“电动机”模型

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  高中物理课程是自然科学领域的一门基础课程,旨在落实“立德树人”根本任务,进一步提升学生的物理核心素养,为学生终身发展服务。物理学科的核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度与责任”等四个方面的要素构成,目前的教学设计受传统教学影响,对培养学生“主动发展”意识落实不足,对物理学思维方法、学生潜能培养略感重视不足。本人在基于核心素养下的课堂教学进行了一些探索 ,下面以电磁感应现象典型模型“电动机”的教学为例,探讨高中物理课堂教学对“核心素养”指标的落实。
  一、建立切割模型,回顾核心概念
  【教学过程】
  回顾核心概念:怎样理解切割模型中的电动势?法拉弟电磁感应定律的内容?
  建立切割模型:如图1所示,足够长平行光滑金属导轨水平放置,宽度L,一端连接电阻R,导轨所在空间存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B,电阻为r的导体棒ab放在导轨上,其长度恰好等于导轨间距,与导轨接触良好,导轨电阻忽略不计。导体棒沿导轨向右匀速运动,速度大小为v。
  【设计理念】
  电动势概念及物理意义、闭合电路欧姆定律、法拉弟电磁感应定律等。概念和规律在头脑中的提炼升华,是培养“物理观念”的基本要求,也是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。知识回顾让核心概念的理解更为清晰、承上启下;从“单棒匀速切割”入手进行模型建构,易于思考。
  二、创设问题情境,培养科学思维
  【教学过程】针对图1所示“单棒切割”模型,创设新问题——用电源E替换电阻R,如图2所示
  足够长平行光滑金属导轨水平放置,宽度L,左端接有电源E、内阻为r,导轨所在空间存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B,电阻为R的金属棒ab放在导轨上,其长度恰好等于导轨间距,与导轨接触良好,导轨电阻忽略不计。
  1、创设情境1:金属棒静止
  思维训练1:从受力角度思考,使金属棒ab静止的原因?
  回路中存在顺时针电流,导体棒ab在水平方向受向右的安培力F安作用,可以提供给金属棒一个向左的恒力F的作用,且F安=F。
  思维训练2:从电学角度思考,谁是电源?等效电路?你能解决哪些问题?举例如下
  2、创设情境2:直流电动机模型
  直流电动机工作原理可以简化为图4所示情景。在竖直向下的磁感应强度为B匀强磁场中,两根光滑平行金属轨道MN、PQ固定在水平面内,相距为L,电阻不计。轨道端点MP间接有直流电源E(内阻不计),电阻为R的金属导体棒ab垂直于MN、PQ放在轨道上,与轨道接触良好,通过滑轮以速度v(v平行于MN)向右做匀速运动,从而提升用绳悬挂的重物。电路中电流为I,重力加速度为g,不计空气阻力,不计绳的质量和绳与滑轮之间摩擦。
  思维训练1:从受力角度思考,使金属棒ab向右匀速运动的原因?
  金属棒受水平向右的安培力、水平向左的拉力作用,合力为零。
  思维训练2:从电学角度思考,与情境1中的电路一样吗?有何不同……
  (1)电动势——当金属棒向右运动时,由于切割磁感线产生一个感应电动势,大小为,此時这个回路的电源电动势等效为E-,且。
  总之,学生是课堂的主体、学习的主人,用问题激发学习兴趣,能更充分、更全面地调动学生的积极性,对学生的终身发展有着极其重要的作用——物理核心素养的思维能力培养显得尤为重要,在高中物理教学中培养学生的物理核心素养,任重而道远。
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