物理知识和物理能力其应用需要典型例题来展示,典型例题其典型性在于其解法的普遍性、深刻性和启发性,可引导学生更好地理解、掌握、运用基本概念和基本规律,以举一反三、触类旁通而达到提高学习效率之目的。本文试图对学生在解答电磁感应习题中出现的误解加以归类分析,从学生的认识能力和思维层次来分析形成误解的根源,提出如何更有效地解决问题的方法。以有利于学生更好、更全面地掌握电磁感应内容及其结合相关物理知识的运用。。
例1、矩形线圈abcd,长ab=20cm,宽cd=10cm,匝数n=200,线圈的总电阻为5Ω,整个线圈位于垂直于线圈平面的匀强磁场内,并保持静止。t=0s时,磁感应强度为5×10-2T,之后以变化率0。5T/s增大,求:
(1)t=0。3s时线圈的感应电动势?
(2)t=0。3s时线圈ab边所受的安培力的大小?
错解:ε=nΔΦ/Δt=nΔBS/Δt=2.0V
I=ε/R=0.40A
FA=nBIL=200×5×10-2×0.40×0.2=0.8(N)
正确求解:ε=nΔΦ/Δt=nΔBS/Δt=2.0V
I=ε/R=0.40A
FA=nBtIL=200×(5×10-2+0.3×0.5)×0.40×0.2=3.2(N)
书本及平时练习中,磁场的条件往往是恒定的,久之,学生的印象中凡是涉及磁感应强度的都是定值,对公式的瞬时性认识不够,运用公式F=BIL时总习惯性地认为磁感应强度B是恒定值。因此,练习中要多设置如上练习。通过此类题练习,可破除学生由于平时固定式练习带来的惯性定论,使学生对公式F=BIL的瞬时性掌握的更为全面,分析问题更为细致。 |
例2、上题中,若磁感应强度强度作图示的正弦规律变化。
求:线圈1min内产生多少热量?
错解:ε=nΔΦ/Δt=NBS/0.25T
=(200×0.2×0.2×0.1)/(0.25×0.02)=160V
I=ε/R=160V/5Ω=32A
Q=I2Rt=(32)2×5×60=3.07×105J
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图
1 |
此题表面上错在:用平均电动势来求电热,实质上:是部分同学不能正确理解ε=nΔΦ/Δt求的是什么电动势,即感应电动势的平均值与有效值不分,造成计算方法的混淆。也有少部分分得清的同学又因不能正确求解电动势的有效值,简单地用平均值来代替。
明确问题所在后,首先引导学生理解公式ε=nΔΦ/Δt计算的是平均电动势,常用于求解平均电流、电量。计算有效值一定要从有效值定义出发,诱导学生比较正弦交流电产生的磁通变化与本题的磁通变化,从法拉第电磁感应定律出发,得出其本质上的共同点。即可得:
正确求解:εm=nBSω=nBS2π/T=251.2V
ε=0.707εm=177.6V
Q=ε2t/R=3.78×105J
通过本题练习,可较深刻理解平均值和有效值区别,又能深层次地掌握有效值的计算。
例3:图示,磁感应强度为B、方向水平的匀强磁场垂直纸面向里,质量为m、电阻为R、边长为L的正方形线框abcd在其正上方h处由静止开始释放。试问线框进入磁场过程中的加速度a与重力加速度g的大小关系可能的是 |
A、a=g B、a<g C、a=3g D、a>g
错解:由楞次定律的推论知:电磁感应现象
中导体所受的安培力与导体运动方向相反,
所以,导体的加速度小于重力加速度。选B。
正确求解:FA=BIL I=ε/R ε=BLV V2=2gh
由上述各式可得:FA=B2L2V/R=B2L2 /R
而a=(mg-FA)/m=g-FA/m
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图
2 |
可见,只要下落的高度h取值恰当,加速度a可小于g、也可大于或等于g。即选ABCD。进一步还可让学生理解线框进入磁场过程,可能匀速、也可能加速或减速。
比较两种解法,错解的求法似乎理由充分,但他对安培力大小的决定因素只停留在B、I、L层次上,又由于习惯于稳恒电流知识,对I总认为是定值。因此,无法得到正确的结论。此类练习能深层次地理解安培力的决定因素,同时可强化安培力与电磁感应现象的本质关系,开阔学生的解题视野。
例4、图示,圆弧及水平轨道光滑,质量为M的螺线管套在光滑的水平杆上,线圈电阻不计,质量为m的磁铁从高为h处由静止沿轨道下滑,最终二者以共同的速度向右运动。求 |
此过程中电阻R上产生的热量Q?
错解:由机械能守恒得 mgh=mv2/2
由系统动量守恒 mv=(M+m)V
由动能定理 WF=MV2/2-0
所以Q=WF=MV2/2
造成上述错误的原因是:平时解题中导体的动能以不变为主,无意中形成一个定论:安培力对导体所做的功等于导体电磁感应产生的电能等于导体中电流由于热效应产生的热能。
正确求解:Q=EK末-EK初=mv2/2-(M+m)V2/2
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图 3 |
此题的能量转化是:螺线管对磁铁做负功,使磁铁的动能减小量转移为螺线管的动能和转化为两者相对运动而发生的电磁感应产生的电能,螺线管电路中的电能由于电流的热效应又转化为电阻R的热能。从能量转化和转移角度分析对题意理解能更为深刻。
电磁感应问题是高中物理中综合层次较高的内容之一,几乎所有的力学、电学的基本概念、基本原理和解题技能都在其中得以体现、深化和贯穿。是平时学习的重点,也是解题的难点,更是高考的热点。纵观近年来的高考试卷,试题难度并不太大但得分率却不高,根本原因在于学生在平时练习中形成过多的习惯性的定论,直接影响着对试题的正确审题而造成不应有的错误。所以,对学生平时的练习,教师应多设置障碍,破坏学生的浅层的、错误的定论,通过典型习题问题的归类,多层面的练习和总结,突破误解的原因,寻找到有效的解决方法,形成典型的解题技能。以达到对物理知识更全面、更深层的认识,也有利于学生审题能力的提高;从中学生对电磁感应章节的概念和规律的理解将更加深刻,结合相关物理知识的运用将更加有效。在探讨和分析中学生的思维层次和思维品质也得以提高,能站在更高的层次来审视物理问题。 |