培養(yǎng)高中物理學(xué)科核心素養(yǎng) 用科學(xué)思維解決問題
——以分析安培力做功與焦耳熱的關(guān)系為例

王 靜 王希春

(吉林省吉林市吉化第一高級中學(xué)校 132022)

新一輪高考改革正在進行，高中物理學(xué)科教學(xué)的終極目標就是落實核心素養(yǎng)，而科學(xué)思維正是核心素養(yǎng)中的重要組成部分，如何在習(xí)題中落實核心素養(yǎng)是我們要研究的重要課題，本文將通過電磁感應(yīng)專題落實科學(xué)素養(yǎng)中的科學(xué)思維.

一、科學(xué)推理

例1安培力做功及對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系

圖1

(1)如圖1甲所示，回路通電后導(dǎo)體棒中存在電流，受到安培力的方向向右.安培力做正功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體棒的機械能，做了多少功就有多少能量參與轉(zhuǎn)化.

(2)如圖1乙所示，導(dǎo)體棒因向右運動而產(chǎn)生感應(yīng)電流，受到安培力的方向向左.導(dǎo)體棒克服安培力做功，機械能轉(zhuǎn)化為回路的電能，同樣做了多少功就有多少能量參與轉(zhuǎn)化.

二、質(zhì)疑創(chuàng)新

通過以上推理，很輕易就能得出，安培力做功是電能和其他形式的能之間相互轉(zhuǎn)化的橋梁：安培力的正負功對應(yīng)能量轉(zhuǎn)化的方向，安培力做功的大小對應(yīng)能量轉(zhuǎn)化數(shù)值.這個規(guī)律似乎很適合當前的習(xí)題，但確實是這樣嗎？

例2(2017·江蘇卷)(15分)如圖2所示，兩條相距d的平行金屬導(dǎo)軌位于同一水平面內(nèi)，其右端接一阻值為R的電阻．質(zhì)量為m的金屬桿靜置在導(dǎo)軌上，其左側(cè)的矩形勻強磁場區(qū)域MNPQ的磁感應(yīng)強度大小為B、方向豎直向下．當該磁場區(qū)域以速度v0勻速地向右掃過金屬桿后，金屬桿的速度變?yōu)関．導(dǎo)軌和金屬桿的電阻不計，導(dǎo)軌光滑且足夠長，桿在運動過程中始終與導(dǎo)軌垂直且兩端與導(dǎo)軌保持良好接觸．求：

圖2

(1)MN剛掃過金屬桿時，桿中感應(yīng)電流的大小I；

(2)MN剛掃過金屬桿時，桿的加速度大小a；

(3)PQ剛要離開金屬桿時，感應(yīng)電流的功率P．

(3)金屬桿切割磁感線的速度v′=v0-v

感應(yīng)電動勢E=Bd(v0-v)

三、科學(xué)論證

通過例2習(xí)題，安培力做正功時，其他形式的能也可以轉(zhuǎn)化成電能，單純的從安培力做正負功的角度去判斷能量轉(zhuǎn)化，并不科學(xué).

再試試自己添加一步(4)PQ剛要離開金屬桿時，金屬桿所受安培力的功率P1．

很明顯，感應(yīng)電流的功率和安培力的功率在大小上也是不一樣的，還有在電路中有電源的，感應(yīng)電流產(chǎn)生的焦耳熱和安培力的功也是不相等的，這充分的說明了，安培力做的正功與感應(yīng)電流的功率并沒有什么關(guān)系.例3習(xí)題也能充分的說明電磁驅(qū)動類習(xí)題安培力做正功的時候，其他形式的能也可以轉(zhuǎn)化成電能.

圖3

例3如圖3所示，圓形金屬環(huán)豎直固定穿套在光滑水平導(dǎo)軌上，條形磁鐵沿導(dǎo)軌以初速度v0向圓環(huán)運動，其軸線在圓環(huán)圓心，并與環(huán)面垂直，則磁鐵在穿過環(huán)過程中，是否有感應(yīng)電流產(chǎn)生？

四、模型建構(gòu)

在電磁感應(yīng)習(xí)題中，有一類雙桿習(xí)題非常常見，此類習(xí)題一根金屬桿所受的安培力做負功，另一根金屬桿所受的安培力做正功，兩個安培力做功的和為負功，這和一對相互作用的摩擦力所做的功極其相似，有人把電磁感應(yīng)中的雙桿模型稱為電磁摩擦力，非常恰當.

圖4

解析(1)從開始到兩棒達到相同速度v的過程中，兩棒的總動量守恒，有mv0=2mv

例5如圖5所示，滑塊A(足夠長)放在光滑水平面上，滑塊B疊放在A的左端，AB的質(zhì)量均為m，二者之間有摩擦，給B一個向右的初速度v0，在運動過程中，AB之間由于摩擦力產(chǎn)生的熱是多少？

圖5

例4中第一問的參考答案是用動量能量求解的，這份答案完全適合例5，如果從做功的角度看問題，其內(nèi)部關(guān)系也極其相似：在例4中，由于回路各處電流相同，故兩根金屬桿所受安培力大小相同，方向相反，記作F安，cd棒的位移記作xcd，ab棒的位移記作xab，則：

在例5中，摩擦力為二者之間的一對相互作用力，等大反向共線，記作Ff，滑塊A的位移為xA，滑塊B的位移為xB，則：

由此可見，當兩根金屬棒所受安培力等大反向，對整個回路來說合力為零，一對相互作用的摩擦力也是等大反向，對整體來說合力均為零，兩類習(xí)題均可應(yīng)用動量守恒，進而無論從能量還是功兩個角度看問題，兩類題型極為相似，可視為同一模型，還有子彈打木塊模型(如圖6)等等.

一節(jié)好的習(xí)題課應(yīng)該能從不同的角度滲透物理核心素養(yǎng)，通過安培力做負功產(chǎn)生焦耳熱這種常見題型，引起學(xué)生的質(zhì)疑，從而通過科學(xué)論證得出安培力做功的正負并不能決定能量轉(zhuǎn)化方向及大小.建模能力是高中學(xué)生的一種必備的能力，幫助學(xué)生建立物理模型，使學(xué)生能夠具備自己解決問題的能力，電磁感應(yīng)中雙桿問題雖然和板塊模型不是完全相同，但由于規(guī)律極其相像，可以把雙桿模型，板塊模型，子彈打木塊模型等歸成一類，這樣有利于學(xué)生對新知識的理解，通過模型的拓展可以培養(yǎng)學(xué)生建模遷移能力.整個專題完全落實了物理核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維.