高中物理電磁學中導體棒模型解析

周健

摘要：高中物理課是高中階段學生的一門必修課，對學生的高考和未來的工作與生活有著一定的影響，這就要求廣大教師一定要最大限度地提高物理教學的教育質量。但是，由于物理課程電磁學中講授的導體棒模型比較抽象也比較晦澀難懂，這就給物理課程的學習帶來了困難，同時也造成了學生物理學習能力很難得到提升等問題，在一定程度上影響了物理教學的效果。那么怎樣才能從根本上改變這些現象，提高學生的物理成績呢？本文通過以下幾個方面進行了總結和分析。

關鍵詞：電磁學;導體棒模型;問題對策

中圖分類號：G633.7 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1992-7711（2019）12-0116

高中物理學科具有自然特性，合理的教學方法和教學策略是影響高中物理課程教學能否取得有效發展的關鍵性因素。就目前高中物理學科的實際情況而言，由于目前很多學校的高中物理教學依然采用舊的教學模式，造成物理教學效率低下，這樣的教學已經無法滿足學生的需求。這就要求物理教師必須不斷探索和實踐，不斷改變自己的觀念和思維方式，通過對自己的觀念和思維方式的調整，探索出一套有效的學習策略，促進中學物理教育教學工作的發展。

一、高中物理教學存在的主要問題

1. 學生的物理學習中缺少“眼見為實”

高中學生年齡和心理還處于成長的初期，因此在學習過程中，對抽象的物理知識缺乏直觀的感受，以至于在學習過程中對物理知識難以理解甚至是曲解其意。其次，部分學生依然采用死記硬背的學習方法，嚴重阻礙了學生思維能力的發展，也使教師難以達成教學目標。

2. 學生在解決物理問題時容易“化實為虛”

高中學生雖然在一定程度上已經掌握了基本的物理常識，但由于對這些知識的理解不夠深入和透徹，因此在應用過程中經常無從下手，更談不上將知識應用于生活實際中去解決實際問題。因此，當前物理教學并沒有提高學生解決實際問題的能力。

二、導體棒模型的概述及特點

作為高中物理電磁學中的經典模型——導體棒模型，其不僅涉及到力學，同時還涉及到了動力學、能量學、電路、電磁感應等諸多方面的知識，導體棒模型的特點是過程較為復雜，變式多樣，同時也是高考考查的重要內容。通過導體棒模型的解析，不僅考查了學生的力學知識，又考查了學生的電學知識，反映了學生的物理綜合應用能力。因此，導體棒模型的解析是力學與電磁學的綜合應用。而常見的電磁棒模型主要分為：電動機模型和發電機模型兩大類。

三、高中物理電磁學中導體棒模型的應用概述

1. 通電導體棒模型

通電類型導體棒模型，通常又可以分為：平衡類和運動類。對于通電導體棒的平衡問題，可以利用物體的平衡原理進行相應的解答，而對于導體棒的運動性問題，則需要結合牛頓運動定理、能量觀點等知識進行綜合性的分析，從而做出正確的解答。

例如，在某個水平面上有一個不計電阻的U形導軌NMPQ，導軌的寬度為L、同時在M和P之間引入一個電動勢E的不計內阻性的電源。然后，相對于導軌的垂直位置放入一根質量為m，電阻為R的金屬棒ab，并向其施加一個較大范圍的勻強磁場，設磁感應強度為B，其方向與水平面的夾角為θ同時指向斜右上方。

問：當ab棒處于靜止狀態時，求ab棒的支持力（FN）和摩擦力（Ff）的大小。

解析：以棒ab為研究對象，根據平衡條件得：

水平方向： Ff=F安sinθ （1）

豎直方向：FN+F安cosθ=mg （2）

又F安=BIL=[BIER] （3）

聯立（1）（2）（3）得FN=mg=[BIEcosθR];Ff=[BIEsinθR]。

2.棒生電模型

電磁感應的經典模型——棒生電模型，也是高中物理的重要內容之一，其產生電流的方式通常可分為平動切割和轉動切割兩種方式，在解決這一模型的問題時，應該把握“從靜態到動態、動態到終態”的基本原則進行分析。不難看出，電磁感應現象的實質是不同形式的能量轉化過程。因此，我們可以站在能量的觀點進行分析，通過對能量轉化的把握，解決電磁感應的問題。

例如，有兩個不計電阻，同時足夠長且光滑的平行金屬導軌，設導軌與水平面夾角為θ，導軌的間距為l，并將其處于正方形abcd的平面內，同時施加有界的勻強磁場，這時磁感應的強度為B，其方向垂直于斜面向上。如果將A、B兩根阻值（R）與質量（m）均相同的金屬桿放在導軌上，將A金屬桿放在勻強磁場的上邊界，設A、B兩棒之間的距離為l。這時由靜止狀態釋放A、B兩金屬桿，同時在A金屬桿上施加一個沿著導軌的外力，如果金屬桿A始終沿導軌向下做勻加速的直線運動，且加速度的大小為g=sinθ，而B金屬桿剛則以勻速運動進入磁場時。

問：從開始釋放到B金屬桿到其離開磁場，B金屬桿中所產生熱量為Q，請試求這一過程中外力F對A金屬棒所做的功。

解析：B金屬棒在進入磁場前，由于做勻加速運動，所以A、B兩根金屬棒產生相同的熱量，設為Q1;這一過程中A金屬棒一直在磁場中，外力F始終等于安培力，則有WF=W安=2Q1;B金屬棒在磁場中產生的運動熱量就為Q2=Q-Q1;根據動能的守恒定理則有mglsinθ-2Q2=0;得：WF=2Q-mglsinθ。

總之，導體棒模型是高中階段物理教學的一個重要內容，所以教師一定要注重電磁感應教學方法的創新與探索。這需要廣大教師積極主動創新和改進自己的實驗教學方法，進而促進高中階段物理教學效果的提高。

參考文獻：

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[2] 蘇廣忠.物理實驗教學創新思路之我見[J].中國新技術新產品，2011（9）.

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（作者單位：安徽省鳳陽中學 ? 233100）