1、核心素養評價案例 第四章 【核心素養【核心素養樣題示范樣題示范】 情境利用超導體可以實現磁懸浮。在水平桌面上放情境利用超導體可以實現磁懸浮。在水平桌面上放 置一周長為置一周長為L,L,質量為質量為m m的超導圓環的超導圓環, ,如圖所示如圖所示, ,一永磁鐵一永磁鐵 在外力作用下在外力作用下, ,從圓環正上方緩慢下移至離桌面高從圓環正上方緩慢下移至離桌面高H H處處 撤去外力撤去外力, ,永磁鐵恰好平衡永磁鐵恰好平衡, ,此時圓環中的感應電流大此時圓環中的感應電流大 小為小為I,I,其所在處磁場的磁感應強度大小為其所在處磁場的磁感應強度大小為B,B,方向與水方向與水 平面成平面成角。角。( (

2、已知當地重力加速度為已知當地重力加速度為g) g) 設問設問 (1)(1)從上往下看從上往下看, ,超導圓環中感應電流的方向超導圓環中感應電流的方向? ? (2)(2)剛撤去外力時剛撤去外力時, ,桌面對圓環的支持力大小為多少桌面對圓環的支持力大小為多少? ? (3)(3)經一段時間后經一段時間后, ,永磁鐵會緩慢下移至離桌面高為永磁鐵會緩慢下移至離桌面高為h h的的 位置處平衡位置處平衡, ,請據該現象考慮超導體的電阻真的絕對為請據該現象考慮超導體的電阻真的絕對為 零嗎零嗎? ? (4)(4)若圓環的截面面積為若圓環的截面面積為S,S,電阻率為電阻率為,電流保持不變電流保持不變, , 求永磁

3、鐵自距桌面求永磁鐵自距桌面H H處下移至離桌面高為處下移至離桌面高為h h處的過程中處的過程中 所經過的時間所經過的時間tt。 【解析【解析】(1)(1)從上往下看從上往下看, ,逆時針電流。逆時針電流。 (2)(2)圓環所受到的安培力圓環所受到的安培力F=BILF=BIL 其豎直方向的分量其豎直方向的分量F F1 1=Fcos=BILcos=Fcos=BILcos 以圓環為研究對象以圓環為研究對象, ,由平衡條件由平衡條件, ,得得N=mg+BILcosN=mg+BILcos (3)(3)造成這種現象的原因是由于超導體有微小電阻造成這種現象的原因是由于超導體有微小電阻, ,有有 電流時會有重

4、力勢能轉化為焦耳熱。電流時會有重力勢能轉化為焦耳熱。 (4)(4)設永磁鐵的質量為設永磁鐵的質量為M,M,以永磁鐵為研究對象以永磁鐵為研究對象, ,由平由平 衡條件衡條件, , 可知可知Mg=BILcosMg=BILcos 由能量守恒由能量守恒, ,得永磁鐵減少的重力勢能等于圓環中產得永磁鐵減少的重力勢能等于圓環中產 生的焦耳熱。生的焦耳熱。 Q=Mg(H-h)=BILcos(H-hQ=Mg(H-h)=BILcos(H-h) ) 由由Q=IQ=I2 2RtRt 又又R= R= 解得解得 tt= = 答案答案: :(1)(1)逆時針逆時針(2)mg+BILcos(2)mg+BILcos (3)(

5、3)見解析見解析(4) (4) L S BScosHh I BScosHh I 【案例評析【案例評析素養任務素養任務】 【素養及質量水平評析【素養及質量水平評析】 設問設問1:1:科學思維科學思維水平水平2 2 能在比較簡單的電磁感應現象中能在比較簡單的電磁感應現象中, ,運用楞次定律進行分運用楞次定律進行分 析、得出感應電流的方向。析、得出感應電流的方向。 設問設問2:2:科學思維科學思維水平水平3 3 能在剛撤去外力時能在剛撤去外力時, ,選取圓環為研究對象選取圓環為研究對象, ,選用平衡問選用平衡問 題模型題模型, ,進行分析、推理得出結論。進行分析、推理得出結論。 設問設問3:3:科學

6、態度與責任科學態度與責任水平水平4 4 能對永磁體平衡位置的下降從物理學視角用能量守恒能對永磁體平衡位置的下降從物理學視角用能量守恒 定律進行解釋定律進行解釋, ,從而進一步修正已有超導體電阻絕對為從而進一步修正已有超導體電阻絕對為 零的錯誤。零的錯誤。 設問設問4:4:科學思維科學思維水平水平5 5 能綜合分析推理能綜合分析推理, ,運用平衡條件、能量守恒定律、焦耳運用平衡條件、能量守恒定律、焦耳 定律、電阻定律等求出兩次位置變化經過的時間定律、電阻定律等求出兩次位置變化經過的時間tt。 【素養達成任務要求【素養達成任務要求】 設問設問1:1: 任務任務1:1:超導圓環中的磁通量方向向哪超導

7、圓環中的磁通量方向向哪? ? 提示提示: :向下向下 任務任務2:2:永磁鐵下移時永磁鐵下移時, ,超導圓環中的磁通量如何變化超導圓環中的磁通量如何變化? ? 提示提示: :增大增大 設問設問2:2: 任務任務1:1:畫出超導圓環的受力分析圖畫出超導圓環的受力分析圖: : 提示提示: : 任務任務2:2:對超導圓環對超導圓環, ,據豎直方向受力平衡列方程據豎直方向受力平衡列方程: : 提示提示: :N=mg+BILcosN=mg+BILcos 設問設問3:3: 任務任務1:1:永磁鐵自距桌面永磁鐵自距桌面H H處下移至離桌面高為處下移至離桌面高為h h處的過處的過 程中程中, ,機械能怎么變化機械能怎么變化? ? 提示提示: :減小減小 任務任務2:2:永磁鐵自距桌面永磁鐵自距桌面H H處下移至離桌面高為處下移至離桌面高為h h處的過處的過 程中程中, ,機械能變化的原因機械能變化的原因? ? 提示提示: :超導體有微小電阻超導體有微小電阻, ,有電流時會有重力勢能轉化有電流時會有重力勢能轉化 為焦耳熱。為焦耳熱。 設問設問4:4: 任務任務1:1:永磁鐵的質量怎么得出永磁鐵的質量怎么得出? ? 提示提示: :由平衡條件由平衡條件, ,可知可知Mg=BILcosMg=BILcos 任務任務2:2:此過程中