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        “雙翼助推、四步護航”:電磁感應(yīng)高考試題解決方案

        2019-10-09 10:35:10周偉波顧桂深
        物理教師 2019年8期
        關(guān)鍵詞:能量守恒雙翼電磁感應(yīng)

        周偉波 顧桂深

        (1. 廣東番禺中學(xué),廣東 廣州 511400; 2. 廣州市禺山高級中學(xué),廣東 廣州 511400)

        1 “雙翼及四步”的內(nèi)涵

        1.1 雙翼

        (1) “感生”翼.

        (2) “動生”翼.

        1.2 四步

        (1) “電路”步.

        (2) “動力”步.

        利用力與運動規(guī)律解決電磁感應(yīng)的“動力問題”: ① 含安培力在內(nèi)的受力分析; ② 利用平衡條件或牛頓運動定律做運動學(xué)分析; ③ 注意速度變化引起的安培力變化以及最終穩(wěn)定狀態(tài)的確定.

        (3) “功能”步.

        采用能量守恒、動能定理解決電磁感應(yīng)的“功能問題”: ① 找出初、末狀態(tài)的動能以及過程中合力所做的功應(yīng)用動能定理; ② 弄清運動過程中各種能量(或功能)的轉(zhuǎn)化關(guān)系應(yīng)用能量守恒(或功能關(guān)系); ③ 特別注意克服安培力做功轉(zhuǎn)化為電路的總焦耳熱,即W=Q.

        (4) “動量”步.

        2 結(jié)構(gòu)框架

        “感生”翼和“動生”翼是本解決方案的兩大“動力”;“電路”步、“動力”步、“功能”步以及“動量”步則是解決方案實施的4大保障.“雙翼四步”貫穿了整個高中物理的主干知識,綜合了多種的物理思維方法,是一個有機的融合整體,其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示.

        圖1 “雙翼四步”結(jié)構(gòu)框架

        3 試題分析

        圖2

        例1.(2017年浙江高考題)如圖2所示,匝數(shù)N=100、截面積S=1.0×10-2m2、電阻r=0.15Ω的線圈內(nèi)有方向垂直于線圈平面向上的隨時間均勻增加的勻強磁場B1,其變化率k=0.80 T/s.線圈通過開關(guān)S連接兩根相互平行、間距d=0.20 m的豎直導(dǎo)軌,下端連接阻值R=0.50 Ω的電阻.一根阻值也為0.50Ω、質(zhì)量m=1.0×10-2kg的導(dǎo)體棒ab擱置在等高的擋條上.在豎直導(dǎo)軌間的區(qū)域僅有垂直紙面的不隨時間變化的勻強磁場B2.接通開關(guān)S后,棒對擋條的壓力恰好為0.假設(shè)棒始終與導(dǎo)軌垂直,且與導(dǎo)軌接觸良好,不計摩擦阻力和導(dǎo)軌電阻.

        (1) 求磁感應(yīng)強度B2的大小,并指出磁場方向;

        (2) 斷開開關(guān)S后撤去擋條,棒開始下滑,經(jīng)t=0.25 s后下降了h=0.29 m,求此過程棒上產(chǎn)生的熱量.

        圖3

        ③ “動力”步:ab棒對擋條的壓力恰好為0,有B2Iabd=mg;由以上各式解得B2=0.5 T;根據(jù)左手定則可知磁場方向垂直紙面向外.

        解題思路: 本題先從感生電動勢,后從動生電動勢角度切入,通過電路分析、平衡條件、動量定理以及能量守恒等求得答案,其中動量定理的應(yīng)用是本題的難點.

        圖4

        例2.(2014年全國Ⅱ卷)半徑分別為r和2r的同心圓形導(dǎo)軌固定在同一水平面上,一長為r,質(zhì)量為m且質(zhì)量分布均勻的直導(dǎo)體棒AB置于圓導(dǎo)軌上面,BA的延長線通過圓導(dǎo)軌的中心O,裝置的俯視圖如圖4所示;整個裝置位于一勻強磁場中,磁感應(yīng)強度的大小為B,方向豎直向下;在內(nèi)圓導(dǎo)軌的C點和外圓導(dǎo)軌的D點之間接有一阻值為R的電阻(圖中未畫出).直導(dǎo)體棒在水平外力作用下以角速度ω繞O逆時針勻速轉(zhuǎn)動,在轉(zhuǎn)動過程中始終與導(dǎo)軌保持良好接觸.設(shè)導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌之間的動摩擦因數(shù)為μ,導(dǎo)體棒和導(dǎo)軌的電阻均可忽略,重力加速度大小為g,求:

        (1) 通過電阻R的感應(yīng)電流的方向和大??;

        (2) 外力的功率.

        圖5

        (2) ① “功能”步: 棒A、B兩端受到的滑動摩擦力的功率為

        電阻R的功率為

        由能量守恒,外力的功率為

        思路點撥: 本題從動生電動勢(旋轉(zhuǎn)切割磁感線)角度切入,以“外力功率等于摩擦力功率和電功率之和”的能量守恒思想開展解題攻關(guān).

        4 教學(xué)建議

        “雙翼助推、四步護航”,是解決電磁感應(yīng)高考試題的一套宏觀策略.教學(xué)過程中,微觀的細(xì)節(jié)難點也是值得我們注意的,如稍復(fù)雜的串并聯(lián)電路的分析、連接體的動力學(xué)和功能關(guān)系分析、微分思想的深層次應(yīng)用等.這需要我們“把握宏觀、深入微觀“,這才能對電磁感應(yīng)綜合題實現(xiàn)有效的突破.

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