《動(dòng)生現(xiàn)象分析》教案教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)：1.從“運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念”出發(fā)認(rèn)識(shí)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。2.了解動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生與洛倫茲力的關(guān)系。3.從兩個(gè)角度了解轉(zhuǎn)動(dòng)切割時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)大小。教學(xué)重點(diǎn)：1.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)正負(fù)極的確定。2.導(dǎo)體棒所受安培力方向的判定。教學(xué)難點(diǎn)：1.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)正負(fù)極的確定。2.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生與洛倫茲力的關(guān)系。3.從動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的角度認(rèn)識(shí)導(dǎo)體棒轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小。教學(xué)過(guò)程(表格描述)教學(xué)環(huán)節(jié)主要教學(xué)活動(dòng)設(shè)置意圖引入通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道：只要穿過(guò)閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體回路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生。且根據(jù)磁通量的表達(dá)式?=BS⊥，我們可以判定，通常情況下引起磁通量?改變的途徑有兩種，一種是外加磁場(chǎng)B改變，一種是由于部分導(dǎo)體切割磁感線而引起閉合導(dǎo)體回路的有效面積發(fā)生改變。我們把由于外加磁場(chǎng)改變而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為感生電動(dòng)勢(shì)；而由于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。高中階段，外加磁場(chǎng)B本節(jié)課我們來(lái)深入分析常見(jiàn)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的相關(guān)問(wèn)題。溫故知新新課教學(xué)導(dǎo)體棒直線切割問(wèn)題分析如圖6-1所示，閉合導(dǎo)體線框MNPQ處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度是B，其中一部分導(dǎo)體ab長(zhǎng)L，正在以速度v勻速切割磁感線，試分析下列問(wèn)題：圖6-1圖6-1回路中哪一段導(dǎo)體相當(dāng)于電源？答：切割磁感線的那部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源，即MN棒。一般可用電池符號(hào)畫(huà)出這個(gè)裝置的等效電路圖。該電源產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向如何？M、N哪一點(diǎn)電勢(shì)高？答：利用楞次定律或安培右手（切割）定則可知，電流方向N→M。注意，電源內(nèi)部的電流總是從負(fù)極流向正極，所以M點(diǎn)電勢(shì)高于N點(diǎn)，即M點(diǎn)相當(dāng)于電源的正極。試畫(huà)出圖6-1對(duì)應(yīng)的等效電路。答：等效電路如圖6-2所示。圖6-圖6-2試推導(dǎo)該回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大??？答：利用法拉第電磁感磁感應(yīng)定律可知：導(dǎo)體棒向右勻速運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間內(nèi)，回路有效面積的增加量為?S=L?v??t,所以回路磁通量的增加量為?若軌道寬度仍未L，導(dǎo)體棒MN按下列方式運(yùn)動(dòng)，如圖6-3甲、乙，回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小如何表示？甲乙圖6-3答：利用法拉第電磁感應(yīng)定律，讓分別記錄導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)一小段時(shí)間?t甲乙圖6-4圖甲對(duì)應(yīng)的磁通量的增量為：?則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為：E圖乙對(duì)應(yīng)的磁通量增量為：?則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為：E令

v可見(jiàn)，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的公式可簡(jiǎn)寫(xiě)為：

E綜上分析可見(jiàn)，在導(dǎo)體棒垂直磁場(chǎng)放置的前提下，動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)大小等于外加磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度與導(dǎo)體棒的有效切割長(zhǎng)度、導(dǎo)體棒垂直切割磁感線的有效切割速度三者的乘積，可寫(xiě)成上述表達(dá)式。研究表明，無(wú)論切割磁感線的導(dǎo)體棒形狀如何，都可等效為如圖6-5中丁圖的形式。甲乙丙丁圖6-5上述幾種情況下，導(dǎo)體棒MN所受安培力方向如何？答：利用楞次定律可判知，三種情況下回路中感應(yīng)電流方向均為逆時(shí)針，利用左手定則可知，導(dǎo)體棒MN所受安培力方向都是與導(dǎo)體棒垂直，且與導(dǎo)體棒有效切割速度方向相反。如圖6-6所示。甲乙圖6-6例1.如圖6-7所示，水平面上有兩根相距0.5m的足夠長(zhǎng)的平行金屬導(dǎo)軌MN和PQ，它們的電阻不計(jì)，在M和P之間接有R=3.0Ω的定值電阻，質(zhì)量m＝0.01kg導(dǎo)體棒長(zhǎng)ab=0.5m，其電阻為r=1.0Ω，與導(dǎo)軌接觸良好。整個(gè)裝置處于方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，B=0.4T。使ab在恒定外力F作用下從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)體棒以v=10m／s的速度向右做勻速運(yùn)動(dòng)。試分析以下問(wèn)題：圖6-圖6-7（1）閉合導(dǎo)體回路中，哪一段導(dǎo)體相當(dāng)于電源？其正負(fù)極分別是哪一端？（2）穩(wěn)定后閉合導(dǎo)體回路中的電流多少?（3）穩(wěn)定后ab兩點(diǎn)間的電壓多少?（4）穩(wěn)定后維持ab做勻速運(yùn)動(dòng)的外力多少?（5）穩(wěn)定后外力做功的功率是多少？（6）穩(wěn)定后ab向右運(yùn)動(dòng)1m的過(guò)程中,外力做的功是多少?（7）穩(wěn)定后回路中產(chǎn)生的熱量Q1是多少?（8）試分析說(shuō)明導(dǎo)體棒從靜止到達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)之前的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？（9）撤去外力后，回路中還能產(chǎn)生多少焦耳熱Q2？分析與解答：（1）閉合導(dǎo)體回路中，ab段導(dǎo)體相當(dāng)于電源，a端為正極，b端為負(fù)極。（2）回路的等效電路如圖6-8所示：圖6-圖6-8E感=由閉合電路歐姆定律得：I=E（3）由圖6-8可知，導(dǎo)體棒ab兩端電壓即路端電壓U由歐姆定律：U=IR=0.5×3（4）∵ab做勻速運(yùn)動(dòng)∴F=F安F解得：F（5）外力做功的功率：P解得：P（6）ab向右運(yùn)動(dòng)1m的過(guò)程中，外力做的功：W解得：W回路中產(chǎn)生的熱量：Q其中：t代入數(shù)據(jù)解得：Q（8）由牛頓第二定律：導(dǎo)體棒從靜止到達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)之前滿足F由電磁感應(yīng)規(guī)律：EIF三式聯(lián)立可得：F由此可見(jiàn)，隨著速度v的不斷增加，安培力不斷增加，外力F是恒力，所以導(dǎo)體棒ab將做加速度減小的變加速運(yùn)動(dòng)，直到a=0時(shí)，導(dǎo)體棒速度達(dá)到最大。（9）撤去外力后，導(dǎo)體棒ab只在安培力的作用下減速至靜止。在此過(guò)程中感應(yīng)電流逐漸減小，不能直接計(jì)算焦耳熱，可以用能量的轉(zhuǎn)化與守恒的觀點(diǎn)來(lái)分析。撤去外力后，導(dǎo)體棒ab在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中克服安培力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)電阻（R+r）產(chǎn)生焦耳熱的形式消耗。利用動(dòng)能定理：所以，回路中還能產(chǎn)生的焦耳熱Q2＝＝0.5J。二、動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)與洛倫茲力的關(guān)系下面我們從微觀上思考下面的問(wèn)題。為了研究方便，我們假定導(dǎo)體回路中自由移動(dòng)的電荷帶正電：（1）試畫(huà)出圖6-1情景中導(dǎo)體棒內(nèi)自由電荷相對(duì)于屏幕運(yùn)動(dòng)的大致方向？答：自由電荷朝右上方做勻速直線運(yùn)動(dòng)，如圖6-9所示。圖6-圖6-9（2）上述回路中正電荷定向移動(dòng)過(guò)程中所受洛倫茲力的方向？答：利用左手定則可知：自由電荷所受洛倫茲力方向在屏幕內(nèi)朝左上方，且與合速度方向垂直。若只有導(dǎo)體棒MN在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速向右運(yùn)動(dòng)切割磁感線，則導(dǎo)體棒中每一個(gè)自由電荷隨棒向右勻速運(yùn)動(dòng)的速度也為v，因此，每個(gè)自由電荷所受洛倫茲力可寫(xiě)為：f=Bqv，圖6-圖6-10在洛倫茲力的作用下，自由電荷沿導(dǎo)體棒向上運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)體棒上端M出現(xiàn)過(guò)剩的正電荷，下端N出現(xiàn)過(guò)剩的負(fù)電荷。結(jié)果是導(dǎo)體棒上端M電勢(shì)高于下端N的電勢(shì)，形成從M指向N的靜電場(chǎng)，此電場(chǎng)對(duì)自由電荷的靜電力方向如圖6-11所示，沿導(dǎo)體棒向下，與洛倫茲力方向相反。圖6-圖6-11隨著導(dǎo)體兩端正負(fù)電荷的不斷積累，靜電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，電場(chǎng)力不斷增大，當(dāng)作用在自由電荷上的靜電力與洛倫茲力平衡時(shí)，MN兩端出現(xiàn)穩(wěn)定的電勢(shì)差，即：f=圖6-圖6-12電荷的定向移動(dòng)使MN兩端積累的電荷減少，由于外力作用下導(dǎo)體棒一直在向右勻速運(yùn)動(dòng)，所以洛倫茲力會(huì)不斷使自由電荷從N端移向M端，從而在MN兩端維持一個(gè)穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)?？梢?jiàn)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體棒MN就是一個(gè)電源，M為電源正極，N為電源負(fù)極，自由電荷在洛倫茲力作用下從N端搬運(yùn)到M端。由平衡方程可得：Bqv=ULq當(dāng)導(dǎo)體棒MN沒(méi)有對(duì)外供電時(shí)，其兩端電勢(shì)差就等于電源電動(dòng)勢(shì)，也就是說(shuō)，導(dǎo)體棒MN產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)E=U=Blv。若導(dǎo)體棒對(duì)外供電了，則電路穩(wěn)定綜上分析，我們可以說(shuō)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生微觀上源于洛倫茲力的作用。三、導(dǎo)體棒轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線問(wèn)題分析如圖6-13所示，長(zhǎng)為L(zhǎng)的銅桿OA以O(shè)為軸在垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的平面內(nèi)以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，求桿OA桿產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小，并判斷O、A兩點(diǎn)電勢(shì)的高低。圖6-圖6-13分析與解答：本問(wèn)題中關(guān)于動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)大小的推導(dǎo)可以從兩個(gè)角度來(lái)解決。1、從法拉第電磁感應(yīng)定律的角度：此時(shí)，磁通量的改變就等于導(dǎo)體棒OA在一段時(shí)間?t內(nèi)所掃過(guò)的面積?S乘以磁感強(qiáng)度圖6-圖6-14??由法拉第電磁感應(yīng)定律：導(dǎo)體棒OA中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E2、從動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的角度：因?yàn)閷?dǎo)體棒做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，棒上各點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸O的距離記為r，則棒上各點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度大小為v=ωr，從此式可以看出，線速度v隨半徑r呈線性增加，所以導(dǎo)體棒OA切割磁感線的速度大小可等效為導(dǎo)體棒始末端點(diǎn)速度之和取平均，即E關(guān)于導(dǎo)體棒OA中電勢(shì)高低的判斷，宏觀上看實(shí)質(zhì)上是判斷導(dǎo)體棒中可能產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向。本問(wèn)題中導(dǎo)體棒OA就是一個(gè)電源，其電流方向可以直接用右手切割定則判定：A→O，所以O(shè)點(diǎn)電勢(shì)高于A點(diǎn)。也可以從洛倫茲力的角度判斷，利用左手定則，導(dǎo)體棒OA中所有自由電子都隨導(dǎo)體棒一起逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，所以，磁場(chǎng)對(duì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的自由電子的洛倫茲力方向沿導(dǎo)體棒指向A，在導(dǎo)體棒轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，導(dǎo)體棒的A端會(huì)聚集大量自由電子，致使A端電勢(shì)低于O端。下面我們來(lái)總結(jié)一下兩種方法的異同。公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)與E＝Blv⊥的區(qū)別與聯(lián)系E＝neq\f(ΔΦ,Δt)E＝Blv⊥區(qū)別求的是Δt時(shí)間內(nèi)的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，E與某段時(shí)間或某個(gè)過(guò)程相對(duì)應(yīng)。求的是瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，E與某個(gè)時(shí)刻或某個(gè)位置相對(duì)應(yīng)。求的是整個(gè)電路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。整個(gè)電路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，其電路中某段導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不一定為零。求的是電路中的一部分導(dǎo)體切割磁感線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于是整個(gè)電路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此電源部分不容易確定。由于是由一部分導(dǎo)體切割磁感線的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，該部分導(dǎo)體就相當(dāng)于電源。聯(lián)系公式E＝neq\f(ΔΦ,Δt)和E＝Blv⊥是統(tǒng)一的，當(dāng)Δt→0時(shí)，E為瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，只是由于高中數(shù)學(xué)知識(shí)所限，現(xiàn)在還不能這樣求瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而公式E＝Blv⊥中的v⊥若代入平均速度，則求出的E就是平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。例2．一直升飛機(jī)停在北半球的地磁極上空，該處地磁場(chǎng)的方向豎直向下，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，直升飛機(jī)螺旋槳葉片的長(zhǎng)度為l，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率為f，順著地磁場(chǎng)的方向看螺旋槳，螺旋槳按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)．螺旋槳葉片的近軸端為a，遠(yuǎn)軸端為b，如圖6-15所示．如果忽略a到轉(zhuǎn)軸中心線的距離，用E表示每個(gè)葉片中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，則()圖6-圖6-15A．E=πB．E=2πC．E=πD．E=2π分析與解答：為了方便研究，我們先畫(huà)出螺旋槳切割磁感線的的俯視圖，即順著磁感線的方向俯視螺旋槳的運(yùn)動(dòng)，如圖6-16所示，圖6-圖6-16根據(jù)前面的討論，我們可以直接用右手切割定則判斷出動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)方向由a→b，所以a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)電勢(shì)。再根據(jù)旋轉(zhuǎn)切割時(shí)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的公式，可得：E所以，選項(xiàng)A正確。幫助學(xué)生從運(yùn)動(dòng)和相互作用的角度理解動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，形成正確的物理觀念。在學(xué)生已有知識(shí)背景下，用學(xué)生