培養高中物理學科核心素養 用科學思維解決問題
——以分析安培力做功與焦耳熱的關系為例

王 靜 王希春

(吉林省吉林市吉化第一高級中學校 132022)

新一輪高考改革正在進行，高中物理學科教學的終極目標就是落實核心素養，而科學思維正是核心素養中的重要組成部分，如何在習題中落實核心素養是我們要研究的重要課題，本文將通過電磁感應專題落實科學素養中的科學思維.

一、科學推理

例1安培力做功及對應的能量轉化關系

圖1

(1)如圖1甲所示，回路通電后導體棒中存在電流，受到安培力的方向向右.安培力做正功，電能轉化為導體棒的機械能，做了多少功就有多少能量參與轉化.

(2)如圖1乙所示，導體棒因向右運動而產生感應電流，受到安培力的方向向左.導體棒克服安培力做功，機械能轉化為回路的電能，同樣做了多少功就有多少能量參與轉化.

二、質疑創新

通過以上推理，很輕易就能得出，安培力做功是電能和其他形式的能之間相互轉化的橋梁：安培力的正負功對應能量轉化的方向，安培力做功的大小對應能量轉化數值.這個規律似乎很適合當前的習題，但確實是這樣嗎？

例2(2017·江蘇卷)(15分)如圖2所示，兩條相距d的平行金屬導軌位于同一水平面內，其右端接一阻值為R的電阻．質量為m的金屬桿靜置在導軌上，其左側的矩形勻強磁場區域MNPQ的磁感應強度大小為B、方向豎直向下．當該磁場區域以速度v0勻速地向右掃過金屬桿后，金屬桿的速度變為v．導軌和金屬桿的電阻不計，導軌光滑且足夠長，桿在運動過程中始終與導軌垂直且兩端與導軌保持良好接觸．求：

圖2

(1)MN剛掃過金屬桿時，桿中感應電流的大小I；

(2)MN剛掃過金屬桿時，桿的加速度大小a；

(3)PQ剛要離開金屬桿時，感應電流的功率P．

(3)金屬桿切割磁感線的速度v′=v0-v

感應電動勢E=Bd(v0-v)

三、科學論證

通過例2習題，安培力做正功時，其他形式的能也可以轉化成電能，單純的從安培力做正負功的角度去判斷能量轉化，并不科學.

再試試自己添加一步(4)PQ剛要離開金屬桿時，金屬桿所受安培力的功率P1．

很明顯，感應電流的功率和安培力的功率在大小上也是不一樣的，還有在電路中有電源的，感應電流產生的焦耳熱和安培力的功也是不相等的，這充分的說明了，安培力做的正功與感應電流的功率并沒有什么關系.例3習題也能充分的說明電磁驅動類習題安培力做正功的時候，其他形式的能也可以轉化成電能.

圖3

例3如圖3所示，圓形金屬環豎直固定穿套在光滑水平導軌上，條形磁鐵沿導軌以初速度v0向圓環運動，其軸線在圓環圓心，并與環面垂直，則磁鐵在穿過環過程中，是否有感應電流產生？

四、模型建構

在電磁感應習題中，有一類雙桿習題非常常見，此類習題一根金屬桿所受的安培力做負功，另一根金屬桿所受的安培力做正功，兩個安培力做功的和為負功，這和一對相互作用的摩擦力所做的功極其相似，有人把電磁感應中的雙桿模型稱為電磁摩擦力，非常恰當.

圖4

解析(1)從開始到兩棒達到相同速度v的過程中，兩棒的總動量守恒，有mv0=2mv

例5如圖5所示，滑塊A(足夠長)放在光滑水平面上，滑塊B疊放在A的左端，AB的質量均為m，二者之間有摩擦，給B一個向右的初速度v0，在運動過程中，AB之間由于摩擦力產生的熱是多少？

圖5

例4中第一問的參考答案是用動量能量求解的，這份答案完全適合例5，如果從做功的角度看問題，其內部關系也極其相似：在例4中，由于回路各處電流相同，故兩根金屬桿所受安培力大小相同，方向相反，記作F安，cd棒的位移記作xcd，ab棒的位移記作xab，則：

在例5中，摩擦力為二者之間的一對相互作用力，等大反向共線，記作Ff，滑塊A的位移為xA，滑塊B的位移為xB，則：

由此可見，當兩根金屬棒所受安培力等大反向，對整個回路來說合力為零，一對相互作用的摩擦力也是等大反向，對整體來說合力均為零，兩類習題均可應用動量守恒，進而無論從能量還是功兩個角度看問題，兩類題型極為相似，可視為同一模型，還有子彈打木塊模型(如圖6)等等.

一節好的習題課應該能從不同的角度滲透物理核心素養，通過安培力做負功產生焦耳熱這種常見題型，引起學生的質疑，從而通過科學論證得出安培力做功的正負并不能決定能量轉化方向及大小.建模能力是高中學生的一種必備的能力，幫助學生建立物理模型，使學生能夠具備自己解決問題的能力，電磁感應中雙桿問題雖然和板塊模型不是完全相同，但由于規律極其相像，可以把雙桿模型，板塊模型，子彈打木塊模型等歸成一類，這樣有利于學生對新知識的理解，通過模型的拓展可以培養學生建模遷移能力.整個專題完全落實了物理核心素養中的科學思維.