以模型建構為核心培養學生的科學思維能力
——以“法拉第圓盤發電機”為例

余潘

(浙江省慈溪中學 浙江 寧波 315300)

法拉第圓盤發電機是人類歷史上第一臺發電機[1]，揭開了機械能轉化為電能的序幕，把人類帶向了電氣化時代.在教學過程中引導學生經歷類似科學家探究物理的過程，感知科學發現的魅力，增強對科學的理解，提升科學素養[2].但在具體教學實施中發現學生對法拉第圓盤發電機的理解不清晰、不透徹，并從“磁通量未改變”的角度對產生感應電流提出質疑.本文根據學生的困惑，從不同角度對法拉第圓盤發電機模型進行剖析，試圖突破難點，揭示本質.

1 復雜物理模型的等效分解

為了幫助學生理解復制模型，在教學過程中設置合理的梯度，引導學生將法拉第圓盤發電機模型按圖1進行等效分解處理.

圖1 法拉第圓盤發電機模型等效分解圖

在推理思路上，以逆向遞進(d)(c)(b)(a)順序更容易被學生接受，符合認知規律.即從最簡單基本的單導體棒平行切割模型圖1(d)，通過微元法過渡到單導體棒旋轉切割模型圖1(c)，再類比多導體棒旋轉切割模型圖1(b)，相當于電源的并聯，再結論推理到無數根導體棒旋轉切割模型即法拉第圓盤發電機模型圖1(a).學生很容易意識到法拉第圓盤發電機模型產生的感應電動勢與單導體棒或多導體棒旋轉切割模型產生的感應電動勢相等，感應電流方向可由右手定則判斷，為半徑方向.法拉第圓盤發電機內阻，相比單導體棒或多導體棒旋轉切割，在獲得相同的電動勢情況下，圓盤發電機的內阻更小，輸出效率更高.

2 從磁通量變化角度解釋

從磁通量角度分析，關鍵是研究回路的選取，已有文獻對此進行了等效電路的研究[3,4]，但其等效模型復雜，學生理解困難.本文以圖1(d)最簡單基本的模型將單導體棒與圓盤進行類比等效，如圖2所示.

圖2 單導體棒與圓盤進行類比等效

若將電刷放在間距Δr較小的圓環上，由于間距小，可以認為內環與外環長度相等，此時將圓環展開，等效成如圖3所示.

圖3 將圓環展開

相當于在長度為2πr的矩形區域內，有無數根長度為Δr的導體棒源源不斷的以速度v=rω向左平行切割.以任一根導體與電阻所構成的回路為研究對象如圖4所示.

圖4 導體棒與電阻所構成的回路

回歸到最簡單基本的單導體棒切割模型，即可從磁通量變化角度來解釋.此導體棒即為電源，電動勢ΔE=BΔrrω，無數根導體棒同時切割作為電源并聯關系，不改變電動勢，只減小內阻，與前者討論結果一致.若將電刷間距增大，不改變定性結果，便于學生理解，不做定量計算.

3 從感應電動勢本質角度解釋

從微觀角度分析，感應電動勢的本質是自由電荷在非靜電力作用下的定向移動，如圖5所示.

圖5 自由電荷在洛倫茲力作用下定向移動

由于圓盤轉動，圓盤上的自由電子由于受到沿半徑方向的洛倫茲力而定向移動形成電流，方向為半徑方向，與前者討論結果一致.便于學生理解，此處只討論了洛倫茲力的一個分力(充當非靜電力)，而對洛倫茲力的另一分力及自由電荷由于徑向運動產生的科里奧利力不做討論.

4 結束語

在教學實踐中發現，通過復雜物理模型的等效分解與科學推理，有效幫助了學生對法拉第圓盤發電機的深入理解.通過該案例，引導學生積極自主進行模型建構、科學推理來解決生活學習中遇到的問題與困惑，從而達到培養學生科學思維素養的目的[5].