1.1.2 磁场对通电导线的作用力 安培力的大小及应用 教学设计 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

第2课时安培力的大小及应用 教学案例设计 教学指导 目标素养 1.物理观念：在得出安培力表达式的过程中，进一步认识磁场对通电导体产生的安培力。 2.科学思维：经历一般情况下安培力表达式的得出过程，体会矢量分析的方法。 3.科学探究：通过设计实验，认识影响安培力大小的因素。 4.科学态度与责任：观察磁电式电流表的结构，知道磁电式电流表的工作原理，体会物理知识与科学技术的关系；了解安培力在生产、生活中的应用，会分析与安培力有关的实际问题。 重点难点 重点 1.安培力的大小。 2.磁电式电流表的结构。 难点 安培力的大小。 教学准备 教师准备 1.准备安培力实验器。 2.制作本节课的多媒体课件。 学生准备 预习本节课的内容。 导入新课 导入一(实验导入) 教师上节课中，我们通过实验得到了判断安培力方向的左手定则。那么，该如何求解安培力的大小呢?安培力的大小又与哪些因素有关呢? 首先，我们需要通过实验探究影响安培力大小的因素。这里我们要用到安培力实验器(如图所示)。 导入二(问题导入) 教师上节课中，我们通过实验得到了判断安培力方向的左手定则。探究实验中，当改变电流方向与磁场方向的夹角时，通电导体仍可能受到安培力的作用，但当电流方向与磁场方向平行时，通电导体并没有受到安培力的作用。这个实验说明了什么问题呢? 教学过程 环节一：探究安培力大小的影响因素 思路一 教师提出问题：安培力的方向可以用左手定则判断，那么，该如何得到安培力的大小呢? 展示安培力实验器(如图甲所示)，并介绍其结构和使用方法。 安培力实验器的简化图如图乙所示。 引导学生思考： ①安培力实验器中的数据显示器，显示的是哪个物理量的读数? ②如何能直接得到安培力的大小? 学生观察实验仪器并思考。 教师提出问题：在探究安培力方向的实验中，当通电导体与磁场方向不垂直时，可以观察到哪些现象? 学生思考并回答：当通电导体与磁场方向不垂直时，通电导体仍可能受到安培力的作用。在条件不变的情况下，通电导体受到的安培力与垂直时相比变小了。当通电导体与磁场方向平行时，通电导体不再受到安培力的作用。 教师提出问题：上述实验说明了什么问题? 学生思考并回答：说明安培力的大小与通电导体中的电流方向与磁场方向的夹角有关。 教师提出问题：安培力的大小除与电流方向与磁场方向的夹角有关外，还可能与哪些因素有关呢?请结合安培力的概念进行分析。 学生思考并回答：安培力是通电导体在磁场中受到的力。因此，安培力的大小还可能与通电导体中的电流大小有关。 教师提出问题：既然安培力是通电导体在磁场中受到的力，如果通电导体没有放在磁场中，就不受安培力的作用，由此你认为安培力的大小还应与哪些因素有关呢? 学生思考并回答：可能还与通电导体在磁场中的长度有关。 师生总结：结合上述分析，安培力的大小可能与电流与磁场的夹角θ、电流大小I和通电导体在磁场中的长度l有关。 教师下面我们就通过实验来进一步研究它们之间的关系。 (1)实验方案设计： 实验原理：控制变量法。 实验方案： a.保持通电电流I的大小和磁感应强度B不变，探究F安与夹角θ的关系。 b.保持磁感应强度B和夹角θ不变，改变通电电流I的大小，探究探究F安与通电电流I的关系。 c.保持通电电流I的大小和夹角θ不变，改变磁感应强度B，探究F安与磁感应强度B的关系。 d.保持通电电流I的大小、磁感应强度B和夹角θ不变，改变通电导线在磁场中的长度l，探究F安与导线长度l的关系。 (2)进行实验探究： ①按图丙所示的电路图连接电路，安装安培力实验器。 ②接通电源，改变通电电流与磁场方向的夹角，从(逐渐增加至观察并记录数据显示器示数的变化情况。 学生将数据记录在表格中。 实验次数 角度θ 力F/N … 1 0° 0 2 15° 0.044 3 30° 0.069 4 45° 0.085 5 60° 0.096 6 75° 0.101 … … … 教师该如何得到角度θ和力F的关系呢? 学生可以利用EXCEL表格拟合数据来找到数据之间的关系，如图丁所示。 实验次数 角度θ sinθ 力F/N 1 0° 0 0 2 15° 0.29 0.044 3 30° 0.50 0.069 4 45° 0.71 0.085 5 60° 0.87 0.096 6 75° 0.97 0.101 … … ... 教师从得到的图像中可以观察到力与角度的关系满足三角函数关系，为进一步确定关系，可以将数据处理后填入下面的表格中。 接下来，该如何确定F与sinθ的关系呢? 学生可以画出F与sinθ的图像，如图戊所示。 教师通过上述分析，可进一步得到安培力F安与角度θ的关系。那么，它们之间的关系是怎样的呢?学生F安与sinθ成正比。 教师接下来，我们通过实验来探究F安与通电电流I的大小的关系。按照图己所示的电路图连接电路，调节滑动变阻器，改变电路中电流I的大小，观察并记录数据显示器的示数。 学生观察并记录数据，将数据记录在下面的表格中。 实验次数 电流I/A 力F/N 1 0 0 2 0.06 0.017 3 0.1 0.028 4 0.14 0.037 5 0.2 0.053 6 0.24 0.065 7 0.3 0.082 8 0.4 0.101 教师依据表格中的数据来绘制图像，如图庚所示。 根据图像，请大家分析一下，F安与电流I的关系如何? 学生在误差允许范围内，F与I成正比。 教师要研究F安与磁感应强度B的关系，需要改变B的大小。那么，该如何改变B的大小呢? 学生可以通过改变电流的大小，进而改变电流周围磁感应强度的大小。 教师如果不知道电流与其周围磁感应强度的定量关系，或不借助测量磁感应强度的仪器，我们无法进一步进行实验。但大量实验研究表明，通电导体所受的安培力F安与磁感应强度B的大小成正比，即F安∞B。 接下来，我们利用安培力实验器，保持电流I的大小、磁感应强度B的大小和夹角θ不变，探究通电导线所受的安培力F安与导线长度l的关系。 师生进行实验探究，并得出结论：通电导线所受的安培力F按与导线长度l成正比。 教师请根据上述研究，得出安培力大小的表达式。 学生其中θ为电流方向与磁感应强度方向的夹角。 教师上述公式中的安培力F安、电流I、导线长度l和磁感应强度B均取国际单位，即牛顿(N)、安培(A)、米(m)、特斯拉(T),此时k=1,于是得到如果电流方向与磁感应强度方向垂直，则有 思路二 教师在物理必修第三册关于磁场知识的学习中，通过实验探究得出了垂直于磁场B的方向放置的长度为l的一段导线，当通过的电流为I时，它所受到的安培力为F=IlB。其中力F、电流I、导线长度l、磁感应强度B的单位分别为牛顿(N)、安培(A)、米(m)、特斯拉(T)。 在研究安培力的方向时，通过实验我们发现，改变电流I的方向与磁感应强度B的方向的夹角θ时，会影响安培力的大小。那么，安培力的大小与二者的夹角θ之间有怎样的关系呢? 在实验中我们发现，当磁感应强度B的方向与通电导线的方向平行时，导线受力为0。如果通电导线中的电流方向与磁场方向既不垂直也不平行时，我们应该如何计算安培力呢?下面我们就来讨论一下图甲所示的情况。 学生因为磁感应强度B是矢量，可以将磁感应强度B分解。如图乙所示，可以得到 教师此时导体受到的安培力多大? 学生By对通电导线没有作用力，因此导体受到的安培力为 教师根据左手定则，此时导体受到的安培力的方向如何? 学生安培力的方向如图丙所示。 教师这里得出的是一般情况下的安培力的表达式。 环节二：理论联系实际，应用安培力分析问题 教师通电导体在磁场中受到安培力在实际中有很多应用。例如，实验室中常用的磁电式电流表，其原理就是通电线圈在磁场中受到安培力而转动。 下面我们就具体学习一下磁电式电流表的相关内容。请大家观察磁电式电流表的结构(如图甲所示)，并思考下列问题： ①指针为什么偏转? ②线圈为什么偏转? ③线圈能够一直向某一方向偏转吗? ④为什么指针偏转角度的大小可以表明被测电流的强弱? ⑤如何根据指针偏转的方向来确定电路中电流的方向? ⑥使用时要特别注意什么? 学生观察磁电式电流表并分析。 教师要分析上述问题，要先画出磁体和线圈的部分，以及其内部磁场的分布，如图乙所示 学生思考、讨论后回答：通电线圈在磁场中受到安培力的作用而发生转动，从而带动指针转动。线圈转动时，使螺旋弹簧发生形变，进而反抗线圈的转动。因此线圈不会一直向某一方向转动。线圈中的电流越大，线圈受到的安培力越大，使螺旋弹簧的形变也越大，因此线圈偏转的角度也越大，达到新的平衡，所以从线圈偏转的角度就能够判断出通过的电流的大小。当线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随之改变，指针的偏转方向也随着改变。所以根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向。 教师电流表的两磁极装有极靴，极靴中间还有一个用软铁制成的圆柱。极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，如图丙所示。线圈无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等。 磁电式电流表的优点是灵敏度高，可以测出很弱的电流，缺点是线圈的导线很细，允许通过的电流很弱(几十微安到几毫安)。因此使用时要注意不要超过量程。 核心总结 本节课的主要内容是安培力大小的表达式，以及安培力知识的应用。在开展实验探究前，需要先依据要研究的问题，进行猜想，设计方案，然后再进行实验研究。这样可以使学生进一步认识基于实验研究问题的一般思路和方法。在进行数据分析的过程中，要引导学生掌握应用三角函数知识分析角度与物理量关系的方法。在实际教学中，可以直接得出安培力的一般表达式；也可先进行相互垂直的现象分析，得出结论，再由特殊到一般，得出普遍适用的表达式。对于磁电式电流表原理的学习，关键是使学生认识到物理知识与科学技术间的联系。 板书设计 第1节磁场对通电导线的作用力 第2课时安培力的大小及应用 1.探究安培力大小与哪些因素有关 (1)设计实验方案 (2)进行实验探究 (3)总结实验结论 2.磁电式电流表 (1)结构 (2)工作原理 教学研讨 在本节课中，通过实验得出安培力表达式的过程需要用到传感器，教师可就此进行简要讲解，让学生明白其对应关系即可。如有条件，建议让学生经历完整的探究安培力影响因素及其表达式得出的过程，尤其是基于实验数据进行分析的过程。在应用传感器时，用到了转换的思想方法，教学时可针对具体的实际问题的分析，帮助学生体会转换的思想方法在分析物理问题中的重要性。在学习磁电式电流表的相关内容时，可以提供多个磁电式电流表，最好能让学生分组完成分析和讨论。在此过程中，可以提升学生解决实际问题的能力，同时帮助学生深入体会物理知识对科学技术发展的重要意义。 学科网（北京）股份有限公司 $$