全国优质课大赛一等奖高中物理新课标教材选修3《通电导线在磁场中受到的力》优秀教学设计+导学案+反思

《通电导线在磁场中受到的力》探究式教学设计【教材分析】通电导线在磁场中受到的安培力是磁场这一章的核心知识，也是本章的教学重点。本节课是在学习了磁场的基本知识的基础上，进一步通过实验探究和逻辑推理的方式学习磁场对电流的作用。在探究安培力方向的过程中，学会正确判断安培力方向的方法体会实验探究的方法；根据实验探究和理论推导得出匀强磁场中安培力的表达式F=BILsinƟ，学会计算安培力大小的方法，培养学生实事求是的科学态度。本节课不仅是对安培力的深入学习，也是后续学习洛伦兹力的一个基础。【教学目标】1、知识与技能观察安培力方向与哪些因素有关的实验，记录实验现象并提出相关结论。指导安培力方向与电流、磁感应强度的方向都垂直，会用左手定则判断安培力的方向。根据实验探究和理论推导得出匀强磁场中安培力的表达式F=BILsinƟ，知道电流方向与磁场方向平行时，电流受的安培力最小，等于零；电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大，等于BIL。会用安培力公式F=BILsinƟ计算匀强磁场中安培力的大小。知道磁电式电流表的基本构造以及运用它测量电流大小和方向的基本原理。2、过程与方法经历自主探究安培力方向与哪些因素有关的实验过程，体会猜想、设计实验、观察和记录实验现象等实验探究要素。通过制定方案体会控制变量的研究方法；在理论推导过程体会从特殊到一般和等效替代的科学方法。体会如何从实验现象中寻找联系并总结出规律的科学方法。情感态度与价值观通过了解安培力在生活中的应用，体会物理知识对现代社会发展的贡献。通过左手定则体会自然界规律的奇妙，激发学生的学习兴趣。【教学重难点】重点：安培力的方向确定和大小的计算。难点：安培力、电流、磁感应强度三者方向的空间关系。重难点的突破：由于安培力的方向与磁场的方向、电流的方向不但不在一条直线上，而且不在一个平面内。因此，研究安培力方向的问题要涉及三维空间。恰恰学生空间想象能力还不强。为了突破难点，本教学设计先让学生自主探究四种情况下安培力的方向，通过学生认真观察、记录、分析实验现象的过程，初步认识安培力方向的特点，同时也培养了学生空间思维能力。由于本章第2节已经通过实验得到B的定义，所以很容易得到电流与磁场方向垂直时F=BIL。但学生实际应用时往往会忽略垂直的前提条件，任何情况都套用公式F=BIL。对当磁场方向与电流方向平行时F=0和磁场方向与电流方向成角时学生没有直观的感受，理解存在困难。为突破此难点，本教学设计利用自制的教具来直观展示当磁场方向与电流方向垂直、成角、平行时安培力的大小情况，让学生亲眼看见安培力变化的情况，再利用力学中常用的正交分解做出理论分析。【教学用具】多媒体、投影仪、课件、变压器、平行电流作用力演示仪、导线、学生分组实验仪器【教学过程】教学环节教学内容设计思路情景引入电磁炮发射的视频电磁炮发射的视频播放电磁炮发射的视频教师介绍：电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器。与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场对炮弹导电底座的作用力，自然条件下炮弹速度可达近万m/s。射程320km，杀伤能量32兆焦（1兆焦相当1吨重汽车160km/h的动能）。师：电磁炮是如何做到这一点的？原因在于：电磁炮的动力来源于：磁场对电流的作用力。师：由于安培在研究磁场和电流的相互作用方面做出了杰出的贡献，为了纪念他，人们把通电导线在磁场中受到的力称为安培力。这节课我们就安培力作进一步的研究。力是矢量，有大小和方向。我们首先来研究安培力的方向。学生观看视频激发学生的学习兴趣科学探究【主题一】：安培力的方向师：请同学们大胆猜想安培力方向可能与哪些因素有关？生：安培力方向与电流方向、磁场的方向有关。师：大家的猜想是否正确呢？这需要通过实验来验证。老师这里给大家提供的实验器材有：一块平板状磁铁、两块金属导轨、一根铜棒、导线、电源。师：该实验涉及到三个物理变量，所以我们在探究过程中时应该采用什么样的科学方法？生：控制变量法。师：很好，控制其中一个量，观察剩下一个量对安培力方向的影响。鉴于此做四点思考：1.怎样改变电流方向？——正负极互换位置2.怎样改变磁场方向？——改变磁体的位置3.导体棒的受力方向如何体现？——铜棒启动的方向4.该实验有几种组合情况？——四种四种组合情况的的侧面图师：侧视图是将立体图转换为平面图，比如组合一（老师手中拿器材比划）铜棒上的红箭头代表的是电流方向，从这个角度看，磁场是向上的，电流是向里的，下图依次是四种组合的侧视图。友情提醒：实验前，弄清楚磁场方向、电流方向，实验时，在学案上记录相应的安培力的方向。注意我们这个实验是在短路的环境下进行的，通电时间不宜过长，我们在连接电路时，有一个接线柱不要接实，采用的是碰触式通电，一旦观察到铜棒启动后，立即断开电源。师：实验证实了大家的猜想是正确的，安培力方向确实与磁场方向、电流方向有关。那么，安培力方向与电流方向、磁场方向到底存在怎样的关系呢？生：F⊥B、F⊥I（或者说F⊥B、I构成的平面）请大家伸出左手对于这样一种方向关系，有没有通用的办法，把它们形象、简单地表示出来。师：哪位同学上来给大家展示一下。学生用左手展示。大家跟他一起做。师：完成的非常好，大家给他点掌声！为什么伸出左手呢？伸右手是否可行？此处不能说不行，而是安培定则用右手，下一章电磁感应也有一个定则叫右手定则，所以伸出左手。正如B不叫磁场强度而叫磁感应强度一样。因为我们用的是左手我们把它叫做左手定则。教师介绍左手定则，在ppt上显示左手定则内容及图片，让学生举起左手一起做。伸开左手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一平面内;让磁感应线从掌心进入,并使四指指向电流的方向，这时大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。四指大拇指四指大拇指磁感线穿过掌心电流方向安培力方向再次提醒：一定要使用左手！下面请大家利用左手定则完成例1.例1.图中分别标明了电流、磁感应强度和安培力这三个量中两个量的方向，试标出第三个量的方向。这道题说明了左手定则不光是用来判断安培力的方向，对于安培力、电流、磁场三者方向两两垂直的情况，运用左手定则可以知道其中两个物理量判断第三个物理量，知二判一。师：我们大家都知道同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引；同名磁极间相互排斥、异名磁极相互吸引。我们大家还知道电流之间是有相互作用的，那么，同向电流之间、异向电流之间的作用力又有什么特点呢？大家先来猜一猜！生：同向电流相互排斥、反向电流相互吸引。师：大家的猜想是否正确呢？【演示】通电平行直导线间作用力的特点介绍实验器材：装置中是两根平行直导线，老师给它们加入同向电流，大家看到了什么现象？生：（1）同向电流相互吸引；现在老师再给它们加入反向电流，大家又观察到什么现象？生：（2）反向电流相互排斥。师：为什么会出现这样的现象呢？请用刚刚学习过的知识解释同向电流中导线2所受的安培力的方向。哪位同学来解释？生：先用右手螺旋定则判断导线1产生的磁场方向，再用左手定则判断导线2所受安培力的方向向左。师：很好，根据牛顿第三定律可知导线1所受安培力方向向右。请大家课后解释反向电流安培力的方向。板书：一、安培力的方向学生一般能猜出与电流方向、磁场的方向有关（可能也有一些另外的想法，不管对错，都应该鼓励）。通过实验探究，培养学生观察、实验设计、分析归纳能力以及严谨的科学思维和创新的探究思路。学生通过实验探究总结归纳出安培力方向与电流方向、磁场方向之间的关系学生一般能得到安培力方向既与磁场方向垂直又与电流方向垂直。即垂直于磁场方向与电流方向所在的平面这一结论。F⊥B、F⊥I（F⊥B、I构成的平面）由学生自已总结规律，培养学生空间想像能力和归纳、类比能力。应用左手定则解决实际问题，同学们的猜测不统一，激发学生求知欲。科学探究【主题二】：安培力的大小师：研究完安培力的方向，下面我们来研究安培力的大小。我们在第2节已经知道：（1）通电导线与磁场方向垂直时，F=ILB。（2）通电导线与磁场方向平行时，F=0。（3）科学的研究总是从特殊到一般，从现象到本质。那么问题来了，当通电导线与磁场方向既不垂直也不平行，安培力的大小又将如何呢？下面，我们还是通过实验来探究。【探究】介绍实验器材：（1）弹簧下悬挂着一根铜棒，不通电时，将铜棒调水平平衡，读出读数，这时铜棒受到重力、弹簧弹力，根据二力平衡可得铜棒重力G；（2）这是铷磁铁，通过转动铷磁铁可以改变铜棒与磁场方向的夹角。现在磁场方向与铜棒正好垂直，通电后，大家看到什么现象？生：铜棒向下运动。师：铜棒为什么向下运动?生：铜棒受到向下安培力的作用。现在将铜棒调水平平衡，读出读数，此时铜棒受三个力重力、弹力、安培力，根据三力平衡，可得F安=F-G。（3）转动磁体，使磁场方向与铜棒夹角分别为600、300、00，调水平平衡后读出读数。注意调平衡后，安培力的方向始终竖直向下。最后友情提醒大家三点：连接电路：黑接黑，红接红；黑导线接仪器盒上线圈上的接线柱，仪器盒上红接线柱不接实，通电时间不要过长，读完读数立即断开电源；调水平平衡提的是弹簧外壳；读数只需读刻度即可，读的是弹簧与红线交接点的上限。（4）完成实验并且将实验结果填写在学案中。θ棒重G弹簧秤示数FF安=F-G900600300000展示学生实验结果，用水笔圈出来。师：大家看这两组数据，从中大家可以得到怎样的结论？生：随着磁场方向与导线方向夹角的减小，安培力在减小；当磁场方向与导线方向垂直时，安培力最大；当磁场方向与导线方向平行时，安培力最小为0。师：我们再比较与实验数据，大家可以看出什么？生：几乎相等。师：说明在实验误差允许的范围内，安培力与满足我们数学上的什么函数关系？生：正弦函数。师：到底是不是满足正弦函数关系，下面我们从理论方面来探究：师：B与I成角，怎么处理？生：将B正交分解，分解为与电流垂直的分量=Bsinθ，与电流平行的分量=Bcosθ不起作用，安培力仅由决定，F=IL，将=Bsinθ代入得F=ILBsinθ这里用到了等效替代的思想（注意：θ为B与I的夹角）这是一般情况下安培力的表达式。在中学阶段，仅适用于匀强磁场。至此，我们对于安培力的大小与方向都有了深入地了解。下面请同学们完成例2、例3。例2.一根长为0.2m的通以2A电流的导线，放在磁感应强度为0.5T的匀强磁场中，受到磁场力的大小可能是（BCD）

A.0.4N B.0.2NC.0.1N D.0选择的理由：不确定。例3：根据磁场对电流会产生作用力的原理，人们研制出一种新型的发射炮弹的装置—电磁炮，它的基本原理如图所示。把待发射的炮弹(导体)放置在强磁场中的两平行导轨上，给导轨通以大电流，使炮弹作为一个截流导体在磁场作用下沿导轨加速运动，并以某一速度发射出去，则(ABC)A．要使炮弹沿导轨向右发射，必须通以自M向N的电流B．要想提高炮弹的发射速度，可适当增大电流C．要想提高炮弹的发射速度，可适当增大磁感应强度 D．使电流和磁感应强度的方向同时反向，炮弹的发射方向也随之反向。解释D：电流方向、磁场方向如果只有其中之一反向，安培力也反向；如果两者都反向，安培力方向反而不变。板书：二、安培力的大小学生自主探究学以致用【主题三】：磁电式电流表目前，安培力已经应用在工业、军事、科研等各个领域，我们实验室中使用的磁电式电流表就是利用了安培力与电流的关系。阅读教材，回答以下问题：（ppt）⑴磁电式电流表的基本组成部分是什么？如图所示是电流表的构造图，在一个很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以转动的铝框，铝框上绕有线圈，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针，线圈的两端分别接在这个螺旋弹簧上，被测电流通过弹簧流入线圈。⑵磁电式电流表的原理是什么？当电流通过线圈时线圈左右两边都要受到方向相反安培力，使线圈发生转动，线圈转动使螺旋弹簧被扭动，反抗线圈转动。电流越大，安培力就越大，螺旋弹簧的形变也就越大。所以从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小。蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地辐射分布的，不管通电线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感应线平行，表盘的刻度就是均匀的了。⑶磁电式电流表的优缺点是什么？磁电式仪表的优点是是灵敏度高，可以测出很弱的电流；缺点是线圈的导线很细，允许通过的电流很弱（几十微安到几毫安）。我们在使用时，要注意它的量程，防止电表烧坏。学生回答，如果不完整作适当补充。小结小结板书3.4通电导线在磁场中受到的力安培力的方向——左手定则F⊥B、F⊥I（或者说F⊥B、I构成的平面）安培力的大小：（为B与I的夹角）匀强磁场三、磁电式电流计作业课本P94问题与练习1-4第4节通电导线在磁场中受到的力学习目标知道什么是安培力，会用左手定则熟练地判定安培力的方向，并会用它解答有关问题。

掌握安培力的计算公式，会用公式解答有关问题。了解磁电式电流表的内部构造的原理。

【学习重点】安培力的方向确定和大小的计算。【学习难点】安培力、电流、磁感应强度三者方向的空间关系。情景引入【播放电磁炮发射的视频】安培力的定义：。科学探究 【主题一】：安培力的方向【问题】请同学们猜想安培力方向可能与哪些因素有关？【实验探究】请同学们根据提供的器材来验证你的猜想，根据实验结果，在下图中做出安培力F的方向。 （1）安培力方向与电流方向、磁场方向存在怎样的关系？（2）请大家伸出左手对于这样一种方向关系，有没有通用的办法，把它们形象、简单地表示出来。左手定则内容：伸出左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，且跟手掌在一个平面内。把手放入磁场中，让磁感线穿入手心，并使伸开的四指指向电流的方向，那么大拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。磁感线；四指；大拇指。再次提醒：一定要使用左手！例1.图中分别标明了电流、磁感应强度和安培力这三个量中两个量的方向，试标出第三个量的方向。【演示实验】通电平行直导线间作用力的特点同向电流相互；（2）反向电流相互。请用刚刚学习的知识解释其中的原因。【主题二】：安培力大小（1）当时，F=；（2）当时，F=。（3）当通电导线与磁场方向既不垂直也不平行，安培力的大小又将如何呢？【实验探究】完成实验并且将实验结果填写在学案中。θ棒重G弹簧秤示数FF安=F-G900600300000理论探究：结论：一般情况下，安培力的大小F=；适用条件：。例2.（多选）一根长为0.2m的通以2A电流的导线，放在磁感应强度为0.5T的匀强磁场中，受到磁场力的大小可能是（）

A.0.4N B.0.2NC.0.1N D.0MNB例3.（多选）根据磁场对电流会产生作用力的原理，人们研制出一种新型的发射炮弹的装置MNBA．要使炮弹沿导轨向右发射，必须通以自M向N的电流B．要想提高炮弹的发射速度，可适当增大电流C．要想提高炮弹的发射速度，可适当增大磁感应强度 D．使电流和磁感应强度的方向同时反向，