高二物理(人教版和教科版)-電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒-教案

1、教 案教學(xué)基本信息課題電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒學(xué)科物理學(xué)段： 高二（下）年級高二教材高中物理選修3-2 人民教育出版社 出版日期： 2010年4月教學(xué)設(shè)計(jì)參與人員姓名單位聯(lián)系方式設(shè)計(jì)者張石友北京市第一七一中學(xué)實(shí)施者張石友北京市第一七一中學(xué)指導(dǎo)者張思宇東城區(qū)教師研修中心課件制作者張石友北京市第一七一中學(xué)其他參與者教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)：1.通過對典型電磁感應(yīng)情景中能量轉(zhuǎn)化與守恒的的理論探究，進(jìn)一步完善學(xué)生的物理觀念。并能夠運(yùn)用能量觀念解決具體的物理問題。2.通過對能量轉(zhuǎn)化過程中量度問題的理論探究，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建模型、分析綜合、推理論證、批判質(zhì)疑、科學(xué)論證等科學(xué)思維。3.通過對電磁感應(yīng)中

2、能量轉(zhuǎn)化與守恒內(nèi)在機(jī)理的理論探究，帶領(lǐng)學(xué)生探尋科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)正確的態(tài)度和責(zé)任。教學(xué)重點(diǎn)：1.動生電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化與守恒規(guī)律。2.動生電磁感應(yīng)現(xiàn)象中克服安培力做功和產(chǎn)生電能之間的定量關(guān)系。3.動生電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化與守恒的內(nèi)在機(jī)理。教學(xué)難點(diǎn)：動生電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化與守恒的內(nèi)在機(jī)理的探究教學(xué)過程(表格描述)教學(xué)環(huán)節(jié)主要教學(xué)活動設(shè)置意圖創(chuàng)設(shè)情境提出問題明確探究任務(wù)溫故知新類比遷移形成猜想建立模型確定方案理論探究驗(yàn)證猜想質(zhì)疑創(chuàng)新求根溯源提出問題宏微結(jié)合求根溯源提出問題解決問題（間接求證）解決問題（直接求證）宏微結(jié)合得出結(jié)論學(xué)以致用小試牛刀深化理解課堂小結(jié)課后拓展首先我們一起來重

3、溫一個(gè)我們最近比較熟悉的物理情景：在勻強(qiáng)磁場中，足夠長的光滑導(dǎo)軌，寬度為L；金屬棒ab，阻值為r，初速v0；定值電阻R，其余部分電阻不計(jì)。在此情景中，金屬棒ab切割磁感線運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，閉合回路產(chǎn)生了感應(yīng)電流，我們也可以說產(chǎn)生了電能。我們知道，能量不可能憑空產(chǎn)生！那么，這個(gè)電能是由哪種能量轉(zhuǎn)化而來的呢？這個(gè)問題并不難回答，我們知道，在這一過程中，金屬棒做減速運(yùn)動，其機(jī)械能是在減小的，所以我們不難判斷出這一過程中能量轉(zhuǎn)化關(guān)系是：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。然而，問題到此就結(jié)束了嗎？顯然沒有！我們能否更具體地說清楚，能量是怎么實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的？轉(zhuǎn)化中過程中具體的定量關(guān)系又是怎樣的呢？今天，我們就一起來對這個(gè)

4、問題做理論方面的探究。我們已經(jīng)知道，做功的過程是能量轉(zhuǎn)化的過程，并且功是能量轉(zhuǎn)化的量度。例如：重力做功對應(yīng)重力勢能的變化，具體的定量關(guān)系是：W合外力做功對應(yīng)動能的變化，具體的定量關(guān)系：W總=此外，我們還學(xué)過的有彈簧彈力做功與彈性勢能變化、靜電力做功與電勢能變化、萬有引力做功與引力勢能變化等等，它們當(dāng)中都存在著確定的定量關(guān)系。這就啟發(fā)了我們的聯(lián)想。，在今天學(xué)習(xí)的這種電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，是否也有類似的關(guān)系和定量規(guī)律呢？在今天的這個(gè)電磁感應(yīng)情景中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，可以用什么力做功，來量度呢？通過對這個(gè)情景的分析，我們發(fā)現(xiàn)，只要金屬棒運(yùn)動的時(shí)候，回路就有感應(yīng)電流，金屬棒就會受到安培力的作用，安培力就在做

5、功，可以說安培力做功伴隨著電磁感應(yīng)發(fā)生的整個(gè)過程。那我們就可以提出一種猜想：安培力做的功可以用來量度機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)化。事實(shí)真的是這樣嗎？下面，我們來建立模型，驗(yàn)證這一猜想。在這個(gè)情景中，很明顯，在導(dǎo)體棒向右運(yùn)動過程中，安培力做負(fù)功，而產(chǎn)生的電能肯定為正值，所以我們來驗(yàn)證W克安=E電即可.驗(yàn)證的思路：分別求出兩者的表達(dá)式，然后進(jìn)行驗(yàn)證。其中產(chǎn)生的電能，通常又可用全電路的電功來表示，特別是如果電路是純電阻電路，那么產(chǎn)生的電能又都將轉(zhuǎn)化為電熱，也就是我們常說的焦耳熱。這里我們建議同學(xué)們要畫出電路圖，有做好電路分析的意識。另外，在求克服安培力做功的時(shí)候，困難是：由于金屬棒速度不恒定，會減小，因此產(chǎn)生

6、的感應(yīng)電動勢會減小，導(dǎo)致通過金屬棒的電流、以及金屬棒受到的安培力都不是恒定值。解決方法是：微元法。通過剛才的探究，我們從宏觀角度得到了結(jié)論：克服安培力做的功大小等于產(chǎn)生的電能。然而，到此為止，問題就真的都很清楚了么？還不見得！比如，我們雖然知道了這個(gè)過程中克服安培力做功的大小等于產(chǎn)生的電能，但是對于更具體的，怎樣將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的內(nèi)在機(jī)理，似乎還不是特別清楚，這一結(jié)論還沒有足夠讓人信服。為了解決這個(gè)問題，我們不妨回到問題的原點(diǎn)， “電磁感應(yīng)過程中一定產(chǎn)生電能”這一客觀事實(shí)出發(fā)，來進(jìn)行一些基本的邏輯分析：我們知道電磁感應(yīng)發(fā)生的過程中，其它形式的能轉(zhuǎn)化電能，那它不就相當(dāng)于一個(gè)電源嗎？而電源之所以

7、能夠持續(xù)不斷地產(chǎn)生電能，那是因?yàn)樵陔娫磧?nèi)部的非靜電力做功，把經(jīng)外電路流回到電源正極的負(fù)電荷，經(jīng)電源內(nèi)部，又重新搬回到電源負(fù)極去。那么問題來了，在這里，電源內(nèi)部的非靜電力是哪個(gè)力呢？其做功有什么特點(diǎn)，或者規(guī)律呢？我們來看，在此情景中，金屬棒切割磁感線運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，ab棒就相當(dāng)于電源，且a端為負(fù)極，b端為正極。那我們就首先“進(jìn)入電源內(nèi)部”來一探究竟。問題：洛倫茲力的兩個(gè)分力做功的關(guān)系？方法一：通過幾何關(guān)系，可以證明，洛倫茲力f和合速度v合，成垂直關(guān)系，那就說明了洛倫茲力做功的功率總是零，也就是說洛倫茲力做的總功應(yīng)該為零，這也恰好和我們之前的認(rèn)識：洛倫茲力不做功是一致的。既然洛倫茲力做的總功

8、為零，那么我們就間接得到了，它的兩個(gè)分力f1、f2必然做功大小相等，正負(fù)相反。方法二：在微元t時(shí)間內(nèi)：分力f1做功為W1= + f1u t = +evB(ut)分力f2做功為 W1= - f2v t = -euB(vt)所以， W1= -W2 同樣得到結(jié)論。前面我們從宏觀角度得到：W克安 = E電剛才我們從微觀角度得到：W1= -W2它們之間存在著什么關(guān)系呢？金屬棒內(nèi)大量自由電子的水平分洛倫茲力f2的總和宏觀上表現(xiàn)為安培力。桿內(nèi)大量自由電子沿棒方向分洛倫茲力f1的總和宏觀上表現(xiàn)為電源內(nèi)部總的非靜電力。就得到了如下關(guān)系：克服安培力做的功 = 非靜電力做的功其中安培力做負(fù)功，消耗機(jī)械能；非靜電力做

9、正功，產(chǎn)生電能。這個(gè)過程中，洛倫茲力通過兩個(gè)分力做功的方式，起到等量“傳遞”能量的作用。典型情景舉例：例題1. 電阻為R的矩形導(dǎo)線框abcd,邊長ab=L, ad=h,質(zhì)量為m,自某一高度自由落體,通過一勻強(qiáng)磁場,磁場方向垂直紙面向里,磁場區(qū)域的寬度為h ,如圖,若線框恰好以恒定速度通過磁場,線框內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱等于多少？例題2. 如圖所示，固定的水平光滑金屬導(dǎo)軌，間距為L，左端接有阻值為R的電阻，處在方向豎直、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒與固定彈簧相連，放在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒的電阻均可忽略。初始時(shí)刻，彈簧恰處于自然長度，導(dǎo)體棒具有水平向右的初速度v0。在沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動的過程中

10、，導(dǎo)體棒始終與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸。（1）若導(dǎo)體棒從初始時(shí)刻到速度第一次為零時(shí)，彈簧的彈性勢能為Ep，則這一過程中安培力所做的功W1和電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q1分別為多少？（2）導(dǎo)體棒往復(fù)運(yùn)動，最終將靜止于何處？從導(dǎo)體棒開始運(yùn)動直到最終靜止的過程中，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為多少？創(chuàng)設(shè)情境，從學(xué)生熟悉的情景中，提出問題提出更深層次的問題，激發(fā)學(xué)生思考和探究的欲望溫故知新，通過對已經(jīng)熟悉的功能關(guān)系的復(fù)習(xí)回顧，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并引導(dǎo)學(xué)生自覺運(yùn)用遷移方法，來探究目前遇到的問題以基本的已知事實(shí)為依據(jù)，生成合理猜想建立模型科學(xué)探究、論證，培養(yǎng)科學(xué)思維在初步探究結(jié)束后，提出新的問題，引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新、探尋物理本質(zhì)注重邏輯推理，理論探究，培養(yǎng)科學(xué)思維從宏微結(jié)合的角度考慮、分析問題，追尋物理本質(zhì)，讓最終的結(jié)論更可靠、可信多種方法、不同角度進(jìn)行論證，殊途同歸，一方