，是教师和教科书的权威造成的，而不是因为证据.”[9]因此，要教给学生正确的物理知识，就不能把教师和教材作为权威，而要基于证据.正是由于“证据”不足，从教科书呈现磁悬浮列车教学内容以来，人们对磁悬浮列车悬浮原理的探讨就绵延不断.然而，这些“证据”只是隔靴搔痒式地指出问题所在，对避免教科书模糊化带来的诸多错误显得乏力.有鉴于此，笔者重构磁悬浮列车教科书内容，希望能够从问题源头终止如例1错误命题和例2错误答案的现象出现，能够对初中磁悬浮列车教学提供有益的启示.

参考文献：

[1]徐定邦.上海磁悬浮列车究竟是什么原理[J].物理教师，2006（08）：39.

[2]潘富海.磁悬浮列车究竟是怎样浮起来的[J].数理化学习（初中版），2004（03）：32-33.

[3]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·物理（九年级全一册）[M].北京：人民教育出版社，2013.

[4]阎金铎.义务教育课程标准实验教科书·物理（九年级全一册）[M].北京：北京师范大学出版社，2008.

[5]刘炳昇，李荣.义务教育教科书·物理（九年级下册）[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2013.

[6]朱清时.义务教育课程标准实验教科书·科学（八年级下册）[M].杭州：浙江教育出版社，2014.

[7]张金平，张奕黄.磁懸浮列车的原理及现状[J].交通科技，2002（06）：81-84.

[8]肖飞.中低速磁浮交通的技术经济性分析[J].铁道工程学报，2017，34（03）：99-105.

[9]托马斯·库恩著，金吾伦，胡新和译.科学革命的结构[M].北京：北京大学出版社，2012.

（收稿日期：2019-06-17）