电磁感应中的STS问题

内蒙古 罗 成

电磁感应中的STS问题

内蒙古 罗 成

关注科学技术发展，关心社会生活变化，结合电磁感应现象，探析STS热点问题。

新一轮课程改革中特别强调物理与科学（Science）、技术（Technology）、社会（Society）（简称STS）之间的联系。在近几年高考题中出现不少与STS相联系的试题，这类试题“立足物理学科，反映科技进步，阐释实际生活，透视社会热点”，旨在引导考生关注科技发展前沿，关心生活中的物理现象。高中物理中的电磁感应现象与STS联系相当紧密。下文以最新的名校模拟试题为素材，探讨电磁感应中的STS问题，并给出相应问题的解决策略，以期对同学们的复习备考有所帮助。

一、关注科学发展

【例1】（2015·江苏淮安三模改编）电磁弹射是我国最新研究的重大科技项目，原理可用下述模型说明。如图1甲所示，虚线MN右侧存在一个竖直向上的匀强磁场，一边长为L的正方形单匝金属线框abcd放在光滑水平面上，电阻为R，质量为m，ab边在磁场外侧紧靠MN虚线边界处。从t＝0时起磁感应强度B随时间t的变化规律是B＝B0＋kt（k为大于零的常数），空气阻力忽略不计。

（1）线圈中的感应电流的方向为________（填“顺时针”或“逆时针”）；

（2）求t＝0时刻，线框中的感应电流的功率P；

（3）若线框cd边穿出磁场时速度为v，求线框穿出磁场过程中，安培力对线框所做的功W及通过导线截面的电荷量q；

（4）若用相同的金属线绕制相同大小的n匝线框，如图1乙所示，在线框上加一质量为M的负载物，证明：载物线框匝数越多，t＝0线框加速度越大。

【解析】（1）由“磁感应强度B随时间t的变化规律是B＝B0＋kt（k为大于零的常数）”知B随t均匀增大，穿过线框的磁通量均匀增大，根据楞次定律得线框中的感应电流方向为顺时针。

（4）t＝0时刻n匝线框中产生的感应电动势，线框的总电阻R总＝nR，线框中的电流，t＝0时刻线框受到的安培力F＝nB0IL，设线框的加速度为a，根据牛顿第二定律有F＝（M＋nm）a，解得，由此可知，n越大，a越大。

【答案】见解析。

【点评】这类试题的情境信息比较新颖，一般着眼于最新的科研成果或技术发明。通常以近几年的诺贝尔物理学奖、新材料的发明为命题素材，以及科技发展对社会生产、生活产生的正负效应为命题背景，例如2015年浙江卷第18题（正在研制航母舰载机的电磁弹射器）。此类试题涉及感应电流的大小计算和方向判断，感应电动势、安培力、电荷量等物理量的求解。最典型的问题有以下几类：

（1）感应电流方向的判断：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，适用于一切电磁感应中感应电流方向的判断。应用楞次定律判断线圈中感应电流方向的步骤：确定原磁场的方向；明确回路中磁通量变化情况；应用“增反减同”，确定感应电流磁场的方向；根据安培定则，判定感应电流的方向。（简记为“一原二感三电流”）

（2）电磁感应中的能量转化特点：外力克服安培力做功，把机械能或其他形式的能量转化成电能；感应电流通过电路做功又把电能转化成其他形式的能（如内能）。

（3）求解电荷量q的基本思路是根据法拉第电磁感应定律求出平均感应电动势，通过闭合电路欧姆定律求得平均感应电流，结合q＝求得电荷量q。

二、关注技术革新

【例2】（2015·广东模拟）高频焊接技术的原理图如图2甲，线圈接入图2乙所示的正弦式交流电（以电流顺时针方向为正），圈内焊接工件形成闭合回路，则 （ ）

A.图2乙中电流的有效值为I

B.t1～t2时间内工件中的感应电流变大

C.0～t1时间内工件中的感应电流方向为顺时针

D.图2乙中T越大，工件温度上升得越快

【答案】AB

【点评】物理学的发展深刻影响着科学技术的进步。高科技的背景向来是物理命题的主流之一，如2015年江苏卷第13题（磁共振检查）等题目。电磁感应中的图象问题是高考考查的热点之一，这一热点通常也会和STS问题整合于一体。常涉及磁感应强度B、磁通量Φ、感应电动势E、感应电流I和电荷量q随时间t变化的图象，有时会涉及感应电动势E、感应电流I随导体棒或线圈位移x变化的图象等。求解电磁感应图象问题的一般解题思路：（1）认清图象种类：即是Φ-t图象、B-t图象或I-t图象等；（2）分段处理过程：对电磁感应的具体过程判断对应的图象分几段；（3）判断电流方向：依楞次定律或右手定则判断感应电流方向；（4）写出函数关系：由法拉第电磁感应定律、欧姆定律和牛顿第二定律写出函数关系。

三、关注生活变化

（2）某同学看到有些玩具车在前进时车轮上能发光，受此启发，他设计了一种带有闪烁灯的自行车后轮，可以增强夜间骑车的安全性。图3乙所示为自行车后车轮，其金属轮轴半径可以忽略，金属车轮半径r＝0.4m，其间由绝缘辐条连接（绝缘辐条未画出）。车轮与轮轴之间均匀地连接有4根金属条，每根金属条中间都串接一个LED灯，灯可视为纯电阻元件，每个灯的阻值为R＝0.3Ω，并保持不变。车轮边的车架上固定有磁铁，在车轮与轮轴之间形成了磁感应强度B＝0.5T，方向垂直于纸面向外的扇形匀强磁场区域，扇形对应的圆心角θ＝30°。自行车匀速前进的速度为v＝8m/s（等于车轮边缘相对轴的线速度）。不计其他电阻和车轮厚度，并忽略磁场边缘效应。

①在图3乙所示装置中，当其中一根金属条ab进入磁场时，指出ab上感应电流的方向，并求ab中感应电流的大小；

②若自行车以速度为v＝8m/s匀速前进时，车轮受到的总摩擦阻力为2.0N，则后车轮转动一周，动力所做的功为多少？（忽略空气阻力，π≈3.0）

【答案】（1）证明过程见解析 （2）①2A ②4.96J

【点评】应用物理知识分析常见的生活现象，可以使物理学习更加深入而有趣。如2015年北京卷第20题（IC卡）、第24题（光电转换的新型电源）等均以生活中常见的情境为素材，体现了“从生活走进物理，从物理走向社会”的新课标理念，这将会是高考考查的一个重要方向。

电磁感应与电路的综合问题与此类STS信息可对接，一般的情景是做切割磁感线运动的导体或导体框使磁通量发生变化，产生感应电动势，该导体或导体框就可等效为电源。此问题通常会以压轴题的形式考查，涉及楞次定律、法拉第电磁感应定律、欧姆定律等主干知识。解答此问题一方面是要分清感应电动势的大小，另一方面是分清内、外电路，对外电路需画出等效电路图，借助稳恒电路的处理办法进行有关的计算。解答电磁感应电路问题的基本步骤：

（2）分析电路结构：分析内、外电路和外电路的串、并联关系，画出等效电路图；

（3）运用电路规律：应用欧姆定律和串、并联电路的基本规律列方程求解。

【总结】由上可见，解决电磁感应中STS问题的主要解题策略如下：

（1）文本阅读能力：了解问题的背景、涉及的对象、过程和情景，明确要解决的问题；

（2）信息提取能力：在领会题意的基础上，对题目的关键信息进行分析判断（根据问题要求和解答目标，排除次要因素，抓住重要的物理条件和物理关系）；

（3）物理建模能力：把以上分析中获取的核心物理情景、条件、关系与已熟知的物理知识联系起来，将实际问题简化、抽象为恰当的物理模型，用学过的知识和方法解决问题。

（作者单位：内蒙古乌拉特前旗第一中学）