1.1《安培力》：定量探究安培力的大小 教学设计 -2023-2024学年高二下学期物理教科版（2019）选择性必修第二册

教科版高中物理选择性必修二第一章第一节《安培力》：定量探究安培力的大小 一、使用教材 本实验选自新版教育科学出版社普通高中教科书《物理选择性必修第二册》第一章《磁 场对电流的作用》第一节《安培力》。 二、实验器材 演示器材：金属导轨、金属棒、U形磁铁、电源、导线； 自制实验装置器材：励磁线圈、可调直流电源、手机磁传感器、亚力克板模具、电阻箱、多抽头方形线框、电子秤、开关、导线。 三、实验创新点/改进要点 （一）实验研究计划 新增探究安培力大小与磁感应强度的关系，并以定量的研究方式进行探究。 （二）自制实验探究装置 （1）用铜导线自制400匝励磁线圈，通以恒定电流，两圆形线圈之间能产生较强的匀强磁场，利用可调直流电源能达到控制磁场强弱的效果，利用手机上的磁传感器可以高精度测量磁感应强度的大小； （2）自制多抽头方形线框，可改变连接在电路中的匝数，从而实现改变通电导线所处匀强磁场中的有效长度。 （三）实验测量仪器/方法 （1）可调直流电源中的“电流显示”可直接显示所在回路中的电流大小，“电流显示”精度高、实时性强； （2）手机磁传感器测磁感应强度大小，精度高、实时性强； （3）高精度电子秤测安培力大小，效果显著、可操作性强； （4）利用可调直流电源中的“电压调节旋钮”，能方便快捷地改变方形线框所在回路中的电流大小，效果显著、可操作性强。 （四）实验探究数据的处理 利用Excel表格记录实验数据，用函数图象法分析实验数据，分析数据点迹分布趋势，绘制函数图像，从而推到物理规律。 四、实验原理/实验设计思路 给励磁线圈通电，两圆形线圈之间产生匀强磁场，将方形线框垂直匀强磁放置，并部分置于匀强磁场中，同时又置于电子秤上，电子秤显示其质量。按下“去皮”键，秤的示数归零。若给方形线框通电，方形线框会受到竖直方向上的安培力，电子秤增加或减少的重量等于安培力的大小。 五、实验教学目标 （一）物理观念 （1）通过安培力的学习，进一步培养学生关于电磁场的物理观念，掌握磁场对通电导线作用力的性质和原理； （2）当电流与磁场垂直时，F=BIL； （3）正确理解B、I、L的含义，会用公式计算安培力的大小。 （二）科学思维 能根据实验现象，构建通电导线在磁场中受力作用的物理模型，并对此现象有深入的思考，会进行定性到定量地全方位分析和理论推导，得出结论并作出解释。 （三）实验探究 在安培力的大小与哪些因素有关的实验探究中，会设计方案、制订计划，利用有效的物理方法进行科学探究。体会观察和记录实验要素的过程，体验如何才能从实验现象中总结出规律的科学方法，培养学生对实验数据的分析、归纳、总结能力。 （四）科学态度与责任感 通过实验探究，使学生感受探究自然规律的艰辛与不易，弘扬科学家在探究未知领域知识的伟大精神，培养学生的担当精神，学以致用、造福人类。 六、实验教学内容 （1）定性探究安培力的大小与电流、导线长度、磁场强弱、电流磁场夹角的关系； （2）引导学生设计定量探究安培力大小的实验方案； （3）介绍教师自制实验装置； （4）介绍实验基本原理； （5）教师示范探究安培力大小与磁感应强度的定量关系； （6）学生分组探究安培力大小与电流、导线长度的定量关系； （7）分析、归纳、总结，得出实验结论。 七、实验教学过程 以“怎么能让光滑金属杆上的金属棒运动起来，又能运动的很快？”引出安培力，进而引出安培力的大小，启发学生思考安培力的大小与哪些因数有关？引导学生感受安培力的大小与电流、导线长度、磁场强弱、磁场与电流夹角的定性关系。在启发学生思考：安培力的大小又与这些因素有什么定量的关系呢？ 教师启发诱导，引导学生设计定量探究安培力大小的实验方案，小组讨论交流，最终师生共同制定出实验探究方案。 教师介绍自制实验装置： （1）励磁电流：两通电圆形线圈之间可产生匀强磁场； （2）可调直流电源：可显示所在回路中的电流大小和改变回路中的电流大小； （3）手机磁传感器：测量磁感应强度； （4）电阻箱：保护电流、改变回路中的电流； （5）多抽头方形线框：可改变接入电路中的匝数，从而实现改变通电导线所在匀强磁场中的有效长度大小； （6）高精度电子称：利用“去皮键”，可测量出安培力的大小。 为大家介绍实验基本原理。给励磁线圈通电，两圆形线圈之间会产生匀强磁场，将方形线框垂直于匀强磁场放置，并部分处于匀强磁场中，并置于电子秤上，秤会显示方形线框的质量，按下“去皮”键，秤的示数归零。若给方形线框通电，左右两边导线电流方向相反，所受安培力相互抵消，由左手定则，上边导线所受安培力在竖直方向，秤增加或减少的重量等于安培力的大小。 需要注意的是，本实验探究都是建立在磁场与电流垂直的情况下进行的。展示实验的主要操作以及数据处理： 教师示范探究安培力的大小与磁感应强度的关系 （1）将方形线框放置在电子秤上，按下“去皮”键； （2）闭合方形线框所在回路开关； （3）给励磁线圈通电，记录磁传感器的示数和电子秤的示数； （4）改变励磁线圈中的电流，记录磁传感器的示数和电子秤的示数； （5）重复上述步骤。 （6）断开方形线框所在电路开关。 引导学生观察实验数据，发现实验数据的规律。建立坐标系，用图像法分析实验数据，添加趋势线，最终绘制出安培力大小与磁感应强度的函数图像，得出实验结论：当其他因素不变时，安培力的大小与磁感应强度成正比。 学生分组实验一：探究安培力大小与电流的关系 （1）闭合方形线框所在回路开关，记录方形线框的电流和电子秤的示数； （2）通过电阻箱调节回路中电流，记录方形线框的电流和电子秤的示数； （3）重复上述步骤； （4）断开方形线框所在电路开关； （5）对实验数据进行处理； （6）得出结论：当其他因素不变时，安培力的大小与电流大小成正比。 学生分组实验二：探究安培力大小与导线长度的关系 （1）闭合方形线框所在回路开关，记录方形线框的电流、匝数和电子秤的示数； （2）断开开关，改变方形线框的匝数，闭合开关，通过电源电压调节旋钮调节回路中电流保持不变，记录方形线框的匝数和电子秤的示数； （3）重复上述步骤； （4）断开方形线框所在电路开关； （5）对实验数据进行处理； （6）得出结论：当其他因素不变时，安培力的大小与导线长度成正比。 精确的实验研究表明：当通电导线与磁场垂直时，磁场对通电导线安培力的大小与导线中的电流、导线长度和磁感应强度成正比，用公式表示为：F=ILB。 八、实验效果评价 （1）自制励磁电流，得到较强的匀强磁场，能控制磁感应强度的大小，操作性强； （2）借助手机传感器测磁感应强度、电子秤测安培力，实验成本低、实验数据记录精度高、实时、快捷方便； （3）自制励磁电流产生较强磁场、自制多抽头线圈增大通电导线长度增大安培力，实验现象明显、大大降低了误差； （4）难点探究安培力大小的突破由定性变定量，可操作性强，成本低、准确度高，效果好； （5）自制教具还可继续完善，改进添加扭转装置还可定量探究安培力大小与磁场电流夹角的关系。 ( 1 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$