高中物理-第三章-磁场-第四节-磁场对通电导线的作用力示范教案-新人教版选修3-1

PAGEPAGE14磁场对通电导线的作用力教学设计(一)eq\o(\s\up7(),\s\do5(整体设计))教学分析安培力的方向一定与电流、磁感应强度的方向都垂直，但电流方向与磁感应强度方向可以成任意角度。当电流方向与磁感应强度方向垂直时，安培力最大。对此，学生常常混淆，例如在解决实际问题时误以为安培力、电流、磁感应强度一定是两两垂直的关系。左手定则是判断安培力、电流、磁感应强度方向的一种简便、直观的方法，可以让学生在探究中体验它的方便性。另外，空间想象能力对本节的学习至关重要。要使学生能够看懂立体图，熟悉各种角度的侧视图、俯视图和剖面图，需要一定量的巩固训练。教学目标1．探究安培力方向与哪些因素有关的实验，记录实验现象并得出相关结论。知道安培力的方向与电流、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。2．推导匀强磁场中安培力的表达式，计算匀强磁场中安培力的大小。3．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。教学重难点安培力的方向和大小是本节重点，弄清安培力、电流、磁感应强度三者方向的空间关系是本节难点。教学方法与手段实验探究、观察法、逻辑推理法等。以演示实验为先导，激发学生探究安培力、电流、磁感应强度三者方向的空间关系，并寻找描述安培力方向的简便方法。展示三维空间模型，帮助学生建立安培力、电流、磁感应强度三者方向的直观关系。学生自主学习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，训练学生阅读自学能力。eq\o(\s\up7(),\s\do5(课前准备))教学媒体学生电源、悬挂式线圈、导线和开关、蹄形磁铁若干组、玻璃器皿盐水、铁架台、磁电式电表、安培力方向三维空间模型、多媒体辅助教学设备(多媒体课件、实物投影仪、视频片断)。知识准备当电流与磁感应强度两者方向垂直时，安培力大小为F＝ILB。eq\o(\s\up7(),\s\do5(教学过程))导入新课[事件1]教学任务：创设情景，导入新课师生活动：【演示】课本P93旋转的液体(简介器皿中的盐水可以导电，相当于导线，实验过程中滴一滴蓝色墨水更易于观察)液体向哪个方向旋转？观察并讨论：原来静止的液体为什么旋转了起来？回答：肯定有力的作用，力是改变运动状态的原因。【学情预设】如果学生回答有磁场或电流的原因，教师都应该给予充分肯定。结论：通电导线在磁场中所受的作用力叫做安培力。这节课我们将对安培力作进一步的讨论。通电导线与磁体通过磁场发生相互作用说明：实验引入新课，形象、生动、直观，利于调动学生物理学习的积极性。这里也可以演示“通电电流间相互作用”的实验，但实际操作效果不是很好，若采用课件动画模拟的方法演示，效果还是不错的。但模拟实验毕竟代替不了实际试验所引起的震撼，所以建议引入上述实验，效果显著。推进新课[事件2]教学任务：探究安培力的方向师生活动：探究问题：1.影响安培力方向的因素。2．怎样描述安培力的方向？学生猜想：1.可能与电流的方向有关，与磁感线的方向有关。2．可能与电流同向，与磁感线的方向相同……实验仪器：悬挂式线圈，学生电源，蹄形磁铁，导线设计实验方案：提问学生试验方法——控制变量法探究卡片：提醒学生注意事项(条件为导线垂直于磁场)。如上图所示，连接好电路。1．改变电流的方向，观察发生的现象；2．调换磁铁两极的位置来改变磁场方向，观察发生现象。附录：探究实验指导卡片探究实验指导卡片[Worksheets]编号：5820100220您小组成员姓名：______实验操作注意事项：1．实验用的线圈相当于直导线，注意搞清研究的是哪段导线。2．实验中要求保证导线和磁场的垂直条件，你怎样做到。3．学生电源直流电压2V即可，注意观察线圈连接电源的正负极。4．建议你设计表格以便信息采集。交流：和别的实验小组交流一下，总结一下有什么规律。你能否通过实验总结出一种较为方便的方法表达这种关系呢？(用手试试)你还有什么问题和想法？请写在反面。学生分组实验：建议学生自主设计表格信息采集磁场方向电流方向安培力方向向下向右里向下向左外向上向左里向上向右外总结与归纳：学生小组讨论互助合作(1)安培力的方向和磁场方向、电流方向都有关系。(什么关系？)(2)安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直。【学情预设】学生补充回答，也就是说，安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面。教师即时评价：很好，同时展示三维空间模型，如图所示。[事件3]教学任务：描述安培力的方向的方法——左手定则师生活动：提示问题：你能否通过实验总结出一种较为方便的方法表达这种关系呢？讨论与交流：实验小组内同学相互讨论、合作交流问题引导：引导一：模仿右手螺旋定则伸出你的手试一试；引导二：将手伸平再试试看。【学情预设】学生使用左右手的表述方法实际上都是可以的，不过我们更习惯于用手心来表述(如图所示)。结论：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都和手掌在一个平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，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，这就是左手定则。说明：左手定则是一个难点，涉及三个物理量的方向，涉及三维空间，而学生的空间想象力还不强，所以教师展示三维空间模型显得尤为重要。这里教师还应引导学生如何将三维图形用二维图形表达(侧视图、俯视图和剖面图等)，还要引导学生如何将二维图形想象成三维图形。可将下图从侧视图、俯视图和剖面图几个方面引导学生展示。一般情形的安培力方向法则介绍：电流和磁场可以不垂直，但安培力必然和电流方向垂直，也和磁场方向垂直，用左手定则时，磁场不一定垂直穿过手心，只要不从手背穿过就行。[事件4]教学任务：利用左手定则判断安培力的方向师生活动：应用一：两条通电平行直导线会通过磁场发生相互作用。在什么情况下两根导线相互吸引？在什么情况下相互排斥？课件演示：链接PPT课件演示问题分析：液体向哪个方向旋转？结论：同向电流相互吸引，异向电流相互排斥。应用二：在[事件1]演示实验中原来静止的液体向哪个方向旋转？学生实践：用左手定则判断盐水的旋转方向。情境导入：刚才实验中你会求解安培力的大小吗？[事件5]教学任务：求解安培力的大小师生活动：提示问题：通过第二节课的学习，我们已经知道(1)垂直于磁场B放置的通电导线L，所通电流为I时，它在磁场中受到的安培力F＝ILB；(2)当磁感应强度B的方向与导线平行时，导线受力为零。思考并讨论：当磁感应强度B的方向与导线方向夹角成θ时，导线受的安培力多大呢？展示三维空间模型交流与讨论：分解磁感应强度(或等效L′＝Lsinθ)将磁感应强度B分解为与导线垂直的分量B⊥和与导线平行的分量B∥，则，B⊥＝BsinθB∥＝Bcosθ因B∥不产生安培力，导线所受安培力是B⊥产生的。结论：一般情况下的安培力公式：F＝ILBsinθ说明：在推导公式时，要让学生明确两点：一是矢量的正交分解体现两个分量与原来的矢量是等效替代的关系，二是从特殊到一般的归纳的思维方法。还有，尽管公式F＝ILB是从公式B＝F/IL变形而得的，但两者的物理意义却有不同。①公式B＝F/IL是根据放置于给定磁场中的给定点上的检验电流(电流元)受力情况，来确定这一位置的磁场的性质，它对任何磁场中的任何点都是适用的。②公式F＝ILB则是在已知磁场性质的基础上，确定在给定位置上给定的一小段通电直导线的受力情况，在中学阶段，它只适用于匀强磁场。教师应该给学生指出：物理公式在作数学的等价变形时，其物理意义和适用范围将会发生变化。这是应用数学知识解决物理问题时所要引起注意的问题，但却往往被人们所忽视。讨论分析：安培力与库仑力的区别电荷在电场中某一点受到的库仑力是一定的，方向与该点的电场方向要么相同，要么相反。而电流在磁场中某处受到的磁场力，与电流在磁场中放置的方向有关，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，一般情况下的安培力大于零，小于BIL，方向与磁场和电流所在平面垂直。[事件6]教学任务：自主学习磁电式电流表构造及工作原理师生活动：问题引导：中学实验室里使用的电流表是磁电式电流表，下面我们来学习磁电式电流表的工作原理。[投影课本图3.4－5,3.4－6,3.4－7]展示实物并进行实际操作演示电流表的使用。请同学们阅读课文，然后思考问题并完成应用三。问题提示：(1)电流表主要由哪几部分组成？(2)为什么电流表可测出电流的强弱和方向？(3)电流表中磁场分布有何特点？为何要如此分布？(4)磁电式仪表的优缺点是什么？应用三：如图甲所示是磁电式电流表的结构图。图乙是磁极间的磁场分布图。以下选项中错误的是()甲电流表的构造乙A．指针稳定后，线圈受到螺旋弹簧的作用效果与线圈受到的安培力作用效果方向是相反的B．在线圈转动的范围内，通电线圈中的电流越大，电流表指针偏转的角度也越大C．在线圈转动的范围内，各处的磁场都是匀强磁场D．在线圈转动的范围内，线圈所受安培力与电流有关，可以测量大电流答案：CD【教师即时评点】(1)电流表的组成及磁场分布：电流表的组成有永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘(最基本的是磁铁和线圈)六部分组成。a.铁芯、线圈和指针是一个整体；b.蹄形磁铁内置软铁是为了(和铁芯一起)造就辐形磁场；c.观察发现铁芯转动时螺旋弹簧会形变。(2)电流表的工作原理：引导学生弄清楚以上几点并自己归纳总结，即知道了①线圈的转动是怎样产生的；②线圈为什么不一直转下去；③为什么指针偏转角度的大小可以说明被测电流的强弱；④如何根据指针偏转的方向来确定电路上电流的方向；⑤使用时要特别注意什么等问题。让学生将每个选项逐一分析判断，即分别回答以上所有问题。教师只要重点介绍一下辐形磁场即可，其他从略。【教师进一步讲解】所谓辐形磁场就是指磁场的均匀辐向分布，就是说所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心，不管线圈处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度。该磁场并非匀强磁场，但在以铁芯为中心的圆圈上，各点的磁感应强度B的大小是相等的。课堂巩固与反馈[事件7]教学任务：形成性测试1．将长度为20cm、通有0.1A电流的直导线放入一匀强磁场中，电流与磁场的方向如图所示，已知磁感应强度为1T。试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向。2．如图所示，蹄形磁铁用悬线悬于O点，在磁铁的正下方有一水平放置的长直导线，当导线中通以由左向右的电流时，蹄形磁铁的运动情况将是()A．静止不动B．向纸外平动C．N极向纸外转动，S极向纸内转动D．N极向纸内转动，S极向纸外转动3．如图所示，一根长为L的细铝棒用两个倔强系数为k的弹簧水平地悬吊在匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面向里，当棒中通以向右的电流I时，弹簧缩短Δy；若通以向左的电流，也是大小等于I时，弹簧伸长Δy，则磁感应强度B为多少？参考答案：1．(1)0；导线与磁感线平行(2)0.02N；安培力方向垂直导线水平向右(3)0.02N；安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上2．解析：首先画出导线所在位置的磁感线分布情况如图所示，导线左边与右边的磁场方向不同，故把导线分为左右两部分。由左手定则可知左边的导线受到向内的作用力，右边的导线受到向外的作用力，所以导线左边向内转动，右边向外转动，现在导线固定，蹄形磁铁可以自由转动，磁铁的转动方向与导线的转动方向相反，所以蹄形磁铁的N极向外转动，S极向内转动，本题选C。3．解析：设不通电时，弹簧伸长为x，则通向右的电流时，有2k(x－Δy)＝mg－BIL通向左的电流时，有2k(x＋Δy)＝mg＋BIL解得B＝2kΔy/IL。eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(课堂小结))[事件8]教学任务：引导学生从知识、方法、情感三个方面小结本节课的学习活动。1．判断安培力的方向的方法：左手定则2．计算安培力的大小：F＝ILBsinθ3．了解磁电式电流表的构造及基本原理eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(布置作业))完成课本课后“问题与练习”。eq\o(\s\up7(),\s\do5(板书设计))4磁场对通电导线的作用力一、安培力1．安培力的方向：左手定则2．安培力的大小：F＝ILBsinθ二、磁电式电流表eq\o(\s\up7(),\s\do5(活动与探究))课题：设计制作电磁炮过程：电磁炮是一种理想的兵器，它的主要原理如图所示。1982年，澳大利亚制成了能把2.2kg的弹体(包括金属杆EF的质量)加速到10km/s的电磁炮(常规炮弹的速度约为2km/s)。上网查找资料，根据磁场对电流会产生作用力的原理，学生自主设计制作电磁炮模型。研究了解电磁炮的工作原理，分析并改进其发射速度与性能的办法。小组同学之间交流合作。各小组派代表向全班同学展示汇报研究成果。eq\o(\s\up7(),\s\do5(设计说明))左手定则涉及三个物理量的方向，三维图形立体感强，具有直观、形象、逼真等特点，而学生的空间想象力还不强，通过教师展示三维图示可以降低学生思维的难度，通过设计探究实验，让学生探究发现安培力方向和磁感应强度及电流方向的关系，激发学生的兴趣。在教学中，引导学生总结出表述安培力方向的简便方法——左手定则，更使学生富有研究的成就感。在磁电式电流表构造及工作原理的教学中充分信任学生的自学能力，问题导引，习题检验，使课时内容显得紧凑，重点突出。根据本节课的特点，教学设计中让学生尽量多地参与到课堂活动中来，充分调动学生学习积极性，在自主、探究、合作的学习过程中体会物理学习的快乐。课堂以丰富多彩的图片、课件、实验辅助教学，使学生思维得到训练，能力得到提高。教学设计(二)eq\o(\s\up7(),\s\do5(整体设计))教学目标(一)知识与技能1．知道什么是安培力。知道通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流、磁场方向都垂直时，它的方向的判断——左手定则。知道左手定则的内容，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。2．会用安培力公式F＝BIL解答有关问题．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。3．了解磁电式电流表的内部构造的原理。(二)过程与方法通过演示、分析、归纳、运用使学生理解安培力的方向和大小的计算。培养学生的空间想象能力。(三)情感态度与价值观使学生学会由个别事物的个性来认识一般事物的共性的认识事物的一种重要的科学方法．并通过对磁电式电流表的内部构造的原理了解，感受物理知识之间的联系。教学重点难点重点：安培力的方向确定和大小的计算。难点：左手定则的运用(尤其是当电流和磁场不垂直时，左手定则如何变通使用)。教学用具磁铁、电源、金属杆、导线、铁架台、滑动变阻器、多媒体。eq\o(\s\up7(),\s\do5(教学过程))导入新课让学生回忆在第二节中通电导线在磁场中受力大小与什么因素有关。过渡：本节我们将对安培力作进一步的讨论。推进新课安培力：磁场对电流的作用力。安培力是以安培的名字命名的，因为他研究磁场对电流的作用力有突出的贡献。1．安培力的方向【演示】按照P85图3.13所示进行演示。(1)改变电流的方向，观察发生的现象。[现象]导体向相反的方向运动。(2)调换磁铁两极的位置来改变磁场方向，观察发生的现象。[现象]导体又向相反的方向运动[教师引导学生分析得出结论](1)安培力的方向和磁场方向、电流方向有关系。(2)安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直。也就是说，安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面。(图3.41)如何判断安培力的方向呢？人们通过大量的实验研究，总结出通电导线受安培力方向和电流方向、磁场方向存在着一个规律——左手定则。左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且跟手掌在同一个平面内，把左手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向电流方向，那么，拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中的受力方向。(如图)【说明】左手定则是一个难点，涉及三个物理量的方向，涉及三维空间，而学生的空间想象力还不强，所以教师应引导学生如何将三维图形用二维图形表达(侧视图、俯视图和剖面图等)，还要引导学生如何将二维图形想象成三维图形。——可将下图从侧视图、俯视图和剖面图一一向学生展示。*一般情形的安培力方向法则介绍……结论：电流和磁场可以不垂直，但安培力必然和电流方向垂直，也和磁场方向垂直，用左手定则时，磁场不一定垂直穿过手心，只要不从手背穿过就行。*至于大小法则，如果电流和磁场不垂直，则将磁场进行分解，取垂直分量代入公式即可；从这个角度不难理解——如果电流和磁场平行，那么安培力是多少？[学生]为零。引导学生分析判断P94第一题补充练习：判断下图中导线A所受磁场力的方向。答案：【演示】平行通电直导线之间的相互作用(图3.4－3)。引导学生区别安培定则和左手定则，并且用这两个定则去解释“平行通电导线之间的相互作用”这一演示实验，解释时应明白左边的通电导线受到的安培力是右边的通电导线所产生的磁场施加的，反之亦然。2．安培力的大小通电导线(电流为I、导线长为L)和磁场(B)方向垂直时，通电导线所受的安培力的大小：F＝BIL(最大)。两种特例：即F＝ILB(I⊥B)和F＝0(I∥B)。一般情况：当磁感应强度B的方向与导线成θ角时，有F＝ILBsinθ。【注意】在推导公式时，要让学生明确两点：一是矢量的正交分解体现两个分量与原来的矢量是等效替代的关系，二是从特殊到一般的归纳的思维方法。还应该注意的是：尽管公式F＝ILB是从公式B＝F/IL变形而得的，但两者的物理意义却有不同。①公式B＝F/IL是根据放置于给定磁场中的给定点上的检验电流(电流元)受力情况，来确定这一位置的磁场的性质，它对任何磁场中的任何点都是适用的。②公式F＝ILB则是在已知磁场性质的基础上，确定在给定位置上给定的一小段通电直导线的受力情况，在中学阶段，它只适用于匀强磁场。教师应该给学生指出：物理公式在作数学的等价变形时，其物理意义和适用范围将会发生变化。这是应用数学知识解决物理问题时所要引起注意的问题，但却往往被人们所忽视。应该提醒学生注意安培力与库仑力的区别。电荷在电场中某一点受到的库仑力是一定的，方向与该点的电场方向要么相同，要么相反。而电流在磁场中某处受到的磁场力，与电流在磁场中放置的方向有关，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，一般情况下的安培力大于零，小于BIL，方向与磁场方向垂直。3．磁电式电流表(1)电流表的组成及磁场分布请同学们阅读课文，让学生先看清楚磁铁、铝框、线圈、螺旋弹簧、极靴、指针、铁质圆柱等构件，了解它们之中哪些是固定的，哪些是可动的。然后回答：电流表主要由哪几部分组成？数分钟后，教师出示实物投影并课件演示——如下图。[学生答]电流表由永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘等六部分组成。电流表的组成：永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘．(最基本的是磁铁和线圈)教师提示注意：a.铁芯、线圈和指针是一个整体；b.蹄形磁铁内置软铁是为了(和铁芯一起)造就辐向磁场；c.观察——铁芯转动时螺旋弹簧会形变。[实物投影课本如图][问题]电流表中磁场分布有何特点呢？[教师讲解]电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。[问题]什么是均匀辐向分布呢？[教师进一步讲解]所谓均匀辐向分布，就是说所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心，不管线圈处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度．该磁场并非匀强磁场，但在以铁芯为中心的圆圈上，各点的磁感应强度B的大小是相等的。(2)电流表的工作原理——引导学生弄清楚以下几点：①线圈的转动是怎样产生的？②线圈为什么不一直转下去？③为什么指针偏转角度的大小可以说明被测电流的强弱？④如何根据指针偏转的方向来确定电路上电流的方向？⑤使用时要特别注意什么？4．课堂巩固与练习(1)将长度为20cm、通有0.1A电流的直导线放入一匀强磁场中，电流与磁场的方向如图所示，已知磁感应强度为1T。试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向。解析：由左手定则和安培力的计算公式得：(1)因导线与磁感线平行，所以安培力为零；(2)由左手定则知：安培力方向垂直导线水平向右，大小F＝BIL＝1×0.1×0.2N＝0.02N；(3)安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上，大小F＝BIL＝0.02N。答案：(1)0；导线与磁感线平行。(2)0.02N；安培力方向垂直导线水平向右。(3)0.02N；安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上。说明：求安培力的大小时，要注意公式F＝BIL中B与I要垂直；用左手定则判定安培力的方向时，要注意安培力既与导线垂直又与磁感线垂直，但B与I可以成任意夹角。(2)如图所示，一根长为L的细铝棒用两个倔强系数为k的弹簧水平地悬吊在匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面向里，当棒中通以向右的电流I时，弹簧缩短Δy；若通以向左的电流，也是大小等于I时，弹簧伸长Δy，则磁感应强度B为()A．kΔy/ILB．2kΔy/ILC．kIL/ΔyD．2IL/kΔy解析：设不通电时，弹簧长为x，则通向右的电流时，有2k(x－Δy)＝mg－BIL通向左的电流时，有2k(x＋Δy)＝mg＋BIL解得B＝2kΔy/IL答案：B(3)完成课本“问题与练习”2、4题。5．课堂小结：先由学生自主小结整理，分组展示，教师点评归纳。6．作业布置：课本“问题与练习”第3题。eq\o(\s\up7(),\s\do5(备课资料))“电学中的牛顿”——安培物理学家安培，1775年生于法国里昂。他从小就具有惊人的记忆力，几乎可以过目不忘，尤其在数学方面具有非凡的天赋，13岁就发表第一篇数学论文，论述了螺旋线。可是，在法国大革命时期，他的父亲被斩首。这一打击不仅使年轻的安培精神痛苦，并导致家境贫穷，使他失学了．在彷徨中，他读了哲学家卢梭的一本关于植物学的著作，它像火炬一样重新燃起了他对科学的热情，从此他更加刻苦地投入到自学中去。安培在学习和研究问题时，思想高度集中，专心致志，简直达到了那种忘我的痴迷程度。为了专心研究问题，怕别人来打扰他，安培就在自己的家门口贴上了一张“安培先生不在家”的字条。这样，来找他的人看到字条后就不会再敲门打扰他。有一天，他在家中思考一个问题，百思不得其解，便走出家门，一边散步一边思考这个问题。他在马路上走着走着，好像突然想起了什么便转回身向家走去。他一边走一边还在聚精会神地思考着问题。当他返回自己的家门口时，抬头看见门上贴着“安培先生不在家”的那张字条，自言自