高二物理(人教版和教科版)-电磁感应中的能量转化与守恒-教案

1、教 案教学基本信息课题电磁感应中的能量转化与守恒学科物理学段： 高二（下）年级高二教材高中物理选修3-2 人民教育出版社 出版日期： 2010年4月教学设计参与人员姓名单位联系方式设计者张石友北京市第一七一中学实施者张石友北京市第一七一中学指导者张思宇东城区教师研修中心课件制作者张石友北京市第一七一中学其他参与者教学目标及教学重点、难点教学目标：1.通过对典型电磁感应情景中能量转化与守恒的的理论探究，进一步完善学生的物理观念。并能够运用能量观念解决具体的物理问题。2.通过对能量转化过程中量度问题的理论探究，培养学生构建模型、分析综合、推理论证、批判质疑、科学论证等科学思维。3.通过对电磁感应中

2、能量转化与守恒内在机理的理论探究，带领学生探寻科学本质，培养学生对科学正确的态度和责任。教学重点：1.动生电磁感应现象中能量转化与守恒规律。2.动生电磁感应现象中克服安培力做功和产生电能之间的定量关系。3.动生电磁感应现象中能量转化与守恒的内在机理。教学难点：动生电磁感应现象中能量转化与守恒的内在机理的探究教学过程(表格描述)教学环节主要教学活动设置意图创设情境提出问题明确探究任务温故知新类比迁移形成猜想建立模型确定方案理论探究验证猜想质疑创新求根溯源提出问题宏微结合求根溯源提出问题解决问题（间接求证）解决问题（直接求证）宏微结合得出结论学以致用小试牛刀深化理解课堂小结课后拓展首先我们一起来重

3、温一个我们最近比较熟悉的物理情景：在匀强磁场中，足够长的光滑导轨，宽度为L；金属棒ab，阻值为r，初速v0；定值电阻R，其余部分电阻不计。在此情景中，金属棒ab切割磁感线运动，产生感应电动势，闭合回路产生了感应电流，我们也可以说产生了电能。我们知道，能量不可能凭空产生！那么，这个电能是由哪种能量转化而来的呢？这个问题并不难回答，我们知道，在这一过程中，金属棒做减速运动，其机械能是在减小的，所以我们不难判断出这一过程中能量转化关系是：机械能转化为电能。然而，问题到此就结束了吗？显然没有！我们能否更具体地说清楚，能量是怎么实现转化的？转化中过程中具体的定量关系又是怎样的呢？今天，我们就一起来对这个

4、问题做理论方面的探究。我们已经知道，做功的过程是能量转化的过程，并且功是能量转化的量度。例如：重力做功对应重力势能的变化，具体的定量关系是：W合外力做功对应动能的变化，具体的定量关系：W总=此外，我们还学过的有弹簧弹力做功与弹性势能变化、静电力做功与电势能变化、万有引力做功与引力势能变化等等，它们当中都存在着确定的定量关系。这就启发了我们的联想。，在今天学习的这种电磁感应现象中，是否也有类似的关系和定量规律呢？在今天的这个电磁感应情景中，机械能转化为电能，可以用什么力做功，来量度呢？通过对这个情景的分析，我们发现，只要金属棒运动的时候，回路就有感应电流，金属棒就会受到安培力的作用，安培力就在做

5、功，可以说安培力做功伴随着电磁感应发生的整个过程。那我们就可以提出一种猜想：安培力做的功可以用来量度机械能和电能的转化。事实真的是这样吗？下面，我们来建立模型，验证这一猜想。在这个情景中，很明显，在导体棒向右运动过程中，安培力做负功，而产生的电能肯定为正值，所以我们来验证W克安=E电即可.验证的思路：分别求出两者的表达式，然后进行验证。其中产生的电能，通常又可用全电路的电功来表示，特别是如果电路是纯电阻电路，那么产生的电能又都将转化为电热，也就是我们常说的焦耳热。这里我们建议同学们要画出电路图，有做好电路分析的意识。另外，在求克服安培力做功的时候，困难是：由于金属棒速度不恒定，会减小，因此产生

6、的感应电动势会减小，导致通过金属棒的电流、以及金属棒受到的安培力都不是恒定值。解决方法是：微元法。通过刚才的探究，我们从宏观角度得到了结论：克服安培力做的功大小等于产生的电能。然而，到此为止，问题就真的都很清楚了么？还不见得！比如，我们虽然知道了这个过程中克服安培力做功的大小等于产生的电能，但是对于更具体的，怎样将机械能转化为电能的内在机理，似乎还不是特别清楚，这一结论还没有足够让人信服。为了解决这个问题，我们不妨回到问题的原点， “电磁感应过程中一定产生电能”这一客观事实出发，来进行一些基本的逻辑分析：我们知道电磁感应发生的过程中，其它形式的能转化电能，那它不就相当于一个电源吗？而电源之所以

7、能够持续不断地产生电能，那是因为在电源内部的非静电力做功，把经外电路流回到电源正极的负电荷，经电源内部，又重新搬回到电源负极去。那么问题来了，在这里，电源内部的非静电力是哪个力呢？其做功有什么特点，或者规律呢？我们来看，在此情景中，金属棒切割磁感线运动，产生感应电动势，ab棒就相当于电源，且a端为负极，b端为正极。那我们就首先“进入电源内部”来一探究竟。问题：洛伦兹力的两个分力做功的关系？方法一：通过几何关系，可以证明，洛伦兹力f和合速度v合，成垂直关系，那就说明了洛伦兹力做功的功率总是零，也就是说洛伦兹力做的总功应该为零，这也恰好和我们之前的认识：洛伦兹力不做功是一致的。既然洛伦兹力做的总功

8、为零，那么我们就间接得到了，它的两个分力f1、f2必然做功大小相等，正负相反。方法二：在微元t时间内：分力f1做功为W1= + f1u t = +evB(ut)分力f2做功为 W1= - f2v t = -euB(vt)所以， W1= -W2 同样得到结论。前面我们从宏观角度得到：W克安 = E电刚才我们从微观角度得到：W1= -W2它们之间存在着什么关系呢？金属棒内大量自由电子的水平分洛伦兹力f2的总和宏观上表现为安培力。杆内大量自由电子沿棒方向分洛伦兹力f1的总和宏观上表现为电源内部总的非静电力。就得到了如下关系：克服安培力做的功 = 非静电力做的功其中安培力做负功，消耗机械能；非静电力做

9、正功，产生电能。这个过程中，洛伦兹力通过两个分力做功的方式，起到等量“传递”能量的作用。典型情景举例：例题1. 电阻为R的矩形导线框abcd,边长ab=L, ad=h,质量为m,自某一高度自由落体,通过一匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里,磁场区域的宽度为h ,如图,若线框恰好以恒定速度通过磁场,线框内产生的焦耳热等于多少？例题2. 如图所示，固定的水平光滑金属导轨，间距为L，左端接有阻值为R的电阻，处在方向竖直、磁感应强度为B的匀强磁场中，质量为m的导体棒与固定弹簧相连，放在导轨上，导轨与导体棒的电阻均可忽略。初始时刻，弹簧恰处于自然长度，导体棒具有水平向右的初速度v0。在沿导轨往复运动的过程中

10、，导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触。（1）若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时，弹簧的弹性势能为Ep，则这一过程中安培力所做的功W1和电阻R上产生的焦耳热Q1分别为多少？（2）导体棒往复运动，最终将静止于何处？从导体棒开始运动直到最终静止的过程中，电阻R上产生的焦耳热Q为多少？创设情境，从学生熟悉的情景中，提出问题提出更深层次的问题，激发学生思考和探究的欲望温故知新，通过对已经熟悉的功能关系的复习回顾，发现规律，并引导学生自觉运用迁移方法，来探究目前遇到的问题以基本的已知事实为依据，生成合理猜想建立模型科学探究、论证，培养科学思维在初步探究结束后，提出新的问题，引导学生质疑创新、探寻物理本质注重逻辑推理，理论探究，培养科学思维从宏微结合的角度考虑、分析问题，追寻物理本质，让最终的结论更可靠、可信多种方法、不同角度进行论证，殊途同归，一方