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(jīng)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(jīng)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?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。 【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(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)的學習中我們已經(jīng)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(chǎn)生安培力，導線所受的安培力只是B⊥產(chǎn)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(xiàn)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(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，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(shù)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(shù)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(jīng)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(jīng)過的位置其磁場強弱是相同的。 2．電流表的工作原理 引導學生弄清楚以下幾點： （1）線圈的轉動是怎樣產(chǎn)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(jù)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(jù)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(jù)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”。