2019-2020年高中物理人教版選修3-1 第三章第四節(jié) 磁場對通電導線的作用力 教案1.doc

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2019-2020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問題； 2．利用安培力公式F＝BIL解答有關問題，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部構造和原理。 過程與方法 通過演示、分析、歸納、運用，使學生理解安培力的方向和大小的計算，培養(yǎng)學生的空間想像力。 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部構造的原理了解，感受物理知識之間的聯(lián)系。 教學重點 安培力的方向確定和大小計算。 教學難點 左手定則的運用（尤其是當電流和磁場不垂直時，左手定則如何變通使用）。 教學教具 磁鐵、電源、金屬桿、導線、鐵架臺、滑動變阻器、多媒體。 教學過程 ［新課導入］ 在第二節(jié)中我們已經初步了解了磁場對通電導線的作用力。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］ 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，我們實際上已經了解了導線受力的方向與磁場方向、電流方向的關系。你能用簡潔的方法表達這個關系嗎？ 結果：調換磁鐵兩極的位置來改變磁場方向，導體向相反的方向運動；改變電流方向，導體又向相反的方向運動。 結論：安培力的方向與磁場方向、電流方向有關。 2．安培力方向的特點 通電導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；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線在磁場中所受安培力的受力方向。 這就是判斷通電導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的是一個有方向的電流元，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。 【說明】 （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，而學生的空間想像力還不強，所以引導學生如何將三維圖形用二維圖形表達(側視圖、俯視圖和剖面圖等)，還要引導學生如何將二維圖形想像成三維圖形?？蓪⒂覉D從側視圖、俯視圖和剖面圖──引導學生展示。 （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】 判斷下圖中導線A所受磁場力的方向？ 答案： 引導學生區(qū)別安培定則和左手定則，并且用這兩個定則去解釋“平行通電導線之間的相互作用”這一演示實驗，解釋時應明白左邊的通電導線受到的安培力是右邊的通電導線所產生的磁場施加的，反之亦然。 三、安培力的大小 1．安培力大小公式 在第二節(jié)的學習中我們已經知道：垂直于磁場B放置、長為L的一段導線，當通過的電流為I時，它所受的安培力F為 F＝BIL 當磁感應強度B的方向與導線的方向平行時導線受力為 F＝0 當磁感應強度B的方向與導線成θ角時，它可以分解為與導線垂直的分量B⊥和與導線平行的分量B∥。 B⊥＝Bsinθ B∥＝Bcosθ 其中B∥不產生安培力，導線所受的安培力只是B⊥產生的，由此又得到 F＝ILBsinθ＝ILB⊥ 這是一般情況下安培力的表達式。 2．適用條件 直導線，且導線所在位置的磁感應強度相同。 【說明】 在推導公式時，要讓學生明確兩點：一是矢量的正交分解體現兩個分量與原來的矢量是等效替代的關系，二是從特殊到一般的歸納的思維方法。還應該注意的是：盡管公式F＝ILB是從公式B＝F/IL變形而得的，但兩者的物理意義卻有不同。 公式B＝F/IL是根據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，它對任何磁場中的任何點都是適用的。 公式F＝ILB則是在已知磁場性質的基礎上，確定在給定位置上給定的一小段通電直導線的受力情況，在中學階段，它只適用于勻強磁場。 物理公式在作數學的等價變形時，其物理意義和適用范圍將會發(fā)生變化。這是應用數學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 請同學們閱讀課文，讓學生先看清楚磁鐵、鋁框、線圈、螺旋彈簧、極靴、指針、鐵質圓柱等構件，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．蹄形磁鐵內置軟鐵是為了（和鐵芯一起）造就輻向磁場；c．觀察──鐵芯轉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，各點的磁感應強度B的大小是相等的。 問題：假如線圈轉動，磁鐵和鐵芯之間的兩個邊所經過的位置其磁場強弱怎樣？ 假如線圈轉動，磁極和鐵芯之間的兩個邊所經過的位置其磁場強弱是相同的。 2．電流表的工作原理 引導學生弄清楚以下幾點： （1）線圈的轉動是怎樣產生的? 當電流通過電流表中的線圈時，導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動。 （2）線圈為什么不一直轉下去？ 線圈轉動時，螺旋彈簧變形，反抗線圈的轉動。 （3）為什么指針偏轉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，從線圈轉動的角度就能判斷通過電流的大小。 （4）如何根據指針偏轉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，指針的偏轉方向也隨著改變。所以，根據指針的偏轉方向，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？ 電流表內部磁場的兩極間裝有極靴，極靴中間又有一個鐵質圓柱。這樣，極靴與圓柱間的磁場都沿半徑方向，線圈無論轉到哪個位置，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。 【做一做】 旋轉的液體 ［小結］ 本節(jié)課學習了磁場對通電導線的作用力，學習了安培力的概念，掌握了安培力方向的判斷方法和安培力大小的計算公式。作為應用，又學習了磁電式電流表的構造和工作原理。 安培力是磁場力中的一種，通電導線在磁場中受到安培力的作用后，根據導體的運動狀態(tài)，可結合力學知識進行相關的運算。 ［布置作業(yè)］ 教材第94頁“問題與練習”。