1、教 案教學基本信息課題電磁感應中的能量轉化與守恒學科物理學段： 高二（下）年級高二教材高中物理選修3-2 人民教育出版社 出版日期： 2010年4月教學設計參與人員姓名單位聯系方式設計者張石友北京市第一七一中學實施者張石友北京市第一七一中學指導者張思宇東城區教師研修中心課件制作者張石友北京市第一七一中學其他參與者教學目標及教學重點、難點教學目標：1.通過對典型電磁感應情景中能量轉化與守恒的的理論探究，進一步完善學生的物理觀念。并能夠運用能量觀念解決具體的物理問題。2.通過對能量轉化過程中量度問題的理論探究，培養學生構建模型、分析綜合、推理論證、批判質疑、科學論證等科學思維。3.通過對電磁感應中

2、能量轉化與守恒內在機理的理論探究，帶領學生探尋科學本質，培養學生對科學正確的態度和責任。教學重點：1.動生電磁感應現象中能量轉化與守恒規律。2.動生電磁感應現象中克服安培力做功和產生電能之間的定量關系。3.動生電磁感應現象中能量轉化與守恒的內在機理。教學難點：動生電磁感應現象中能量轉化與守恒的內在機理的探究教學過程(表格描述)教學環節主要教學活動設置意圖創設情境提出問題明確探究任務溫故知新類比遷移形成猜想建立模型確定方案理論探究驗證猜想質疑創新求根溯源提出問題宏微結合求根溯源提出問題解決問題（間接求證）解決問題（直接求證）宏微結合得出結論學以致用小試牛刀深化理解課堂小結課后拓展首先我們一起來重

3、溫一個我們最近比較熟悉的物理情景：在勻強磁場中，足夠長的光滑導軌，寬度為L；金屬棒ab，阻值為r，初速v0；定值電阻R，其余部分電阻不計。在此情景中，金屬棒ab切割磁感線運動，產生感應電動勢，閉合回路產生了感應電流，我們也可以說產生了電能。我們知道，能量不可能憑空產生！那么，這個電能是由哪種能量轉化而來的呢？這個問題并不難回答，我們知道，在這一過程中，金屬棒做減速運動，其機械能是在減小的，所以我們不難判斷出這一過程中能量轉化關系是：機械能轉化為電能。然而，問題到此就結束了嗎？顯然沒有！我們能否更具體地說清楚，能量是怎么實現轉化的？轉化中過程中具體的定量關系又是怎樣的呢？今天，我們就一起來對這個

4、問題做理論方面的探究。我們已經知道，做功的過程是能量轉化的過程，并且功是能量轉化的量度。例如：重力做功對應重力勢能的變化，具體的定量關系是：W合外力做功對應動能的變化，具體的定量關系：W總=此外，我們還學過的有彈簧彈力做功與彈性勢能變化、靜電力做功與電勢能變化、萬有引力做功與引力勢能變化等等，它們當中都存在著確定的定量關系。這就啟發了我們的聯想。，在今天學習的這種電磁感應現象中，是否也有類似的關系和定量規律呢？在今天的這個電磁感應情景中，機械能轉化為電能，可以用什么力做功，來量度呢？通過對這個情景的分析，我們發現，只要金屬棒運動的時候，回路就有感應電流，金屬棒就會受到安培力的作用，安培力就在做

5、功，可以說安培力做功伴隨著電磁感應發生的整個過程。那我們就可以提出一種猜想：安培力做的功可以用來量度機械能和電能的轉化。事實真的是這樣嗎？下面，我們來建立模型，驗證這一猜想。在這個情景中，很明顯，在導體棒向右運動過程中，安培力做負功，而產生的電能肯定為正值，所以我們來驗證W克安=E電即可.驗證的思路：分別求出兩者的表達式，然后進行驗證。其中產生的電能，通常又可用全電路的電功來表示，特別是如果電路是純電阻電路，那么產生的電能又都將轉化為電熱，也就是我們常說的焦耳熱。這里我們建議同學們要畫出電路圖，有做好電路分析的意識。另外，在求克服安培力做功的時候，困難是：由于金屬棒速度不恒定，會減小，因此產生

6、的感應電動勢會減小，導致通過金屬棒的電流、以及金屬棒受到的安培力都不是恒定值。解決方法是：微元法。通過剛才的探究，我們從宏觀角度得到了結論：克服安培力做的功大小等于產生的電能。然而，到此為止，問題就真的都很清楚了么？還不見得！比如，我們雖然知道了這個過程中克服安培力做功的大小等于產生的電能，但是對于更具體的，怎樣將機械能轉化為電能的內在機理，似乎還不是特別清楚，這一結論還沒有足夠讓人信服。為了解決這個問題，我們不妨回到問題的原點， “電磁感應過程中一定產生電能”這一客觀事實出發，來進行一些基本的邏輯分析：我們知道電磁感應發生的過程中，其它形式的能轉化電能，那它不就相當于一個電源嗎？而電源之所以

7、能夠持續不斷地產生電能，那是因為在電源內部的非靜電力做功，把經外電路流回到電源正極的負電荷，經電源內部，又重新搬回到電源負極去。那么問題來了，在這里，電源內部的非靜電力是哪個力呢？其做功有什么特點，或者規律呢？我們來看，在此情景中，金屬棒切割磁感線運動，產生感應電動勢，ab棒就相當于電源，且a端為負極，b端為正極。那我們就首先“進入電源內部”來一探究竟。問題：洛倫茲力的兩個分力做功的關系？方法一：通過幾何關系，可以證明，洛倫茲力f和合速度v合，成垂直關系，那就說明了洛倫茲力做功的功率總是零，也就是說洛倫茲力做的總功應該為零，這也恰好和我們之前的認識：洛倫茲力不做功是一致的。既然洛倫茲力做的總功

8、為零，那么我們就間接得到了，它的兩個分力f1、f2必然做功大小相等，正負相反。方法二：在微元t時間內：分力f1做功為W1= + f1u t = +evB(ut)分力f2做功為 W1= - f2v t = -euB(vt)所以， W1= -W2 同樣得到結論。前面我們從宏觀角度得到：W克安 = E電剛才我們從微觀角度得到：W1= -W2它們之間存在著什么關系呢？金屬棒內大量自由電子的水平分洛倫茲力f2的總和宏觀上表現為安培力。桿內大量自由電子沿棒方向分洛倫茲力f1的總和宏觀上表現為電源內部總的非靜電力。就得到了如下關系：克服安培力做的功 = 非靜電力做的功其中安培力做負功，消耗機械能；非靜電力做

9、正功，產生電能。這個過程中，洛倫茲力通過兩個分力做功的方式，起到等量“傳遞”能量的作用。典型情景舉例：例題1. 電阻為R的矩形導線框abcd,邊長ab=L, ad=h,質量為m,自某一高度自由落體,通過一勻強磁場,磁場方向垂直紙面向里,磁場區域的寬度為h ,如圖,若線框恰好以恒定速度通過磁場,線框內產生的焦耳熱等于多少？例題2. 如圖所示，固定的水平光滑金屬導軌，間距為L，左端接有阻值為R的電阻，處在方向豎直、磁感應強度為B的勻強磁場中，質量為m的導體棒與固定彈簧相連，放在導軌上，導軌與導體棒的電阻均可忽略。初始時刻，彈簧恰處于自然長度，導體棒具有水平向右的初速度v0。在沿導軌往復運動的過程中

10、，導體棒始終與導軌垂直并保持良好接觸。（1）若導體棒從初始時刻到速度第一次為零時，彈簧的彈性勢能為Ep，則這一過程中安培力所做的功W1和電阻R上產生的焦耳熱Q1分別為多少？（2）導體棒往復運動，最終將靜止于何處？從導體棒開始運動直到最終靜止的過程中，電阻R上產生的焦耳熱Q為多少？創設情境，從學生熟悉的情景中，提出問題提出更深層次的問題，激發學生思考和探究的欲望溫故知新，通過對已經熟悉的功能關系的復習回顧，發現規律，并引導學生自覺運用遷移方法，來探究目前遇到的問題以基本的已知事實為依據，生成合理猜想建立模型科學探究、論證，培養科學思維在初步探究結束后，提出新的問題，引導學生質疑創新、探尋物理本質注重邏輯推理，理論探究，培養科學思維從宏微結合的角度考慮、分析問題，追尋物理本質，讓最終的結論更可靠、可信多種方法、不同角度進行論證，殊途同歸，一方