培养高中物理学科核心素养 用科学思维解决问题——以分析安培力做功与焦耳热的关系为例

王 静 王希春

(吉林省吉林市吉化第一高级中学校 132022)

新一轮高考改革正在进行，高中物理学科教学的终极目标就是落实核心素养，而科学思维正是核心素养中的重要组成部分，如何在习题中落实核心素养是我们要研究的重要课题，本文将通过电磁感应专题落实科学素养中的科学思维.

一、科学推理

例1安培力做功及对应的能量转化关系

图1

(1)如图1甲所示，回路通电后导体棒中存在电流，受到安培力的方向向右.安培力做正功，电能转化为导体棒的机械能，做了多少功就有多少能量参与转化.

(2)如图1乙所示，导体棒因向右运动而产生感应电流，受到安培力的方向向左.导体棒克服安培力做功，机械能转化为回路的电能，同样做了多少功就有多少能量参与转化.

二、质疑创新

通过以上推理，很轻易就能得出，安培力做功是电能和其他形式的能之间相互转化的桥梁：安培力的正负功对应能量转化的方向，安培力做功的大小对应能量转化数值.这个规律似乎很适合当前的习题，但确实是这样吗？

例2(2017·江苏卷)(15分)如图2所示，两条相距d的平行金属导轨位于同一水平面内，其右端接一阻值为R的电阻．质量为m的金属杆静置在导轨上，其左侧的矩形匀强磁场区域MNPQ的磁感应强度大小为B、方向竖直向下．当该磁场区域以速度v0匀速地向右扫过金属杆后，金属杆的速度变为v．导轨和金属杆的电阻不计，导轨光滑且足够长，杆在运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触．求：

图2

(1)MN刚扫过金属杆时，杆中感应电流的大小I；

(2)MN刚扫过金属杆时，杆的加速度大小a；

(3)PQ刚要离开金属杆时，感应电流的功率P．

(3)金属杆切割磁感线的速度v′=v0-v

感应电动势E=Bd(v0-v)

三、科学论证

通过例2习题，安培力做正功时，其他形式的能也可以转化成电能，单纯的从安培力做正负功的角度去判断能量转化，并不科学.

再试试自己添加一步(4)PQ刚要离开金属杆时，金属杆所受安培力的功率P1．

很明显，感应电流的功率和安培力的功率在大小上也是不一样的，还有在电路中有电源的，感应电流产生的焦耳热和安培力的功也是不相等的，这充分的说明了，安培力做的正功与感应电流的功率并没有什么关系.例3习题也能充分的说明电磁驱动类习题安培力做正功的时候，其他形式的能也可以转化成电能.

图3

例3如图3所示，圆形金属环竖直固定穿套在光滑水平导轨上，条形磁铁沿导轨以初速度v0向圆环运动，其轴线在圆环圆心，并与环面垂直，则磁铁在穿过环过程中，是否有感应电流产生？

四、模型建构

在电磁感应习题中，有一类双杆习题非常常见，此类习题一根金属杆所受的安培力做负功，另一根金属杆所受的安培力做正功，两个安培力做功的和为负功，这和一对相互作用的摩擦力所做的功极其相似，有人把电磁感应中的双杆模型称为电磁摩擦力，非常恰当.

图4

解析(1)从开始到两棒达到相同速度v的过程中，两棒的总动量守恒，有mv0=2mv

例5如图5所示，滑块A(足够长)放在光滑水平面上，滑块B叠放在A的左端，AB的质量均为m，二者之间有摩擦，给B一个向右的初速度v0，在运动过程中，AB之间由于摩擦力产生的热是多少？

图5

例4中第一问的参考答案是用动量能量求解的，这份答案完全适合例5，如果从做功的角度看问题，其内部关系也极其相似：在例4中，由于回路各处电流相同，故两根金属杆所受安培力大小相同，方向相反，记作F安，cd棒的位移记作xcd，ab棒的位移记作xab，则：

在例5中，摩擦力为二者之间的一对相互作用力，等大反向共线，记作Ff，滑块A的位移为xA，滑块B的位移为xB，则：

由此可见，当两根金属棒所受安培力等大反向，对整个回路来说合力为零，一对相互作用的摩擦力也是等大反向，对整体来说合力均为零，两类习题均可应用动量守恒，进而无论从能量还是功两个角度看问题，两类题型极为相似，可视为同一模型，还有子弹打木块模型(如图6)等等.

一节好的习题课应该能从不同的角度渗透物理核心素养，通过安培力做负功产生焦耳热这种常见题型，引起学生的质疑，从而通过科学论证得出安培力做功的正负并不能决定能量转化方向及大小.建模能力是高中学生的一种必备的能力，帮助学生建立物理模型，使学生能够具备自己解决问题的能力，电磁感应中双杆问题虽然和板块模型不是完全相同，但由于规律极其相像，可以把双杆模型，板块模型，子弹打木块模型等归成一类，这样有利于学生对新知识的理解，通过模型的拓展可以培养学生建模迁移能力.整个专题完全落实了物理核心素养中的科学思维.