核心素養(yǎng)視角下導(dǎo)體棒切割問(wèn)題的創(chuàng)新解法

劉正春

(云南省曲靖市第一中學(xué) 655000)

提高核心素養(yǎng)是新課程改革立德樹(shù)人的根本任務(wù)，是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的最終目標(biāo).物理核心素養(yǎng)是指學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化而形成的帶有物理學(xué)科特性和品質(zhì).

物理核心素養(yǎng)由物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面的要素構(gòu)成.物理教學(xué)重在讓學(xué)生通過(guò)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)，也可以從一題多解開(kāi)發(fā)思維，從而形成物理視角認(rèn)識(shí)事物和解決問(wèn)題的思路，掌握物理學(xué)習(xí)的探究方法，養(yǎng)成正確的科學(xué)研究和強(qiáng)烈的責(zé)任感.課堂教學(xué)中創(chuàng)新解法是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑之一.

電磁感應(yīng)中導(dǎo)體棒切割問(wèn)題分析是高中物理的重點(diǎn)內(nèi)容，本問(wèn)題分析中導(dǎo)體棒速度不變，但切割的有效長(zhǎng)度在變，安培力是個(gè)變力，是一個(gè)變力做功問(wèn)題，變力做功的求解方法多樣.但在平時(shí)教學(xué)過(guò)程中若分析不透徹，學(xué)生遇到新的問(wèn)題還是一頭霧水，做起來(lái)還是比較費(fèi)勁.從下面的分析可以很好培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力，下面以電磁感應(yīng)為例，給出三種求焦耳熱的方法.

模型分析光滑金屬導(dǎo)軌AOB水平放置在垂直平面向內(nèi)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，金屬導(dǎo)體棒MN架在金屬導(dǎo)軌上，在外力作用下以固定的速度v0向右勻速運(yùn)動(dòng)，從金屬導(dǎo)軌的頂端O運(yùn)動(dòng)到AB，如圖1所示.已知金屬導(dǎo)軌的頂角為θ，導(dǎo)軌和金屬棒單位長(zhǎng)度的電阻都為r0，AB的長(zhǎng)度為x0，求導(dǎo)體棒從O運(yùn)動(dòng)到AB的這個(gè)過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱Q.

圖1

分析設(shè)導(dǎo)體棒向右運(yùn)動(dòng)的距離為x時(shí)，與導(dǎo)軌構(gòu)成閉合回路的部分長(zhǎng)為l，導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生的電流為I，則在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，I都滿足式子：

可以看到，金屬導(dǎo)體棒以固定速度向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，閉合回路中的電流I始終為一固定常數(shù).

分析思路一平均力

安培力所做功的大小等于系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱，而導(dǎo)體棒向右運(yùn)動(dòng)的距離為x時(shí)所受安培力為

FI=BIl=BIxtanθ，

由于B、I、θ是固定的常數(shù)，可知該力與導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的距離x呈線性關(guān)系，如圖2所示：

圖2

則從O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到AB，安培力所做的功為：

則系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱為

分析思路二平均功率法

設(shè)導(dǎo)體棒從O點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)距離x用時(shí)為t，整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)熱功率P滿足如下式子：

p=I2R

由該式可知功率P與時(shí)間t呈線性關(guān)系，如圖3所示：

圖3

則整個(gè)系統(tǒng)在0～t內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱Q滿足：

根據(jù)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推算，可知

由此可知，方法一和方法二所得結(jié)果相同.

分析思路三積分法

極短時(shí)間dt內(nèi)安培力做的功為dW，則

dW=dU·I·dt

整個(gè)過(guò)程中對(duì)dW積分，

導(dǎo)體棒從O運(yùn)動(dòng)到AB，磁通量的總改變量Φ滿足：

則從O到AB，系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量Q滿足：

Q=W

該種方法所得的結(jié)果與前兩種方法相同.

dW還可以表示為

dW=I2R·dt

則導(dǎo)體棒走過(guò)x，系統(tǒng)產(chǎn)生的焦耳熱可以表示為：

從O到AB，導(dǎo)體棒走過(guò)總距離為x0，則：

創(chuàng)新解法是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的搖籃，也是發(fā)展科學(xué)思維的關(guān)鍵，也是中學(xué)物理教學(xué)核心素養(yǎng)落地的關(guān)鍵因素.所以在教學(xué)中我們應(yīng)大膽創(chuàng)設(shè)物理情境，讓學(xué)生大膽提出提出新的解法，以此來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情.

從不同的方向考慮問(wèn)題是培養(yǎng)綜合分析能力的主要途徑，核心素養(yǎng)的培養(yǎng)蘊(yùn)含了學(xué)生學(xué)習(xí)方式和教學(xué)方式的多元化.物理教師應(yīng)該以提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)為宗旨，改變教學(xué)觀念，改進(jìn)教學(xué)方式和手段，大膽設(shè)計(jì)創(chuàng)新課堂，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生物理核心素養(yǎng).準(zhǔn)確把握核心素養(yǎng)的內(nèi)涵是物理核心素養(yǎng)落實(shí)教學(xué)的前提和基礎(chǔ).教師在平時(shí)設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)要科學(xué)和合理，在教學(xué)過(guò)程中圍繞核心素養(yǎng)，選擇恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)情境，從而促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓科學(xué)核心素養(yǎng)在物理課堂里落地生根.