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案例: 下面是一道作业题及某学生的解答。 习题:半径分别为r和2r的同心圆形导轨固定在同一水平面内,一长为r、质量为m且质量分布均匀的直导体棒AB置于圆导轨上面,BA的延长线通过圆导轨中心O,装置的俯视图如图所示。整个装置位于一匀强磁场中,
案例: 下面是一道作业题及某学生的解答。 习题:半径分别为r和2r的同心圆形导轨固定在同一水平面内,一长为r、质量为m且质量分布均匀的直导体棒AB置于圆导轨上面,BA的延长线通过圆导轨中心O,装置的俯视图如图所示。整个装置位于一匀强磁场中,
admin
2018-06-30
17
问题
案例:
下面是一道作业题及某学生的解答。
习题:半径分别为r和2r的同心圆形导轨固定在同一水平面内,一长为r、质量为m且质量分布均匀的直导体棒AB置于圆导轨上面,BA的延长线通过圆导轨中心O,装置的俯视图如图所示。整个装置位于一匀强磁场中,磁感应强度的大小为B,方向竖直向下,在内圆导轨的C点和外圆导轨的D点之间接有一阻值为R的电阻(图中未画出)。直导体棒在水平外力作用下以速度ω绕O逆时针匀速转动、转动过程中始终与导轨保持良好接触,设导体棒与导轨之间的动摩擦因数为μ,导体棒和导轨的电阻均可忽略,重力加速度大小为g。
求:
(1)通过电阻R的感应电流的方向和大小;
(2)外力的功率。
解:(1)导体棒AB上的感应电动势的大小为
ε=Blv=B(2r)(2rω)-Br(rω)=3Br
2
ω
根据右手定则,感应电流的方向是从B端流向A端,因此电阻尺的感应电流的方向是从C端流向D端。由欧姆定律可得通过R的感应电流的大小是
(2)滑动摩擦力所做的功W
f
=f
s
,其中竖直方向上受力平衡f=μN=μmg
在t时间内导体棒在内、外圆轨道上运动的距离为
s
内
=rωt s
外
=2rωt
所以克服摩擦力所做的功为W
f
=fs=f(s
内
+s
外
)=3mgrωt。
消耗在电阻R上的功为
所以外力所做的功为
外力的功率为
(1)指出此道试题检测了学生所学的哪些知识点。
(2)指出作业中的错误并分析错误的原因。
(3)针对上述错误原因设计一个教学片段,帮助学生正确解决该问题。
选项
答案
(1)本题考查闭合电路的感应电动势、感应电流、欧姆定律、做功。 (2)这位学生在用公式ε=Blv,求解导体棒产生的感应电动势时,没有认识到导体棒上各点的线速度大小不一致,而用端点处的瞬时速度代入求解,学生对公式ε=Blv,所适用的条件没有掌握。另外,在求摩擦力做功时将摩擦力的大小求解错误,原因是学生没有认真地进行受力分析,物理基础知识掌握不扎实。 (3)首先,引导学生对该题的物理过程进行梳理。 师:从题目中我们看到导体棒在导轨上做圆周运动,会产生感应电动势吗? 生:会,因为导体棒做切割磁感线运动。 师:那么感应电动势怎么求解呢? 生:用ε=Blv这个公式来求解。 师:这个公式适用的条件是什么呢? 生:导体棒上的速度要均匀一致。 师:很好,那大家看一下这个导体棒上的速度一样吗?如果不一样我们怎么求呢? 生:不一样,可以求导体棒的平均切割速度。 师:对,导体棒的平均切割速度就是[*],代入公式即可求出感应电动势和感应电流。 师:接下来我们求外力的功率,首先我们分析外力所做的功转化为哪些部分? 生:转化为电阻的焦耳热和克服摩擦力做的功。 师:为了求克服摩擦力所做的功我们首先要知道摩擦力的大小,因而要先进行受力分析。 生:导体棒受到支持力、重力、安培力。 师:在竖直方向上受到内外轨道对它的支持力和自身的重力,即mg=2F
N
,所以[*]。再利用公式求摩擦力的大小,进而求出摩擦力的功。
解析
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本试题收录于:
物理学科知识与教学能力题库教师资格分类
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物理学科知识与教学能力
教师资格
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