1.1磁场对通电导线的作用力 教学设计-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

1. 1磁场对通电导线的作用力教学设计 教材分析 安培力是电磁学中连接电场与磁场的重要概念，在知识体系上既承接了库仑力的场作用思想，又为后续洛伦兹力的学习奠定基础。其核心在于建立电流元在磁场中受力的定量关系，通过左手定则构建方向判断的三维空间思维。教材采用实验探究与理论推导相结合的方式，先通过蹄形磁体演示实验建立方向关系的感性认识，再借助矢量分解推导一般情况下的安培力公式，最后应用磁电式电流表实例体现知识价值。学习难点集中体现在三维空间关系的想象与理解上：一是安培力方向始终垂直于与所确定的平面这一空间特性，二是当角变化时的分解原理。学生容易混淆平行分量不产生安培力的条件，且在电流表工作原理中难以建立极靴形成的径向磁场与线圈偏转的因果关系。教学中需强化左手定则的三维演示，通过对比库仑力与安培力的方向特性差异，帮助学生突破空间思维障碍，理解电磁相互作用的多维性。 学情分析 学生已掌握电流、磁场的基本概念及矢量合成初步知识，具备一定空间想象能力。高中学生在学习安培力时，对三维空间方向关系理解存在困难，易混淆电流、磁场与受力方向的关系，依赖直观模型和动手操作提升认知。本节重点是左手定则判断安培力方向及公式的应用，难点在于空间立体方向的分析与分解，要求学生具备较强的方向判别和矢量分解能力，教学中需强化实验观察与手势辅助记忆，帮助学生建立空间模型与物理规律的联系。 教学目标 物理观念： 能够运用左手定则判断安培力方向，掌握安培力大小计算公式及其适用条件。 科学思维： 能够通过实验现象归纳安培力方向规律，运用矢量分解方法分析非垂直情况下的安培力。 科学探究： 能够设计实验探究安培力方向与磁场、电流方向的关系，分析磁电式电流表的工作原理。 科学态度与责任： 能够认识安培力在科技应用中的重要性，培养对电磁学研究的兴趣和严谨的科学态度。 重点难点 教学重点： 通过实验观察，理解安培力方向与电流、磁场方向的关系 通过左手定则应用，掌握判断安培力方向的基本方法 教学难点： 通过三维空间分析，理解安培力方向与磁场、电流方向的垂直关系 通过矢量分解，掌握安培力大小公式 的推导与应用 课堂导入 同学们，你们是否注意过地铁站里的安检门？当有人携带金属物品通过时，机器会发出警报声。这背后隐藏着一个有趣的物理现象：金属在磁场中会产生特殊反应。更神奇的是，如果给金属通电，它还会在磁场中"动"起来。1820年，奥斯特发现电流能影响磁针偏转后，安培立即展开了深入研究，他观察到通电导线在磁场中会受到一种特殊力的作用。那么，这种力究竟遵循怎样的规律？它的大小和方向又由哪些因素决定呢？ 安培力的方向 探究新知 创设情景 在教室的实验台上，老师将一根金属导体棒悬挂在蹄形磁体的两极之间，导体棒两端连接电源。当电路接通时，导体棒突然向一侧摆动。同学们观察到：只要通电，导体棒就会受到某种“推力”而运动。这种力既不是重力，也不是摩擦力，它来自电流与磁场的相互作用。 问题探讨 问题： 问题1： 导体棒通电后为什么会发生摆动？这说明了什么物理现象？ 问题2： 如果只改变磁铁的南北极位置，导体棒的摆动方向会发生变化吗？ 问题3： 若保持磁场方向不变，仅调换电源正负极，导体棒受力方向是否改变？ 问题4： 安培力的方向与电流方向、磁场方向之间是否存在确定的空间关系？ 探讨： 问题1： 导体棒通电后形成电流，在磁场中受到力的作用而摆动，说明通电导线在磁场中会受到力的作用，这种力称为安培力。 问题2： 当交换磁极后，磁场方向反转，实验发现导体棒摆动方向也随之改变，说明安培力方向与磁场方向有关。 问题3： 改变电流方向后，导体棒受力方向也发生改变，表明安培力方向依赖于电流方向。 问题4： 多次实验表明，安培力方向总是既垂直于电流方向，又垂直于磁感应强度方向，三者构成三维空间中的相互垂直关系。通过左手定则可准确判断：让磁感线垂直穿入掌心，四指指向电流方向，拇指所指即为安培力方向。 归纳总结 1. 通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流方向、磁感应强度的方向都垂直。 2. 安培力的方向可用左手定则判定：伸开左手，使拇指与其余四指垂直且在同一平面内；让磁感线从掌心垂直进入，四指指向电流方向，拇指所指方向即为安培力方向。 3. 安培力涉及三维空间方向关系，不同于电场力的共线特性。 概念深化 问题 为什么不能用右手来判断安培力方向？如果误用右手定则会带来什么后果？ 答案 因为左手定则是根据大量实验事实总结出的规律，其物理基础是洛伦兹力的方向特性。若使用右手，四指指向电流方向、掌心迎向磁场时，拇指所指方向将与实际受力方向相反，导致判断错误。例如在电动机中，这会使转子转动方向颠倒，影响设备正常工作。因此必须严格使用左手定则，以确保方向判断的准确性。 安培力的大小 探究新知 创设情景 在实验室中，同学们用导线连接电池和小灯泡，形成闭合电路。当导线靠近磁铁时，发现导线受到明显的推力或拉力作用，甚至发生轻微摆动。这种现象说明通电导线在磁场中会受到力的作用。此前我们已经学习了当导线与磁场垂直或平行时的受力情况，但在实际操作中，导线往往以任意角度放置于磁场中。 问题探讨 问题： 问题1： 当导线与磁场方向垂直时，安培力的大小如何计算？ 问题2： 若导线与磁场方向完全平行，为什么观察不到明显的运动？ 问题3： 当导线与磁场成一定角度时，能否直接使用计算安培力？ 问题4： 如何将斜向的磁感应强度分解为对安培力有贡献的分量？ 问题5： 安培力的大小与角度之间存在怎样的定量关系？ 探讨： 问题1： 实验表明，当电流方向与磁场方向垂直时，安培力达到最大值，其大小为，这是已知的基础公式。 问题2： 当导线与磁场平行时，无论电流多大，导线几乎不受力，说明此时磁场对电流没有作用效果，即。 问题3： 若直接套用，会导致结果偏大，因为并非整个磁场都参与产生安培力。必须考虑方向的影响。 问题4： 根据矢量分解原理，可将分解为垂直于电流的分量和平行于电流的分量。只有垂直分量对安培力有贡献。 问题5： 将代入原公式，得，表明安培力随角度的正弦变化，在垂直时最大，平行时为零。 归纳总结 1. 当通电导线与磁感应强度方向垂直时，安培力大小为。 2. 当通电导线与磁感应强度方向平行时，安培力为0。 3. 当通电导线与磁感应强度方向夹角为时，安培力大小为。 4. 安培力的方向由左手定则确定，且仅由的垂直于电流方向的分量决定。 概念深化 问题 为什么安培力只与磁感应强度的垂直分量有关，而平行分量不产生作用？ 答案 磁场对通电导线的作用源于运动电荷在磁场中受到的洛伦兹力。当电荷沿导线运动时，若磁场方向与电荷运动方向平行，则洛伦兹力为零；只有当磁场有垂直于电荷速度方向的分量时，才会产生偏转力。因此，宏观上的安培力仅由的垂直分量引起，平行分量不施加力，故对安培力无贡献。 磁电式电流表 探究新知 创设情景 在实验室中，我们常用电流表测量电路中的电流大小。观察电流表的指针，当电路接通时，指针会从零刻度偏转到某一位置；改变电源正负极后，指针偏转方向也随之改变。这种指针的转动并非由电动机驱动，而是源于电流与磁场之间的相互作用。 问题探讨 问题： 问题1： 为什么通电后电流表的指针会发生偏转？ 问题2： 线圈在磁场中受力转动的原因是什么？如何判断安培力的方向？ 问题3： 为什么线圈偏转角度能反映电流大小？ 问题4： 线圈转动过程中，磁场方向与线圈平面的关系对安培力有何影响？ 探讨： 问题1： 指针的偏转是由通电线圈在磁场中受到安培力作用而发生转动引起的。线圈固定在转轴上，当电流通过时，其两侧导线在磁场中受力，形成力偶，使线圈转动。 问题2： 根据左手定则，伸开左手，让磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，则拇指所指方向即为安培力方向。线圈左右两边电流方向相反，因此两边所受安培力方向也相反，形成转动力矩。 问题3： 线圈转动时，螺旋弹簧被扭转，产生阻碍转动的恢复力矩。电流越大，安培力越大，线圈偏转角度越大，直到安培力矩与弹簧恢复力矩平衡。因此，偏转角度与电流大小成正比。 问题4： 极靴与铁质圆柱使磁场始终沿半径方向分布，保证线圈在任意位置时其平面都与磁感线平行，两侧导线处的磁感应强度大小相等且方向始终垂直于电流方向，从而使安培力大小稳定，提高测量准确性。 归纳总结 1. 磁电式电流表的基本结构包括磁体、线圈、螺旋弹簧、指针和刻度盘。 2. 通电线圈在磁场中受到安培力作用，依据左手定则判断力的方向，线圈因受力方向相反而发生转动。 3. 螺旋弹簧的形变产生反向力矩，与安培力矩平衡时线圈停止转动，偏转角度反映电流大小。 4. 极靴与铁质圆柱使磁场沿半径方向分布，确保线圈在任何位置时平面均与磁感线平行，两侧安培力大小恒定。 5. 电流方向改变时，安培力方向随之改变，指针偏转方向也改变，可据此判断电流方向。 6. 磁电式电流表灵敏度高，但允许通过的电流小，需扩大量程才能测量较大电流。 概念深化 问题 为什么磁电式电流表的磁场要设计成沿半径方向分布？若磁场是匀强且方向不变的，会对测量造成什么影响？ 答案 半径方向的磁场确保线圈在转动过程中其平面始终与磁感线平行，使得线圈两边导线所在处的磁感应强度方向始终垂直于电流方向，安培力大小恒定，偏转角度与电流成正比，实现线性刻度。若磁场为方向不变的匀强磁场，线圈转动后其平面将不再与磁感线平行，导致安培力力臂变化，力矩随角度改变而不成正比，造成刻度不均匀，影响读数准确性。 课堂练习 第1题 【题文】如图所示，水平放置的U形导线框中接有电源，电流为I，导线框垂直于匀强磁场放置，磁感应强度大小为B，导线框间距为d。一导体棒与竖直虚线成θ角放置，则导体棒所受安培力的大小和方向分别为(　　) A．BId，方向水平向右 B．，方向水平向右 C．BId sin θ，方向垂直导体棒向左 D．，方向垂直导体棒向右 【答案】D 第2题 【题文】由三段长度均为的相同电阻丝组成的等边三角形导体框，垂直磁场放置，用绝缘细线悬挂于天花板上处于静止状态，导体框处在匀强磁场中，磁场方向垂直于导体框环面向外，磁场的磁感应强度大小为，导体框、两点连有轻质软导线，导体框质量为、重力加速度为，通过软导线给导体框通入恒定电流，结果悬线作用力恰好为零，不计软导线对导体框的作用力，下列说法正确的是（       ） A．导体框中电流从点流入 B．通过软导线的电流大小为 C．、两点间电阻丝受到的安培力大小为 D．、和、间电阻丝受到的安培力合力的大小为 【答案】D 课堂总结 定义：通电导线在磁场中受的力 特点 ： 方向关系：安培力方向与电流、磁场均垂直 判定方法：左手定则——磁感线入掌心，四指指电流，拇指指安培力方向 三维特性：涉及空间方向，不同于平面受力 公式 ： （电流⊥磁场） （一般情况） 平行时受力为0 应用 ： 磁电式电流表：利用安培力驱动线圈偏转测电流 灵敏度高，量程小，可扩程测大电流 教学反思 本节课围绕安培力方向和大小的探究展开，通过演示实验引导学生观察安培力与磁场方向、电流方向的关系，运用左手定则进行判断，并推导安培力计算公式，最后结合磁电式电流表分析安培力的实际应用。教学基本达成目标，约80%学生能正确运用左手定则判断安培力方向，但在计算非垂直情况下的安培力大小时存在困难。成功之处在于实验演示直观有效，通过磁场方向、电流方向的变量控制，帮助学生建立空间思维；不足之处是三维空间关系的理解不够深入，部分学生在处理角度θ变化时的矢量分解存在困惑，需增加立体模型的动态演示和变式练习来强化空间想象能力。 学科网（北京）股份有限公司 $