《应用动力学和能量观点处理电磁感应问题》的教学案例

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  一、地位分析
  电磁感应问题是高中物理教学的重点和难点,也是高考的必考内容和重点内容。通过对电磁感应的考查,可以综合考查学生的电路知识、力与运动的分析能力和应用能量观点分析问题的能力。本节课是二轮复习中的一节专题课,笔者试图通过几道典型实例,引导学生构建知识网络,学会应用力学问题的基本方法与思路处理电磁感应问题。
  二、三维目标
  知识与技能:学会运用动力学和能量观点解决电磁感应问题。
  过程与方法:1.培养学生读题和审题的习惯和能力。
  2.引导学生分析物理问题,寻找物理规律,提高他们的实际分析能力。
  情感、态度与价值观:体会到习惯、方法、思路、规范的重要性,增强自信心。
  三、教学过程
  教师:复习基本公式。1.感应电动势公式E=BLV?摇?摇E=n△φ/△t
  2.安培力公式F=BIL?摇?摇FV/R
  3.产生的热量Q=IRt或者用克服安培力做的功求解。
  学生:交流填写学案上的空格。
  例1.如图所示,一个质量为m=0.01kg,边长L=0.1m,电阻R=0.4Ω的正方形导体线框abcd,从h=0.8m的高处由静止自由下落,下落时线框平面始终在竖直平面内,且保持与水平磁场方向垂直,当线框下边bc刚一进入下方的有界匀强磁场时,恰好做匀速运动(不计空气阻力,g=10m/s)。
  (1)磁场的磁感应强度B的大小。
  (2)线框进入磁场过程中产生的焦耳热。
  (3)如果磁场的宽度d=0.55m,求bc边刚从磁场下边穿出时线框的加速度大小。
  教师:请学生看题目,要求划出重要已知条件,在图中标出已知量。
  学生:按要求读题分析。
  教师:线框下落过程中有几个物理过程?
  学生:思考,讨论。开始自由落体,刚进入磁场匀速下落,完全进入磁场做匀加速运动。
  教师:自由落体过程中遵循什么规律?
  学生:V=gt,h=1/2gt=2gh
  教师:刚进入磁场匀速运动的条件?哪些能发生转化?
  学生:重力和安培力平衡。重力势能转化为焦耳热。
  教师:完全进入磁场遵循什么规律?
  学生:h=(v)/2g
  教师:bc边刚从磁场下边穿出时线框受那些力?
  学生:受重力和安培力。
  教师:请学生自己完成本题。
  学生:做题并讨论。
  教师:投影规范解答。
  例2.两平行金属导轨水平放置,一质量为m=0.2kg的金属棒ab垂直于导轨静止放在紧贴电阻R处,R=0.1Ω,其他电阻不计。导轨间距为d=0.8m,矩形区域MNPQ内存在有界匀强磁场,场强大小B=0.25T。MN=PQ=x=0.85m,金属棒与两导轨间动摩擦因数都为0.4,电阻R与边界MP的距离s=0.36m。(g取10m/s)
  (1)在外力作用下让ab棒由静止开始匀加速运动并穿过磁场向右,加速度a=2m/s,计算自金属棒进入磁场开始计时,在磁场中运动的时间内,外力F随时间t变化关系。
  (2)若改变外力的作用规律,使金属棒ab的运动速度v与位移x满足关系:v=0.4x,求金属棒ab从MP由静止到NQ的过程中系统产生的热量。
  (3)若MP右边导轨及磁场区域无限长,且导轨光滑,当ab棒运动到MP位置时速度为v,此时撤去外力F,则R中产生的热量是多少?
  教师:请学生先认真读题,再小组内相互交流题中重要的关键词和已知条件。
  学生:按要求读题,分析交流。
  教师:ab棒做什么运动,遵循什么规律?ab棒进入磁场,受几个力作用?
  学生:思考,讨论并回答。V=2ax。ab棒进入磁场,受拉力、摩擦力、安培力作用。
  教师:ab棒进入磁场,如何由牛顿第二定律列式?
  学生:思考。F-f-F=ma,FV/R
  教师:安培力有什么特点?
  学生:安培力与速度成正比,与位移成正比。
  教师:求焦耳热的思路?哪一种可行?
  学生:Q=IRt但不可行,只能由克服安培力做功求得。
  教师:安培力做功该如何求?
  学生:讨论并回答,由F图中的面积求出。
  教师:热量是由什么能转化的?
  学生:动能转化为热量。
  教师:学生完成本题。
  学生:做题并讨论。
  教师:投影正确解法,展示规范解答。
  例3.如图所示,两根足够长的平行金属导轨固定在倾角θ=30°的斜面上,导轨电阻不计,间距L=0.4m。导轨所在空间被分成区域Ⅰ和Ⅱ,两区域的边界与斜面的交线为MN,Ⅰ中的匀强磁场方向垂直斜面向下,Ⅱ中的匀强磁场方向垂直斜面向上,两磁场的磁场感应强度大小均为B=0.5T。在区域Ⅰ中,将质量m=0.1kg,电阻R=0.1Ω的金属条ab放在导轨上,ab刚好不下滑。然后,在区域Ⅱ中将质量m=0.4kg,电阻R=0.1Ω的光滑导体棒cd置于导轨上,由静止开始下滑,cd在滑动过程中始终处于区域Ⅱ的磁场中,ab、cd始终与导轨垂直且两端与轨道保持良好接触,取g=10m/s,问:
  (1)cd下滑的过程中,ab中的电流方向?
  (2)ab将要向上滑动时,cd的速度v多大?
  (3)从cd开始下滑到ab刚要向上滑动的过程中,cd滑动的距离x=3.8m,此过程中ab上产生的热量Q是多少?
  教师:按前面要求审题。
  学生:审题。
  教师:方法一,研究cd,电流的方向?ab呢?
  学生:由右手定则电流d-c,a-b。
  教师:方法二,研究ab,电流方向?
  学生:由左手定则可求出电流方向。
  教师:ab刚好不下滑,刚好是表示什么?ab受到哪些力?
  学生:讨论分析出最大静摩擦力等于重力沿斜面向下的分力。
  教师:ab将要向上滑动时,ab的受力情况?
  学生:讨论分析,F mgsinθ。
  教师:从能量转化与守恒定律看,什么能在减少?哪些能在增加?
  学生:势能减少,动能和内能增加。
  学生自己做,讨论交流。
  教师投影正确解答过程。课后作业,练习。
  四、教学反思
  本节课采用的是以教师为主导,学生为主体的教学模式。学生在课堂上积极思考,发现许多小问题,交流讨论,解决问题。这种授课方式学生活动多,比传统的讲授法效果好。几条典型例题在高中物理中属于综合性强的中高档题,一般学生感到较难。通过本节课的分析讨论,学生体会到养成良好的分析习惯、掌握正确的分析思路的重要性,以后再处理这类问题变得轻松。“授之以鱼,不如授之以渔”,我们要教会学生思维的方法,培养学生能力。
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