新高考下動量守恒定律在“電磁感應”中的應用

徐天賜

摘要：對于能量守恒定律來說，在自然界中是一種非常普遍的規律，在電磁感應現象中，一些形式的能可以通過磁場的反應，進行轉化成為電能，這些形式能在轉化的過程中，也同樣要遵循能量守恒定律。所以采用能量守恒定律，能夠有效解決電磁感應中一些問題。基于新高考背景下，本文將深入研究動量守恒定律在“電磁感應”中的應用，以此來有效達到提高學生綜合分析問題以及處理問題的能力。

關鍵詞：新高考;動量守恒定律;電磁感應;應用

中圖分類號：A 文獻標識碼：A 文章編號：（2022）-5-

在高中新課程改革之前，“電磁感應”一直都是高考物理的重點教學內容，這部分內容具有較強的綜合性，尤其是在考察學生能力方面，高考命題專家一直都將該部分內容納入到命題庫中。基于新課程改革之后，動量守恒定律被納入到了高中物理教材中，在新高考“電磁感應”試題中，也逐漸出現了考察動量守恒定律的內容，試題綜合性得到了明顯的減弱，試題難度也有了比較顯著的下降。特別是在2017年教育部考試中心進行高考命題時，高中物理（選修3-5）本教材中只有一個二級考點，考察的內容為動量定理與動量守恒定律，由此我們可以看出，動量守恒定律在高中物理教學中的重要性。

一、應用動量守恒定律，解決雙桿問題

在全國卷考試說明中，明確指出了電磁感應試題中，將不涉及到反電動勢問題，但是在實際的電磁感應中，確實出現了兩個電動勢的問題。比如：由于磁場的運動帶動了桿運動、磁場的不斷變化過程中使導體發生了運動等，這種情況都將會涉及到兩個電動勢，從表面上來看則涉及到了反動勢。在解決這一類題目時，可以采用磁通量的變化或者是相對速度，來進行回避兩個電動勢加減方面的問題。除此之外，電磁場中所包含的雙桿運動問題，我們還可以采用動量守恒定律來進行有效解決。

例1：如下圖1所示，ab與cd兩條豎直的線，表示的是長直光滑金屬導軌，其MN與M’N’表示的兩條橫線，表示的是兩根用細線連接的金屬桿，其所包含的質量分別是m與2m。在豎直向上外力的作用下，將外力F應用到MN桿上，最終讓兩個桿處于水平靜止的狀態，并要與導軌剛好接觸;對于兩個桿的總電阻，我們可以即作R，圖中l表示的為導軌間距。同時，整個裝置處于磁感B的勻強磁場中，磁場所產生的方向與導軌所在的平面，形成一種垂直狀態。導軌電阻可選擇忽略不計，重力進行加速時，所產生的速度即作g，當t=0時刻，要把細線燒掉，并保持外力F不動，金屬桿和導軌兩者之間，要始終做到接觸良好。求：

（1）細線燒掉之后，求任意時刻的兩桿運動速度之比。

（2）兩桿分別達到最大速度是多少。

解析：（1）若兩桿處于靜止狀下，合力為0，那么F=3mg。細線燒掉之后，一個桿向下進行運動，兩一個桿則向上運動，電路在這個過程中，產生了相應的感應電流，最終使得兩桿在安培力的作用下，組成了系統動量守恒，那么則有：0=mv1-2mv2，v1：v2=2：1

（2）當兩桿勻速運動狀態下，所產生的速度最大，那么則有：

MN的平衡方程為：

兩個公式進行聯立求得：

二、應用動量守恒定律，解決線圈問題

對于線圈模型來說，在高中物理學中是一種比較常見的模型，當線圈進入和離開磁場時，對于切割的磁感線來說，則會產生感應電動勢，然后線圈本身就會組成閉合回路，最終在形成電流，同時電流也會形成安培力。在電磁感應中應用動量守恒定律，可以更加準確的計算出線圈運動的時間、速度以及動能。

例2：如下圖2所示，a、b表示的是兩個勻強磁場區域，這兩個區域的邊界范圍、磁場感應輕度的大小與方向都是一樣的。其中a的下端距離水平地面的位置，要高于b的高度。甲和乙表示的是兩個完全一樣的閉合正方形導線框，并位于a、b的正上方。兩個線框同時處于靜止的狀態的下進行釋放電能，并穿過磁場后落到地面，在整個下落的過程中，線框平面與磁場方向之間，始終保持垂直狀態，試求甲與乙兩線框落地時間。

圖1 圖2

解析：設邊框的長度為L，電阻為R，線框與地面的高度為h，其質量為m，t為線框的落地實踐，v是落地的速度。線框在重力的影響下，在穿入與傳出磁場的過程中，受到了向上的安培力，取向下為正方向，那么所得出的動量定理有：

由閉合電路歐姆定律有：

由法拉第電磁感應定律有：

其中：=2Bl2

由（1）-（4）式可以得出：

若乙進入到磁場時，所產生的速度比較大，同時安培力也比較大，那么在克服安培力時，做功也是比較多的，乙線框中所產生的熱量也會比較多。由此動能定理為：

由（1）-（6）式可以得出t甲>t乙，所以乙線框先落地。

結語：

總上所述，基于新高考下，將動量守恒定律應用于電磁感應的過程中，學生的每一種解法都能夠清晰地體現出學生對物理規律的理解程度，而并不是簡單的進行模仿。為此，高中物理教師在開展教學活動時，應當引導與鼓勵學生做到一題多解，不斷去提高學生綜合分析能力與知識遷移能力，進而讓高中物理教學變得更加有效性。

參考文獻

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