高中物理電磁學(xué)中導(dǎo)體棒模型解析

◎ 周 健

高中物理學(xué)科具有自然特性，合理的教學(xué)方法和教學(xué)策略是影響高中物理課程教學(xué)能否取得有效發(fā)展的關(guān)鍵性因素。就目前高中物理學(xué)科的實(shí)際情況而言，由于目前很多學(xué)校的高中物理教學(xué)依然采用舊的教學(xué)模式，造成物理教學(xué)效率低下，這樣的教學(xué)已經(jīng)無法滿足學(xué)生的需求。這就要求物理教師必須不斷探索和實(shí)踐，不斷改變自己的觀念和思維方式，通過對(duì)自己的觀念和思維方式的調(diào)整，探索出一套有效的學(xué)習(xí)策略，促進(jìn)中學(xué)物理教育教學(xué)工作的發(fā)展。

一、高中物理教學(xué)存在的主要問題

1.學(xué)生的物理學(xué)習(xí)中缺少“眼見為實(shí)”

高中學(xué)生年齡和心理還處于成長的初期，因此在學(xué)習(xí)過程中，對(duì)抽象的物理知識(shí)缺乏直觀的感受，以至于在學(xué)習(xí)過程中對(duì)物理知識(shí)難以理解甚至是曲解其意。其次，部分學(xué)生依然采用死記硬背的學(xué)習(xí)方法，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生思維能力的發(fā)展，也使教師難以達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

2.學(xué)生在解決物理問題時(shí)容易“化實(shí)為虛”

高中學(xué)生雖然在一定程度上已經(jīng)掌握了基本的物理常識(shí)，但由于對(duì)這些知識(shí)的理解不夠深入和透徹，因此在應(yīng)用過程中經(jīng)常無從下手，更談不上將知識(shí)應(yīng)用于生活實(shí)際中去解決實(shí)際問題。因此，當(dāng)前物理教學(xué)并沒有提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

二、導(dǎo)體棒模型的概述及特點(diǎn)

作為高中物理電磁學(xué)中的經(jīng)典模型——導(dǎo)體棒模型，其不僅涉及到力學(xué)，同時(shí)還涉及到了動(dòng)力學(xué)、能量學(xué)、電路、電磁感應(yīng)等諸多方面的知識(shí)，導(dǎo)體棒模型的特點(diǎn)是過程較為復(fù)雜，變式多樣，同時(shí)也是高考考查的重要內(nèi)容。通過導(dǎo)體棒模型的解析，不僅考查了學(xué)生的力學(xué)知識(shí)，又考查了學(xué)生的電學(xué)知識(shí)，反映了學(xué)生的物理綜合應(yīng)用能力。因此，導(dǎo)體棒模型的解析是力學(xué)與電磁學(xué)的綜合應(yīng)用。而常見的電磁棒模型主要分為：電動(dòng)機(jī)模型和發(fā)電機(jī)模型兩大類。

三、高中物理電磁學(xué)中導(dǎo)體棒模型的應(yīng)用概述

1.通電導(dǎo)體棒模型

通電類型導(dǎo)體棒模型，通常又可以分為：平衡類和運(yùn)動(dòng)類。對(duì)于通電導(dǎo)體棒的平衡問題，可以利用物體的平衡原理進(jìn)行相應(yīng)的解答，而對(duì)于導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)性問題，則需要結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定理、能量觀點(diǎn)等知識(shí)進(jìn)行綜合性的分析，從而做出正確的解答。

例如，在某個(gè)水平面上有一個(gè)不計(jì)電阻的U形導(dǎo)軌NMPQ，導(dǎo)軌的寬度為L、同時(shí)在M和P之間引入一個(gè)電動(dòng)勢E的不計(jì)內(nèi)阻性的電源。然后，相對(duì)于導(dǎo)軌的垂直位置放入一根質(zhì)量為m，電阻為R的金屬棒ab，并向其施加一個(gè)較大范圍的勻強(qiáng)磁場，設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，其方向與水平面的夾角為θ同時(shí)指向斜右上方。

問：當(dāng)ab棒處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，求ab棒的支持力(FN)和摩擦力(Ff)的大小。

解析：以棒ab為研究對(duì)象，根據(jù)平衡條件得：

2.棒生電模型

電磁感應(yīng)的經(jīng)典模型——棒生電模型，也是高中物理的重要內(nèi)容之一，其產(chǎn)生電流的方式通常可分為平動(dòng)切割和轉(zhuǎn)動(dòng)切割兩種方式，在解決這一模型的問題時(shí)，應(yīng)該把握“從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)到終態(tài)”的基本原則進(jìn)行分析。不難看出，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是不同形式的能量轉(zhuǎn)化過程。因此，我們可以站在能量的觀點(diǎn)進(jìn)行分析，通過對(duì)能量轉(zhuǎn)化的把握，解決電磁感應(yīng)的問題。

例如，有兩個(gè)不計(jì)電阻，同時(shí)足夠長且光滑的平行金屬導(dǎo)軌，設(shè)導(dǎo)軌與水平面夾角為θ，導(dǎo)軌的間距為l，并將其處于正方形abcd的平面內(nèi)，同時(shí)施加有界的勻強(qiáng)磁場，這時(shí)磁感應(yīng)的強(qiáng)度為B，其方向垂直于斜面向上。如果將A、B兩根阻值(R)與質(zhì)量(m)均相同的金屬桿放在導(dǎo)軌上，將A 金屬桿放在勻強(qiáng)磁場的上邊界，設(shè)A、B兩棒之間的距離為l。這時(shí)由靜止?fàn)顟B(tài)釋放A、B兩金屬桿，同時(shí)在A金屬桿上施加一個(gè)沿著導(dǎo)軌的外力，如果金屬桿A始終沿導(dǎo)軌向下做勻加速的直線運(yùn)動(dòng)，且加速度的大小為g=sinθ，而B金屬桿剛則以勻速運(yùn)動(dòng)進(jìn)入磁場時(shí)。

問：從開始釋放到B金屬桿到其離開磁場，B金屬桿中所產(chǎn)生熱量為Q，請?jiān)嚽筮@一過程中外力F對(duì)A金屬棒所做的功。

解析：B金屬棒在進(jìn)入磁場前，由于做勻加速運(yùn)動(dòng)，所以A、B兩根金屬棒產(chǎn)生相同的熱量，設(shè)為Q1；這一過程中A金屬棒一直在磁場中，外力F始終等于安培力，則有WF=W安=2Q1；B金屬棒在磁場中產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)熱量就為Q2=Q-Q1；根據(jù)動(dòng)能的守恒定理則有mglsinθ-2Q2=0；得：WF=2Q-mglsinθ。

總之，導(dǎo)體棒模型是高中階段物理教學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容，所以教師一定要注重電磁感應(yīng)教學(xué)方法的創(chuàng)新與探索。這需要廣大教師積極主動(dòng)創(chuàng)新和改進(jìn)自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，進(jìn)而促進(jìn)高中階段物理教學(xué)效果的提高。