2022年高中物理人教版選修3-1 第三章第四節(jié) 磁場對通電導(dǎo)線的作用力 教案1三維目標知識與技能1知道什么是安培力，知道通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向與電流、磁場方向都垂直時，它的方向的判斷左手定則，知道左手定則的內(nèi)容，會用左手定則熟練地判定安培力的方向并會用它解答有關(guān)問題；2利用安培力公式FBIL解答有關(guān)問題，知道電流方向與磁場方向平行時，電流受的安培力等于零；電流方向與磁場方向垂直時，電流受的安培力最大，等于BIL；3了解磁電式電流表的內(nèi)部構(gòu)造和原理。 過程與方法通過演示、分析、歸納、運用，使學(xué)生理解安培力的方向和大小的計算，培養(yǎng)學(xué)生的空間想像力。情感、態(tài)度與價值觀1由個別事物的個性來認識一般事物的共性；2通過對磁電式電流表的內(nèi)部構(gòu)造的原理了解，感受物理知識之間的聯(lián)系。教學(xué)重點安培力的方向確定和大小計算。教學(xué)難點左手定則的運用（尤其是當(dāng)電流和磁場不垂直時，左手定則如何變通使用）。教學(xué)教具磁鐵、電源、金屬桿、導(dǎo)線、鐵架臺、滑動變阻器、多媒體。教學(xué)過程新課導(dǎo)入在第二節(jié)中我們已經(jīng)初步了解了磁場對通電導(dǎo)線的作用力。安培在研究磁場與電流的相互作用方面做出了突出的貢獻，為了紀念他，人們把通電導(dǎo)線在磁場中受到的力稱為安培力。本節(jié)我們將對安培力做進一步的討論。新課教學(xué)一、安培力安培力是以安培的名字命名的，因為他研究磁場對電流的作用力有突出的貢獻。通電導(dǎo)線在磁場中受到的力稱為安培力。二、安培力的方向1探究與安培力方向有關(guān)的因素【演示】按照下圖所示進行演示。1上下交換磁極的位置以改變磁場的方向，觀察受力方向是否改變。2改變導(dǎo)線中電流的方向，觀察受力方向是否改變。通過這兩種情況的分析，我們實際上已經(jīng)了解了導(dǎo)線受力的方向與磁場方向、電流方向的關(guān)系。你能用簡潔的方法表達這個關(guān)系嗎？結(jié)果：調(diào)換磁鐵兩極的位置來改變磁場方向，導(dǎo)體向相反的方向運動；改變電流方向，導(dǎo)體又向相反的方向運動。結(jié)論：安培力的方向與磁場方向、電流方向有關(guān)。2安培力方向的特點通電導(dǎo)線在磁場中所受的安培力的方向，既跟磁場方向垂直，又跟電流方向垂直。安培力的方向總是垂直于磁感線和通電導(dǎo)線所在的平面。F（B、I）所決定的平面3安培力方向的判斷左手定則如何判斷安培力的方向呢？安培力方向判斷符合左手定則。伸開左手，使拇指跟其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進入，并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的受力方向。這就是判斷通電導(dǎo)線在磁場中受力方向的左手定則。磁場、安培力的問題，在很多方面都與電場、庫侖力的問題相似。然而，安培力要比庫侖力復(fù)雜得多。研究庫侖力時，用來檢驗電場的是點電荷，檢驗電荷受力的方向與電場方向相同或相反；但在研究安培力時，與電場中的檢驗電荷作用相當(dāng)?shù)氖且粋€有方向的電流元，電流元受力的方向與磁場方向、電流元的方向三者不但不在一條直線上，而且不在一個平面里。因此，研究安培力的問題要涉及三維空間?！菊f明】（1）左手定則是一個難點，涉及三個物理量的方向，涉及三維空間，而學(xué)生的空間想像力還不強，所以引導(dǎo)學(xué)生如何將三維圖形用二維圖形表達(側(cè)視圖、俯視圖和剖面圖等)，還要引導(dǎo)學(xué)生如何將二維圖形想像成三維圖形?？蓪⒂覉D從側(cè)視圖、俯視圖和剖面圖引導(dǎo)學(xué)生展示。（2）一般情形的安培力方向法則介紹：電流和磁場可以不垂直，但安培力必然和電流方向垂直，也和磁場方向垂直，用左手定則時，磁場不一定垂直穿過手心，只要不從手背傳過就行。（3）至于大小法則，如果電流和磁場不垂直，則將磁場進行分解，取垂直分量代入公式即可；從這個角度不難理解如果電流和磁場平行，那么安培力是多少？（為零） 【課堂練習(xí)】判斷下圖中導(dǎo)線A所受磁場力的方向？ 答案：引導(dǎo)學(xué)生區(qū)別安培定則和左手定則，并且用這兩個定則去解釋“平行通電導(dǎo)線之間的相互作用”這一演示實驗，解釋時應(yīng)明白左邊的通電導(dǎo)線受到的安培力是右邊的通電導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場施加的，反之亦然。三、安培力的大小1安培力大小公式在第二節(jié)的學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)知道：垂直于磁場B放置、長為L的一段導(dǎo)線，當(dāng)通過的電流為I時，它所受的安培力F為FBIL當(dāng)磁感應(yīng)強度B的方向與導(dǎo)線的方向平行時導(dǎo)線受力為F0當(dāng)磁感應(yīng)強度B的方向與導(dǎo)線成角時，它可以分解為與導(dǎo)線垂直的分量B和與導(dǎo)線平行的分量B。BBsinBBcos其中B不產(chǎn)生安培力，導(dǎo)線所受的安培力只是B產(chǎn)生的，由此又得到FILBsinILB這是一般情況下安培力的表達式。2適用條件直導(dǎo)線，且導(dǎo)線所在位置的磁感應(yīng)強度相同?！菊f明】在推導(dǎo)公式時，要讓學(xué)生明確兩點：一是矢量的正交分解體現(xiàn)兩個分量與原來的矢量是等效替代的關(guān)系，二是從特殊到一般的歸納的思維方法。還應(yīng)該注意的是：盡管公式FILB是從公式BF/IL變形而得的，但兩者的物理意義卻有不同。公式BF/IL是根據(jù)放置于給定磁場中的給定點上的檢驗電流(電流元)受力情況，來確定這一位置的磁場的性質(zhì)，它對任何磁場中的任何點都是適用的。公式FILB則是在已知磁場性質(zhì)的基礎(chǔ)上，確定在給定位置上給定的一小段通電直導(dǎo)線的受力情況，在中學(xué)階段，它只適用于勻強磁場。物理公式在作數(shù)學(xué)的等價變形時，其物理意義和適用范圍將會發(fā)生變化。這是應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決物理問題時必須引起注意的問題，往往被忽視。四、磁電式電流表1電流表的組成及磁場分布請同學(xué)們閱讀課文，讓學(xué)生先看清楚磁鐵、鋁框、線圈、螺旋彈簧、極靴、指針、鐵質(zhì)圓柱等構(gòu)件，了解它們之中哪些是固定的，哪些是可動的。（1）電流表的組成電流表主要由哪幾部分組成的？電流表由永久磁鐵、鐵芯、線圈、螺旋彈簧、指針、刻度盤等六部分組成。注意：a鐵芯、線圈和指針是一個整體；b蹄形磁鐵內(nèi)置軟鐵是為了（和鐵芯一起）造就輻向磁場；c觀察鐵芯轉(zhuǎn)動時螺旋彈簧會形變。（2）電流表中磁場分布的特點問題：電流表中磁場分布有何特點呢？電流表中磁鐵與鐵芯之間是均勻輻向分布的。問題：什么是均勻輻向分布呢？所謂均勻輻向分布，就是說所有磁感線的延長線都通過鐵芯的中心，不管線圈處于什么位置，線圈平面與磁感線之間的夾角都是零度。該磁場并非勻強磁場，但在以鐵芯為中心的圓圈上，各點的磁感應(yīng)強度B的大小是相等的。問題：假如線圈轉(zhuǎn)動，磁鐵和鐵芯之間的兩個邊所經(jīng)過的位置其磁場強弱怎樣？假如線圈轉(zhuǎn)動，磁極和鐵芯之間的兩個邊所經(jīng)過的位置其磁場強弱是相同的。2電流表的工作原理引導(dǎo)學(xué)生弄清楚以下幾點：（1）線圈的轉(zhuǎn)動是怎樣產(chǎn)生的?當(dāng)電流通過電流表中的線圈時，導(dǎo)線受到安培力的作用，由左手定則可以判定，線圈左右兩邊所受的安培力的方向相反，于是安裝在軸上的線圈就要轉(zhuǎn)動。（2）線圈為什么不一直轉(zhuǎn)下去？線圈轉(zhuǎn)動時，螺旋彈簧變形，反抗線圈的轉(zhuǎn)動。（3）為什么指針偏轉(zhuǎn)角度的大小可以說明被測電流的強弱？電流越大，安培力就越大，螺旋彈簧的形變也就越大。所以，從線圈轉(zhuǎn)動的角度就能判斷通過電流的大小。（4）如何根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)的方向來確定電路上電流的方向？線圈中的電流方向改變時安培力的方向隨著改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨著改變。所以，根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測電流的方向。（5）電流表的刻度為什么是均勻的？電流表內(nèi)部磁場的兩極間裝有極靴，極靴中間又有一個鐵質(zhì)圓柱。這樣，極靴與圓柱間的磁場都沿半徑方向，線圈無論轉(zhuǎn)到哪個位置，它的平面都跟磁感線平行，線圈的受力情況相同，所以表盤的刻度就是均勻的了。（6）使用時要特別注意什么？磁電式儀表的優(yōu)點是靈敏度高，可以測出很弱的電流；缺點是繞制線圈的導(dǎo)線很細，允許通過的電流很弱（幾十微安到幾毫安）。如果通過的電流超過允許值，很容易把它燒壞。要測量較大的電流值，就要擴大量程?！咀鲆蛔觥啃D(zhuǎn)的液體小結(jié)本節(jié)課學(xué)習(xí)了磁場對通電導(dǎo)線的作用力，學(xué)習(xí)了安培力的概念，掌握了安培力方向的判斷方法和安培力大小的計算公式。作為應(yīng)用，又學(xué)習(xí)了磁電式電流表的構(gòu)造和工作原理。安培力是磁場力中的一種，通電導(dǎo)線在磁場中受到安培力的作用后，根據(jù)導(dǎo)體的運動狀態(tài)，可結(jié)合力學(xué)知識進行相關(guān)的運算。布置作業(yè)教材第94頁“問題與練習(xí)”。