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        核心素養(yǎng)視角下導體棒切割問題的創(chuàng)新解法

        2022-08-01 08:46:10劉正春
        數(shù)理化解題研究 2022年19期
        關鍵詞:焦耳安培力導體

        劉正春

        (云南省曲靖市第一中學 655000)

        提高核心素養(yǎng)是新課程改革立德樹人的根本任務,是培養(yǎng)學生學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的最終目標.物理核心素養(yǎng)是指學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展的必備品格和關鍵能力,是學生通過物理學習內(nèi)化而形成的帶有物理學科特性和品質(zhì).

        物理核心素養(yǎng)由物理觀念、科學思維、實驗探究和科學態(tài)度與責任四個方面的要素構成.物理教學重在讓學生通過物理知識的學習,也可以從一題多解開發(fā)思維,從而形成物理視角認識事物和解決問題的思路,掌握物理學習的探究方法,養(yǎng)成正確的科學研究和強烈的責任感.課堂教學中創(chuàng)新解法是培養(yǎng)和發(fā)展學生核心素養(yǎng)的有效途徑之一.

        電磁感應中導體棒切割問題分析是高中物理的重點內(nèi)容,本問題分析中導體棒速度不變,但切割的有效長度在變,安培力是個變力,是一個變力做功問題,變力做功的求解方法多樣.但在平時教學過程中若分析不透徹,學生遇到新的問題還是一頭霧水,做起來還是比較費勁.從下面的分析可以很好培養(yǎng)學生的綜合分析能力,下面以電磁感應為例,給出三種求焦耳熱的方法.

        模型分析光滑金屬導軌AOB水平放置在垂直平面向內(nèi)的勻強磁場中,磁感應強度為B,金屬導體棒MN架在金屬導軌上,在外力作用下以固定的速度v0向右勻速運動,從金屬導軌的頂端O運動到AB,如圖1所示.已知金屬導軌的頂角為θ,導軌和金屬棒單位長度的電阻都為r0,AB的長度為x0,求導體棒從O運動到AB的這個過程中整個系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱Q.

        圖1

        分析設導體棒向右運動的距離為x時,與導軌構成閉合回路的部分長為l,導體棒切割磁感線產(chǎn)生的電流為I,則在整個運動過程中,I都滿足式子:

        可以看到,金屬導體棒以固定速度向右運動時,閉合回路中的電流I始終為一固定常數(shù).

        分析思路一平均力

        安培力所做功的大小等于系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱,而導體棒向右運動的距離為x時所受安培力為

        FI=BIl=BIxtanθ,

        由于B、I、θ是固定的常數(shù),可知該力與導體棒運動的距離x呈線性關系,如圖2所示:

        圖2

        則從O點運動到AB,安培力所做的功為:

        則系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱為

        分析思路二平均功率法

        設導體棒從O點開始運動距離x用時為t,整個系統(tǒng)的發(fā)熱功率P滿足如下式子:

        p=I2R

        由該式可知功率P與時間t呈線性關系,如圖3所示:

        圖3

        則整個系統(tǒng)在0~t內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱Q滿足:

        根據(jù)簡單的數(shù)學推算,可知

        由此可知,方法一和方法二所得結果相同.

        分析思路三積分法

        極短時間dt內(nèi)安培力做的功為dW,則

        dW=dU·I·dt

        整個過程中對dW積分,

        導體棒從O運動到AB,磁通量的總改變量Φ滿足:

        則從O到AB,系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量Q滿足:

        Q=W

        該種方法所得的結果與前兩種方法相同.

        dW還可以表示為

        dW=I2R·dt

        則導體棒走過x,系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱可以表示為:

        從O到AB,導體棒走過總距離為x0,則:

        創(chuàng)新解法是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的搖籃,也是發(fā)展科學思維的關鍵,也是中學物理教學核心素養(yǎng)落地的關鍵因素.所以在教學中我們應大膽創(chuàng)設物理情境,讓學生大膽提出提出新的解法,以此來激發(fā)學生學習物理的熱情.

        從不同的方向考慮問題是培養(yǎng)綜合分析能力的主要途徑,核心素養(yǎng)的培養(yǎng)蘊含了學生學習方式和教學方式的多元化.物理教師應該以提升學生物理核心素養(yǎng)為宗旨,改變教學觀念,改進教學方式和手段,大膽設計創(chuàng)新課堂,創(chuàng)設有利于學生物理核心素養(yǎng).準確把握核心素養(yǎng)的內(nèi)涵是物理核心素養(yǎng)落實教學的前提和基礎.教師在平時設計教學時要科學和合理,在教學過程中圍繞核心素養(yǎng),選擇恰當?shù)膶W習情境,從而促進學生的學習興趣,讓科學核心素養(yǎng)在物理課堂里落地生根.

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