高中物理電磁學(xué)中導(dǎo)體棒模型解析

周健

摘要：高中物理課是高中階段學(xué)生的一門必修課，對學(xué)生的高考和未來的工作與生活有著一定的影響，這就要求廣大教師一定要最大限度地提高物理教學(xué)的教育質(zhì)量。但是，由于物理課程電磁學(xué)中講授的導(dǎo)體棒模型比較抽象也比較晦澀難懂，這就給物理課程的學(xué)習(xí)帶來了困難，同時也造成了學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力很難得到提升等問題，在一定程度上影響了物理教學(xué)的效果。那么怎樣才能從根本上改變這些現(xiàn)象，提高學(xué)生的物理成績呢？本文通過以下幾個方面進行了總結(jié)和分析。

關(guān)鍵詞：電磁學(xué);導(dǎo)體棒模型;問題對策

中圖分類號：G633.7 ? 文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1992-7711（2019）12-0116

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踐，不斷改變自己的觀念和思維方式，通過對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”

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，對抽象的物理知識缺乏直觀的感受，以至于在學(xué)習(xí)過程中對物理知識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，也使教師難以達成教學(xué)目標(biāo)。

2. 學(xué)生在解決物理問題時容易“化實為虛”

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，但由于對這些知識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，更談不上將知識應(yīng)用于生活實際中去解決實際問題。因此，當(dāng)前物理教學(xué)并沒有提高學(xué)生解決實際問題的能力。

二、導(dǎo)體棒模型的概述及特點

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)，同時還涉及到了動力學(xué)、能量學(xué)、電路、電磁感應(yīng)等諸多方面的知識，導(dǎo)體棒模型的特點是過程較為復(fù)雜，變式多樣，同時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，又考查了學(xué)生的電學(xué)知識，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：電動機模型和發(fā)電機模型兩大類。

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：平衡類和運動類。對于通電導(dǎo)體棒的平衡問題，可以利用物體的平衡原理進行相應(yīng)的解答，而對于導(dǎo)體棒的運動性問題，則需要結(jié)合牛頓運動定理、能量觀點等知識進行綜合性的分析，從而做出正確的解答。

例如，在某個水平面上有一個不計電阻的U形導(dǎo)軌NMPQ，導(dǎo)軌的寬度為L、同時在M和P之間引入一個電動勢E的不計內(nèi)阻性的電源。然后，相對于導(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，并向其施加一個較大范圍的勻強磁場，設(shè)磁感應(yīng)強度為B，其方向與水平面的夾角為θ同時指向斜右上方。

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

解析：以棒ab為研究對象，根據(jù)平衡條件得：

水平方向： Ff=F安sinθ （1）

豎直方向：FN+F安cosθ=mg （2）

又F安=BIL=[BIER] （3）

聯(lián)立（1）（2）（3）得FN=mg=[BIEcosθR];Ff=[BIEsinθR]。

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?？煞譃槠絼忧懈詈娃D(zhuǎn)動切割兩種方式，在解決這一模型的問題時，應(yīng)該把握“從靜態(tài)到動態(tài)、動態(tài)到終態(tài)”的基本原則進行分析。不難看出，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實質(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進行分析，通過對能量轉(zhuǎn)化的把握，解決電磁感應(yīng)的問題。

例如，有兩個不計電阻，同時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)，同時施加有界的勻強磁場，這時磁感應(yīng)的強度為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金屬桿放在勻強磁場的上邊界，設(shè)A、B兩棒之間的距離為l。這時由靜止?fàn)顟B(tài)釋放A、B兩金屬桿，同時在A金屬桿上施加一個沿著導(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動，且加速度的大小為g=sinθ，而B金屬桿剛則以勻速運動進入磁場時。

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，請試求這一過程中外力F對A金屬棒所做的功。

解析：B金屬棒在進入磁場前，由于做勻加速運動，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)生的運動熱量就為Q2=Q-Q1;根據(jù)動能的守恒定理則有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創(chuàng)新和改進自己的實驗教學(xué)方法，進而促進高中階段物理教學(xué)效果的提高。

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（作者單位：安徽省鳳陽中學(xué) ? 233100）