第一篇：從動生電動勢的產生看磁場中能量轉換及安培力與洛倫茲力的關系解讀

從動生電動勢的產生看磁場中能量轉換及安培力與

洛倫茲力的關系

摘要:本文根據新課程的理念給出了“用單擺測定重力加速度”這樣一個教學設計,該教學設計讓學生在重力加速度的測定方面經歷一次探究過程,以便落實新課程的三維目標。

關鍵詞:單擺;重力加速度;教學設計

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)1(S)-0074-3 1 教學設計思路

物理課程標準總目標中對學生在科學探究方面提出了要求:學習科學探究方法,發展自主學習能力,養成良好的思維習慣,能運用物理知識和科學探究方法解決一些問題。

在物理課程標準中,測定重力加速度的實驗只要求“用單擺測重力加速度”。但實際上涉及重力加速度的物理模型和物理規律很多,本節課要求學生在測定重力加速度的探究過程中,學會分析和鑒別方案,并根據所選方案進行探究。2 教學目標 2.1 知識與技能

(1)復習與重力加速度有關的知識,加深學生對物理知識的理解。

(2)能對實驗方案進行分析與鑒別,并能根據所設計實驗方案進行規范操作。2.2 過程與方法

讓學生能夠根據問題的要求和相關條件,構造有關的實驗情景,優選實驗原理和方案,確定解決問題的實驗程序,得出準確合理的結論。2.3 情感、態度與價值觀

(1)通過探究和設計活動,培養學生的合作精神以及實事求是、精益求精、鍥而不舍的探索精神。

(2)增強學生對科學的好奇心與求知欲,使學生樂于探究自然界奧秘。3 教學重點(1)探究思想、探究過程、探究方法的滲透。(2)測定地球表面附近重力加速度方案的獲得過程。(3)會用單擺精確的測定重力加速度。4 教學難點

(1)將學生的學習方式由被動接受轉變為主動的探究。(2)用單擺測定重力加速度方案的設計。5 學生情況分析

(1)本校學生為市重點中學的學生,學生素質較高,基礎較好,理解能力較強,也勤于動腦,思路開闊。但多數學生來自于農村,不太善于表達和發言。(2)在此之前涉及重力加速度的物理規律的教學內容很多,學生對這些知識的掌握基本達標。6 儀器準備

鐵架臺,中心有小孔的金屬小球,長約1m的細線,刻度尺,游標卡尺,秒表。7 教學過程 7.1 提出問題

在許多物理規律中,我們都要用到一個物理量:重力加速度g。我們通常把這個物理量看作已知量:g=9.8m/s?2。這個物理量的大小我們又是怎么得來的呢?今天我們就來測一下我們學校所在位置的重力加速度。設計意圖 進入良好教學狀態。7.2 選擇實驗方案

(1)讓學生思考涉及到重力加速度的物理規律和物理模型 ①教師提出問題。

要測定地球表面附近的重力加速度,我們回顧一下所學的知識,有哪些內容涉及到重力加速度,它與其他物理量有何定量關系,并一一羅列出來。②教師巡視,傾聽,鼓勵并給予補充。學生思考、討論,并把結果寫在草稿紙上。設計意圖 給予學生思考和討論空間。

(2)考慮測定重力加速度的方案的可行性并選擇方案 選擇方案的原則: ①簡易性原則;②安全性原則;③低成本性原則;④科學性原則。

組織學生總結分析涉及到重力加速度的物理規律,并把方案羅列在黑板上。方案一:在靜力學中,靜止物體對豎直懸掛繩的拉力或對水平支持物的壓力大小等于重力大小,即T=mg(或N=mg),若T(或N)和m能測定,則重力加速度g可測定。分析 現在常用的測力計誤差較大。

方案二:在運動學中,物體從光滑斜面上由靜止下滑,s=gt?2sinθ2,若s、θ、t可測定,則也可測定重力加速度g。

分析 在實驗過程中,θ、t不易測定且難以保證斜面足夠光滑。

方案三:當物體在豎直方向做勻加速運動時,由牛頓第二定律,F-mg=±ma,若F、a和m可測出,則重力加速度g可測定。分析 F、a均不易測定。

方案四:在自由落體運動中,Δh=gT?2,若Δh、T能測定,則重力加速度g可測定。分析 操作雖然簡單,但是有摩擦和空氣阻力的影響,誤差也較大。

方案五:單擺做簡諧振動時,其周期為T=2πLg,若T,L可測,則重力加速度g便可測定。

分析 操作簡便、較精確。

方案六:假設一物體在地球表面附近繞地球做圓周運動,由mg=GMmR?2,得g=GMR?2。

分析 只是一個理想實驗,只可以用于估算。設計意圖 調動學生積極性,尊重學生自己的判斷和意見,引導學生探索解決問題的途徑。將學生設計的方案展示給本班同學,以引發同學們積極思考,并培養表達交流能力。

7.3 進行實驗并收集數據

實驗方案選定之后,考慮該方案需要哪些儀器。被測量與哪些物理量有直接的定量關系,這些物理量分別需要什么儀器來測定,從而確定整個實驗需要哪些器材。需要的器材:鐵架臺、細線和擺球等(用來組裝單擺)。秒表、米尺、游標卡尺(分別測n次全振動的時間t,擺線長度L和擺球直徑d)。測量式:g=4π?2n?2(L+d2)t?2。

設計意圖 鼓勵學生進一步思考,從精確性原則選擇測量儀器。巡視和指導,對學生發問: ①組裝單擺要注意什么? ②為什么先組裝單擺,再量擺長? ③擺長怎么測? ④單擺的運動有什么要求? ⑤計時要注意哪些問題? ⑥秒表的使用要注意哪些問題? 學生動手做實驗: ①做單擺:取約1米長的線繩穿過帶孔的小鋼球,并打一個比小孔大一些的結,然后拴在桌邊的支架上。

②用米尺量出擺線長L,準確到毫米,用游標卡尺測擺球直徑d。

③把單擺從平衡位置拉開一個角度(θ<10°)放開它,使之在同一豎直平面內做簡諧運動,用秒表測量單擺完成n次(30～50次)全振動所用的時間t。④把測得的物理量的數值代入測量式,求出重力加速度g的值。⑤變更擺長,重復做幾次實驗,最后求出重力加速度g的平均值。設計意圖 要求學生操作規范、精確。7.4 實驗數據處理分析 引導學生分析處理實驗數據的方法有哪些,這個實驗可以用哪些方法處理?怎么處理?哪種方法好些? 學生小組分任務動手處理。①平均值法。

②圖象法。摘要:本文從引起動生電動勢的非靜電力開始,通過做功分析磁場中能量轉換和安培力與洛倫茲力的關系。

關鍵詞:動生電動勢;能量;洛倫茲力;做功;霍爾電場

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)1(S)-0076-3 在高中物理《磁場》和《電磁感應》兩章的學習中,我們常常會遇到這樣的問題:磁場對運動電荷有洛倫茲力的作用,但洛倫茲力不做功,那么動生電動勢中能量是如何轉換的呢?安培力是洛倫茲力的宏觀表現形式,為什么安培力在磁場中可以做功而洛倫茲力不做功呢?洛倫茲力和安培力會引起能量的轉換嗎?如果能,是如何進行能量的轉換呢?筆者針對上述問題進行問答分析。1 引起動生電動勢的非靜電力是什么? 電動勢是把單位正電荷從電源負極經內部移到正極非靜電力所做的功,即:ε=W非q,通過非靜電力做功把其它形式的能轉化為電能。導體棒在磁場中做切割磁感線運動產生的感應電動勢即動生電動勢,《教材》中由法拉第電磁感應定律得出其大小為:ε=BLV。但動生電動勢是如何產生的呢?下面我們來分析一下。如圖1,導體棒在磁場中以速度V做切割磁感線運動,帶動導體棒中正負電荷以相同速度向右運動,由左手定則知:正電荷受到向上的洛倫茲力,負電荷受到向下的洛倫茲力,從而正負電荷發生重新分布,使導體棒上端由于堆積了正電荷電勢升高,下端由于堆積了負電荷電勢降低,導體棒上下兩端產生了電勢差,儲存了電能,相當于電源,如圖2所示。

洛倫茲力是引起電動勢的非靜電力,那么,它做功了嗎?如圖3所示,導體棒MN以速度V勻速向右運動,電子將在洛倫茲力作用下沿導體棒加速運動向外部電路供電,電路中形成電流,設某時刻電子相對于導體棒的運動速度為u,則電子運動的合速度為V合=V?2+u?2,與導體棒成θ角;由左手定則知:電子所受洛倫茲力F=eBV合與速度V合垂直,F可以分解為水平向左的力F1和沿導體棒向下的力F2。而F2=Fsinθ=eBV合sinθ=eBV為恒力,故其把單位電荷從M端移動到N端做功為:W=F2Le=eBVLe=BLV,與由法拉第電磁感應定律推導出的表達式一致,所以引起動生電動勢的非靜電力是洛倫茲力沿導體棒的分力,并且該力移動電荷做功把其它形式的能轉化為電能向電路供電。產生動生電動勢的過程中,能量是如何轉換的呢?洛侖茲力做功了嗎? 在產生電動勢ε=BLV的過程中,移動電荷靠的是洛倫茲力的分力(非靜電力F2),而洛倫茲力不做功,其能量是如何轉換的呢? 如圖3所示,洛倫茲力F始終與V合垂直,沿左下方,對電荷不做功。但在電荷移動的過程中, F水平向左的分力F1與導體棒垂直,對電荷做負功,消耗其它能量(動能);F沿導體棒向下的分力F2充當非靜電力對電荷做正功,將其它形式的能(導體棒的動能)轉化為電能。可作如下定量計算: 對任意時刻,外力克服F1做功的功率: P1=F1V=FVcosθ=FV合sinθcosθ 非靜電力F2移動電荷做功的功率

P2=F2u=FsinθV合cosθ=FV合sinθcosθ

可見外力克服F1做功的功率等于非靜電力F2為電路提供非靜電能的功率,該非靜電能通過F2對電荷做功全部轉化為電能。其能量的轉換是:洛倫茲力的分量F1對導體做負功,消耗導體棒的動能,通過分量F2對電荷做正功,轉化為電能;而洛倫茲力合力做功為零。安培力是洛倫茲力簡單的疊加嗎?安培力和洛倫茲力引起的能量轉化相同嗎? 《教材》(人教版P178)中提到:安培力可以看作是作用在每個運動電荷上的洛倫茲力的合力。那么,安培力是洛倫茲力的簡單疊加嗎? 如圖4所示,設導體棒中通有由B到A的電流I,處于勻強磁場B中,導體中自由移動的載流子是電子,電子由A向B運動,受到向左的洛倫茲力而堆積在CD面上,導體的EF面因電子流失而形成正電荷層,導體內部形成一個感生電場--霍爾電場,電子的運動還將要受到該電場力的作用,當電場力與洛倫茲力相等時達到平衡(一瞬間即達到平衡),即F電=f洛,此時電子不再發生側向移動,而是處于一種穩定的定向移動狀態。此時,導體中的正電荷受到霍爾電場的作用力,其合力宏觀上就表現為安培力(安培力是作用在導體上而不是作用在電子上,導體的質量主要是由帶正電荷的原子核決定而不是由電子決定),每個自由電子所受到的洛倫茲力和它的霍爾電場的電場力大小相等方向相反,處于平衡狀態;由于每段導體中的正電荷數與自由電子數相等,所以安培力與自由電子所受洛倫茲力的總和相同,但洛倫茲力是作用在自由電子上而安培力是作用在導體上,安培力本質上并不是洛倫茲力的疊加。

當圖4中導體棒在安培力作用下向左移動時,安培力做正功,使得導體棒獲得向左的速度V,該速度使得自由電子受到的洛倫茲力為F2,阻礙自由電子在回路中移動(即產生一個反電動勢),如圖5所示。設導體棒長度為L,橫截面積為s,單位體積的自由電子數為n,電子的自由移動速度為u,在時間Δt內,棒向左移動的距離為VΔt,則安培力做功為W=BILVΔt。把電流的微觀解釋I=nesu代入可得: W=BnesuLVΔt 而洛倫茲力的分力F2對導體棒內自由電荷做的總功為 W2=-eVB×uΔt×nsL=-BnesuLVΔt 所以安培力做的功,實質上用來克服了自由電子的洛倫茲力的分力做功。其能量轉化關系為: 所以,安培力由洛倫茲力引起但不是自由電子所受洛倫茲力的宏觀表現(教材上這樣講是便于高中學生的理解),而是霍爾電場中正電荷的電場力的宏觀表現,它在數值上和方向上都與自由電子所受到的洛倫茲力的總和相同。綜上所述,可以得出如下結論:(1)洛倫茲力與運動電荷速度方向垂直,不做功,但洛倫茲力的分量可以做功。(2)安培力不是洛倫茲力簡單的疊加;克服安培力做的功本質上是洛倫茲力的分量對運動電荷所做的負功。

(3)動生電動勢的產生機理是運動電荷在磁場中受到洛倫茲力作用而發生的電荷移動,是由洛倫茲力提供非靜電力而引起的能量轉換,洛倫茲力的分力做功體現了安培力做功。參考文獻: [1]全日制普通高級中學教科書(必修)《物理》第二冊[M].北京:人民教育出版社,2006.[2]梁燦彬, 秦光戎, 梁竹鍵.電磁學[M].北京:高等教育出版社,2004.[3]趙凱華, 陳熙謀.電磁學[M].北京:高等教育出版社,2003.設計意圖 鼓勵學生進一步思考,想想結果處理可不可以另辟蹊徑。7.5 學生自我評價收獲

讓學生進行自我評價,這節課學到了什么?最大的收獲是什么?學生表述后,讓其他同學評議,并要求每個學生課后以書面形式反饋給老師,由老師給予合理的評價。

設計意圖 這節課的評價,實現評價主體的多元化,而且注意實施發展性評價。教師既要關注學習結果,也要關注學生的學習過程。7.6 課后思考

若實驗器材中給出的不是均勻擺球,是一塊形狀不規則的石塊,或擺長很長,導致擺長無法測量,能測出重力加速度嗎?讓學生課后討論。設計意圖 拓展學生的思維能力。8 教學反思

(1)物理實驗教學中有“四個注重”:一是注重理論知識的靈活應用,二是注重物理模型的合理構建,三是注重實驗過程的因子控制,四是注重實驗數據的科學處理。課堂教學以學生為本,把實施過程具體化、步驟化,只有體驗這個過程,才能不斷提高學生的能力。

(2)在教學過程中,學生充分發揮主觀能動性,探究出了許多可行且值得推廣的方案,學生也從中享受到了學習的快樂

(責任編輯：背包走天下)