2025年02期
元思课堂视域下感生电场教学的思维进阶
【关键词】 ；
【正文】 摘 要：为全面落实学生学科核心素养培育，促进学生思维能力提升，华科附中在教学实践中提出了“元思课堂”的教学体系。本文以感生电场分布与电势差计算为例，探究物理元思课堂的实施策略。
关键词：核心素养；元思课堂；感生电场
“元思课堂”是以培养学生“元思”的科学思维为目标，从学生的本源出发，以发展其多元思维、深度思维为重点，引导学生回到思维的起点、学会思考的方法，调控思维的过程，最终优化其思维品质、提升其思维层次，提高思维能力的教学形态。
在高中物理电磁学教学中，感生电动势的求解常因学生忽视感生电场的全域性而陷入误区。本文以感生电场分布与电势差计算为例，借助元思课堂的“本源-起点-多元-深度”四维框架，剖析学生认知误区，重构科学思维路径，展现物理规律与思维品质的共生关系。
一、本源思维，回归麦克斯韦电磁理论的认知锚点
法拉第实验发现变化的磁场会在闭合导体回路中产生感应电流。麦克斯韦认为，即使没有导体回路，变化的磁场本身会激发一种电场，这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的，我们把它叫作感生电场（非静电场）。如果此时空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生感应电流，也就是说导体中产生了感生电动势。
感生电场的起源是随时间变化的磁场激发，与电荷无关。如果用E感 表示感生电场的场强，回路中磁通量的变化全是由磁场的变化所引起的，法拉第电磁感应定律可表示为
从场的观点来看，无论空间中是否有导体，变化的磁场总是在空间激发电场。也就是说，如果有导体回路存在时，感生电场的作用驱使导体中的自由电荷作定向运动，从而回路中有感应电流；如果不存在导体回路，就没有感应电流，但是变化的磁场所激发的电场还是客观存在的。
二、起点思维，以认知冲突驱动模型重构
在实际教学中，我们经常会遇见感生电场中求两点电势差的题型。如用均匀导线做成半径为R的圆形线框，导线电阻率为ρ，横截面积为S，圆形线框的一半处在和纸面垂直向里的匀强磁场中，如图所示，当磁场以k的变化率均匀增强时，求线框中点M、N两点电势差的大小。
学生会认为圆形线框的左半部分磁通量变化而产生感应电动势，所以把左半部分线框看作电源，右半部分看作外电路，其感应电动势为E，则M、N两点间的电势差即为电源的路端电压。
根据法拉第电磁感应定律，
由麦克斯韦的电磁场理论，我们知道尽管磁场区域有限，感生电场区域却是无限的。感生电场即涡旋电场，它不仅分布在磁场内，还分布在磁场外，因此不在磁场区的导体也有感应电动势，可见此种解法仅仅把左半部分等效为电源是科学性的错误。
为解决以上问题，首先我们需要知道感生电场和静电场的区别
在保守场中，做功与路径无关，物体在这种场中具有一种与位置有关的能量，我们把这种能量成为势能，有了势能，进而可以定义势的概念，可见，势与势能的概念是在保守场中建立的，由于静电场是保守场，所以在静电场中是可以建立电势和电势差的概念的。然而感生电场是非保守场，故在感生电场中不存在电势、电势差、电势能的概念。
三、多元思维，多维度视角下的认知拓展
作出E感-r图像如图3，在圆形磁场区域中，磁场区域内外都存在涡旋电场，在圆形区域内涡旋电场强度随半径线性增大，在圆外涡旋电场场强随半径成反比例减小，不能简单的认为只有磁场内感生电场是均匀的，无磁场区不存在感生电场。
若空间中存在轴向均匀变化的方形磁场，磁场的变化率为k （k > 0），在方形磁场中以O点为坐标原点，在xoy平面的空间内感生电场的变化规律：
正方形感生电场与圆形相似，在磁场区域内外都存在涡旋电场，关于中心O对称的两点感生电场大小相等、方向相反。
如图1所示这种情况，把左半部分作为电源很明显是不正确的，如果磁场区域如图4是正方形，这种作法也是错误的。对于感生电场的电路问题，最好不讨论局部电路及磁场之外的电势差问题。但是高中阶段是可以用法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律计算全电路的感应电动势和感应电流。
四、深度思维，从解题技巧到物理本质的跃迁
因感生电场是涡旋场，所以感生电场不存在电势和电势差，如果在纯感生电场中讨论电势、电势差、电势能是没有意义的。但在有导体存在时，电荷在感生电场的作用下重新分布进而产生静电场，会出现电势、电势差的问题，而只有静电场对电势和电势差是有意义的。
当圆形导体回路l1 和l2 放置于半径为R的同圆心均匀变化圆形磁场中时，导体回路中不仅有感应电动势，还有感应电流，导体为粗细均匀的同种材料，因此闭合导体上任意两点不存在电势差。若导体回路半径为r1和r2，可得两回路产生的感应电动势
由此可以看出，在磁场区域内，回路l1 产生的感生电动势正比于r2，在磁场区域外回路l2产生的感生电动势是常数，此结论和利用法拉第电磁感应定律E=N■得到的结果是一致的，需要注意的是S是回路内磁场的有效面积。在回路l2中，磁场区域的涡旋电场并不是均匀的，但是其感生电动势是一个定值，随着半径增大，涡旋电场在反比例减小，回路周长在正比例增大，二者乘积与回路半径无关。
若在半径为R的圆形磁场区域放置长度为l的金属棒，棒两端产生的感生电动势
有金属棒存在时，电荷聚集在金属棒两端，金属棒两端就有了电势差，但是高中阶段对于感生电场的电势差不做要求。
五、结语
通过将元思课堂理念深度融入感生电动势教学，我们不仅教会学生更好的认识感生电场，更赋予他们透视物理本质的思维利刃。这正是“授人以渔”的深层教育智慧。元思课堂的价值便得到充分彰显。这种以思维发展为轴心的教学设计，使物理课堂成为锤炼科学思维的熔炉。
参考文献：
[1]鲁周超. 以“元思课堂”撬动学生思维能力发展[J]. 人民教育，2024，No.925（24）：59-61.
[2]鲁周超，李斌，许文. 基于核心素养培育的中学物理元思课堂实施策略——以力学等时圆为例[J]. 中小学实验与装备，2023，v.33；No.186（02）：41-45.
[3]苏哲，郑海霞. 有关感生电动势的再讨论——从实验的角度来论证[J]. 物理教师，2025，v.46；No.502（01）：59-60+64.
关键词：核心素养；元思课堂；感生电场
“元思课堂”是以培养学生“元思”的科学思维为目标，从学生的本源出发，以发展其多元思维、深度思维为重点，引导学生回到思维的起点、学会思考的方法，调控思维的过程，最终优化其思维品质、提升其思维层次，提高思维能力的教学形态。
在高中物理电磁学教学中，感生电动势的求解常因学生忽视感生电场的全域性而陷入误区。本文以感生电场分布与电势差计算为例，借助元思课堂的“本源-起点-多元-深度”四维框架，剖析学生认知误区，重构科学思维路径，展现物理规律与思维品质的共生关系。
一、本源思维，回归麦克斯韦电磁理论的认知锚点
法拉第实验发现变化的磁场会在闭合导体回路中产生感应电流。麦克斯韦认为，即使没有导体回路，变化的磁场本身会激发一种电场，这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的，我们把它叫作感生电场（非静电场）。如果此时空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生感应电流，也就是说导体中产生了感生电动势。
感生电场的起源是随时间变化的磁场激发，与电荷无关。如果用E感 表示感生电场的场强，回路中磁通量的变化全是由磁场的变化所引起的，法拉第电磁感应定律可表示为
从场的观点来看，无论空间中是否有导体，变化的磁场总是在空间激发电场。也就是说，如果有导体回路存在时，感生电场的作用驱使导体中的自由电荷作定向运动，从而回路中有感应电流；如果不存在导体回路，就没有感应电流，但是变化的磁场所激发的电场还是客观存在的。
二、起点思维，以认知冲突驱动模型重构
在实际教学中，我们经常会遇见感生电场中求两点电势差的题型。如用均匀导线做成半径为R的圆形线框，导线电阻率为ρ，横截面积为S，圆形线框的一半处在和纸面垂直向里的匀强磁场中，如图所示，当磁场以k的变化率均匀增强时，求线框中点M、N两点电势差的大小。
学生会认为圆形线框的左半部分磁通量变化而产生感应电动势，所以把左半部分线框看作电源，右半部分看作外电路，其感应电动势为E，则M、N两点间的电势差即为电源的路端电压。
根据法拉第电磁感应定律，
由麦克斯韦的电磁场理论，我们知道尽管磁场区域有限，感生电场区域却是无限的。感生电场即涡旋电场，它不仅分布在磁场内，还分布在磁场外，因此不在磁场区的导体也有感应电动势，可见此种解法仅仅把左半部分等效为电源是科学性的错误。
为解决以上问题，首先我们需要知道感生电场和静电场的区别
在保守场中，做功与路径无关，物体在这种场中具有一种与位置有关的能量，我们把这种能量成为势能，有了势能，进而可以定义势的概念，可见，势与势能的概念是在保守场中建立的，由于静电场是保守场，所以在静电场中是可以建立电势和电势差的概念的。然而感生电场是非保守场，故在感生电场中不存在电势、电势差、电势能的概念。
三、多元思维，多维度视角下的认知拓展
作出E感-r图像如图3，在圆形磁场区域中，磁场区域内外都存在涡旋电场，在圆形区域内涡旋电场强度随半径线性增大，在圆外涡旋电场场强随半径成反比例减小，不能简单的认为只有磁场内感生电场是均匀的，无磁场区不存在感生电场。
若空间中存在轴向均匀变化的方形磁场，磁场的变化率为k （k > 0），在方形磁场中以O点为坐标原点，在xoy平面的空间内感生电场的变化规律：
正方形感生电场与圆形相似，在磁场区域内外都存在涡旋电场，关于中心O对称的两点感生电场大小相等、方向相反。
如图1所示这种情况，把左半部分作为电源很明显是不正确的，如果磁场区域如图4是正方形，这种作法也是错误的。对于感生电场的电路问题，最好不讨论局部电路及磁场之外的电势差问题。但是高中阶段是可以用法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律计算全电路的感应电动势和感应电流。
四、深度思维，从解题技巧到物理本质的跃迁
因感生电场是涡旋场，所以感生电场不存在电势和电势差，如果在纯感生电场中讨论电势、电势差、电势能是没有意义的。但在有导体存在时，电荷在感生电场的作用下重新分布进而产生静电场，会出现电势、电势差的问题，而只有静电场对电势和电势差是有意义的。
当圆形导体回路l1 和l2 放置于半径为R的同圆心均匀变化圆形磁场中时，导体回路中不仅有感应电动势，还有感应电流，导体为粗细均匀的同种材料，因此闭合导体上任意两点不存在电势差。若导体回路半径为r1和r2，可得两回路产生的感应电动势
由此可以看出，在磁场区域内，回路l1 产生的感生电动势正比于r2，在磁场区域外回路l2产生的感生电动势是常数，此结论和利用法拉第电磁感应定律E=N■得到的结果是一致的，需要注意的是S是回路内磁场的有效面积。在回路l2中，磁场区域的涡旋电场并不是均匀的，但是其感生电动势是一个定值，随着半径增大，涡旋电场在反比例减小，回路周长在正比例增大，二者乘积与回路半径无关。
若在半径为R的圆形磁场区域放置长度为l的金属棒，棒两端产生的感生电动势
有金属棒存在时，电荷聚集在金属棒两端，金属棒两端就有了电势差，但是高中阶段对于感生电场的电势差不做要求。
五、结语
通过将元思课堂理念深度融入感生电动势教学，我们不仅教会学生更好的认识感生电场，更赋予他们透视物理本质的思维利刃。这正是“授人以渔”的深层教育智慧。元思课堂的价值便得到充分彰显。这种以思维发展为轴心的教学设计，使物理课堂成为锤炼科学思维的熔炉。
参考文献：
[1]鲁周超. 以“元思课堂”撬动学生思维能力发展[J]. 人民教育，2024，No.925（24）：59-61.
[2]鲁周超，李斌，许文. 基于核心素养培育的中学物理元思课堂实施策略——以力学等时圆为例[J]. 中小学实验与装备，2023，v.33；No.186（02）：41-45.
[3]苏哲，郑海霞. 有关感生电动势的再讨论——从实验的角度来论证[J]. 物理教师，2025，v.46；No.502（01）：59-60+64.
- 【发布时间】2025/4/13 20:12:43
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