聚焦关键问题推进深度教学

摘 要：聚焦“磁流体发电机”关键问题，掌握“受力与运动分析”“化立体为平面”“宏微结合”等研究方法，论证电动势大小与是否接入负载无关，揭示其电磁感应本质。讨论磁流体发电机发电能力的影响因素，离子流速方向的压强差，为生产实践提供理论依据。

关键词：关键问题；宏微结合；发电能力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）8-0013-4

所谓深度，是指触及事物本质的一种教学方式，具有以下特征与要求：

（1）学科角度，有深度的教学应体现和反映学科本质内容，致力于培养学生解释、分析问题的意识和眼光。

（2）教师角度，有深度的教学要求教师要对问题钻得深、研得透。超越知识表层结构而进入深层结构，挖掘蕴含在知识内部的思维方式和价值取向。

（3）学生角度，有深度的教学要促进学生思维水平的发展、思维品质的提升和思维态度的养成，引导学生获取知识背后丰富的思维价值。

带电粒子在组合场中的运动问题，是高中物理的重点和难点，通常以电场和磁场交替，或是电场和磁场复合的模型呈现。磁流体发电机是此类模型的重要应用，也是物理学科知识指导生产生活实践和现代科技发展的重要体现。笔者在教学中发现，学生对其物理原理和微观本质理解不透彻，对结论和公式“死记硬背”居多。笔者尝试聚焦“磁流体发电机”的关键问题开展复习教学，挖掘微观本质，揭示思维方法，以期发展学生的高阶物理思维和学科核心素养。

1 提出问题，引发思考

问题意识，是指人们在认知过程中碰到的难以解决、存在疑虑的问题，并由此产生的困惑、探索的心理状态。这种心理状态会不断驱使个体积极思考、批判探索。在教学过程中，教师要不断激发学生的问题意识，引导学生在发现问题、提出问题、解决问题的过程中达到能力提升、思维训练的目的。

教学环节：回顾带电粒子运动在现代科技中的几类常见应用，如质谱仪、回旋加速器、速度选择器、磁流体发电机等，温习研究方法。如图1为磁流体发电机模型，已知磁感应强度B，极板间距d，离子速度v，外电阻R，极板间等效内阻r。引导学生思考并讨论关于磁流体发电机的几个关键问题，如表1所示。

2 追本溯源，分类论证

关键问题促使学生思考其物理本质。如电动势如何产生？对应的非静电力是什么？电动势大小是多少？电动势大小是否和接入负载有关？电压、功率、电场强度大小等和哪些因素有关？让学生带着问题进入课堂，有利于提升学生学习的获得感，促进深度教学的有效性。

教学环节：如图2，引导学生把磁流体发电机的实物图转化为平面图，体会“化立体为平面”的研究方法。分“接入负载”和“不接负载”两种情况进行分析，如表2。

从上述分析发现，无论是否接入负载，磁流体发电机的电动势E始终等于Bdv。根据定义：电源电动势的大小等于电源内部非静电力对单位正电荷做功的数值，即E==dvB，若两极板作为电源，要产生稳定的电动势，电源内部必然有非静电力存在，从宏观上看，垂直于极板方向的洛伦兹力充当非静电力。

3 宏微结合，关联类比

在物理规律的探究过程中，宏观和微观相互佐证、相辅相成的研究方法，体现物理规律的严密性，有助于学生形成和发展科学思维。

教学环节：若接入负载，极板内外形成电流回路，如图3，极板间的正、负离子存在垂直极板方向的定向移动（因电源内外部电流大小相同，该速度暂且认为和外电路电子定向移动速率v相同）。垂直极板方向的离子定向移动速度v对应水平向左的洛伦兹力f2=qvB，n个洛伦兹力叠加，FA=nf2=nqvB=ItvB=BId，即得到宏观呈现的安培力。离子朝两极板积聚的过程，合速度方向斜向右上方，合洛伦兹力方向斜向左上方。

复习课教学强调知识关联和体系建构。知识的获得过程是新旧知识相互作用的过程，不仅需要关注知识自身的发生、形成和发展的内在过程，更要关注它与原有知识的有机联系。通过关联，学生具备了在新旧知识中求同存异的能力，丰富了原有的认知结构。如果教师把所传授的知识置入关联之中，课堂里的知识空间就自然形成了。

教学环节：引导学生思考比较与“磁流体发电机”相似的物理模型，回顾“动生电动势”的学习，导体棒在磁场中切割磁感线产生感应电动势。如图4，对导体棒内部自由电子的受力情况、洛伦兹力做功情况开展类似的分析可得，导体棒两端的感应电动势E=dvB。故可把进入磁流体发电机两极板间的一排正、负离子看成是一根向右运动的“导体棒”，在切割过程产生感应电动势也是E=Bdv，说明发电本质即“单棒切割”本质。

4 聚焦思维，拓展深化

教学环节：

猜想：磁流体发电机的发电能力与哪些因素相关？

学生：磁感应强度B，离子喷射速度v。

如图5，若磁流体发电机极板间等离子体自左向右射入，喷射速度为v。已知极板间长、高、宽分别为l、a、b，磁感应强度为B，外电阻为R，等效电阻率为ρ。若回路为纯电阻电路，在接入负载后：

5 反馈实践，助推生产

物理学科作为自然科学的重要分支，与生产生活实践有着密切关联。紧密联系生活实际，有助于学生加深“物理知识来源生活，回馈实践”的体会。

教学环节：

磁流体发电机有何优点和缺点？采取学生回答、教师补充的方式。

优点：环保，废气依然高温，可以不排入大气，循环利用。

缺点：功率偏小，强磁场难以获得，等离子体附着在正负极板上，对材料耐高温、耐腐蚀要求高。

综上所述，以“磁流体发电机”复习课教学为例，用五个关键问题为引，深度探讨、论证磁流体发电机的电动势大小与是否接入负载无关，并揭示其电磁感应本质。引导学生掌握“受力与运动分析”“化立体为平面”“从微观到宏观”等研究方法；理解“能量搬运工”洛伦兹力永不做功的物理观念；讨论发电能力影响因素和离子流速方向的压强差，为生产实践提供理论依据，培养学生形成高阶物理思维，提升学科核心素养。

参考文献：

［１］张轶炳．动态信息加工模型下的自主科学探究培养学生的物理核心素养［Ｊ］．物理教学探讨，２０２１，39（１１）：１－５．

［２］於罗英．浅析“磁流体发电机”的教学难点突破［Ｊ］．中学物理教学参考，２００８，37（３）：１６．

（栏目编辑 赵保钢）