1. 磁场对通电导线的作用力（教学设计）物理人教版选择性必修第二册

该高中物理教学设计聚焦磁场对通电导线的作用力（安培力），核心知识包括方向判断（左手定则）、大小计算（F=BILsinθ）及应用。通过回顾磁感应强度、安培定则等旧知，结合播放简易电动机转动、电磁炮射弹视频创设情境，构建新旧知识衔接的学习支架。 资料特色在于融合科学思维与科学探究，采用控制变量法实验验证安培力影响因素，通过12个典型情境突破三维空间判断难点，结合磁电式电流表原理推导培养模型建构能力。联系电动机、电磁炮等实际应用，提升学生科学态度与责任，为教师提供清晰的重难点突破策略和丰富教学资源。

1、磁场对通电导线的作用力 一、教学目标 物理观念 · 形成 “磁场对电流有力的作用” 这一核心观念 · 理解安培力公式 F＝BILsinθ 的物理意义 · 认识电磁相互作用的本质，明确安培力方向与磁场方向、电流方向的垂直关系。 科学思维 · 通过模型建构与逻辑推理，理解安培力公式的推导过程（磁场分解法）； · 能运用左手定则和安培力公式分析三维情境中的受力问题，培养分析、推理和建模能力； · 掌握电流元法、等效法等分析导体运动的科学方法。 科学探究 · 养成严谨求实的科学态度，尊重实验事实和客观规律； · 认识安培力在电磁炮、电动机等工程技术中的关键应用，体会物理学对科技发展的推动作用，增强社会责任感和科技自信。 科学态度与责任 · 在实验中培养严谨求实的科学态度和勇于探究的精神； · 激发对物理学习的兴趣，增强对自然现象的好奇心和求知欲； · 认识液体压强与人类生活的密切关系，增强关心社会和自然的责任感。 二、教学重难点 重点： · 安培力方向的判断：熟练掌握左手定则的内容及应用。 · 安培力大小的计算：理解公式 F＝BILsinθ 中各物理量的含义及适用条件。 · 实验探究：通过控制变量法验证安培力的影响因素，理解实验设计的逻辑。 难点： · 空间思维突破：在三维情境中准确运用左手定则判断安培力方向。 · 公式理解：准确把握 “电流与磁场方向夹角” 的物理意义，掌握 “不垂直变垂直” 的分解思路。 · 原理分析：磁电式电流表中 “均匀辐向磁场” 的作用及工作原理的逻辑推导。 三、教学过程 （一）教学引入 知识回顾 回顾旧知：通过提问引导学生梳理核心知识： 磁感应强度 B 的物理意义是什么？单位是什么？ 安培定则（右手螺旋定则）适用于什么场景？如何判断直线电流、环形电流的磁场方向？ 磁通量的定义式是什么？其物理意义是？ 情境导入：播放 “自制简易电动机转动” 和 “电磁炮高速射弹” 视频，提出问题： 电动机的转子为何能持续转动？电磁炮的炮弹为何能获得巨大速度？ 心形线圈通电后为何会转动？引发学生思考，引出课题 —— 磁场对通电导线的作用力（安培力）。 （二）新课讲授 学习新课 一、安培力的方向 （一）研究安培力的方向与哪些因素有关 【引导提问】引导学生结合生活经验和旧知，猜想安培力方向可能与哪些因素有关？ 【分析】电流方向、磁场方向 【提问】研究多变量实验设计应使用什么方法？ 【分析】控制变量法 解析：需分别控制磁场方向、电流方向不变，改变另一变量，观察安培力方向变化，确保实验结论的唯一性 【展示图片】图中电流沿什么方向？磁场沿什么方向？如何改变电流方向？如何改变磁场方向？ 【播放视频】提醒学生: ① 保持磁场方向不变（上 N 下 S），改变电流方向，观察导线摆动方向； ② 保持电流方向不变，改变磁场方向（上 S 下 N），观察导线摆动方向。 【引导】一起填写表格： 实际情境 平面图 F F F 磁场方向 向上 向下 向下 电流方向 垂直纸面向里 垂直纸面向里 垂直纸面向外 安培力方向 水平向右 水平向左 水平向右 【小组讨论】思考安培力方向与电流方向、磁场方向存在怎么样的关系？能否总结一个判断安培力方向的方法？ 【小组展示】 【总结结论】 结论 1：安培力方向既垂直于电流方向，又垂直于磁场方向，涉及三维空间关系。 安培力方向始终垂直于电流和磁场所在的平面，即 F⊥I、F⊥B，但 I 与 B 不一定垂直 结论 2：安培力方向与电流方向、磁场方向直接相关。 改变任一方向，安培力方向反向 （二）左手定则探究 【教师讲授】左手定则内容并归纳核心 伸开左手，使拇指与其余四指垂直且共面；让磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，大拇指所指方向即为安培力方向。 【教师讲授】三维情境的简化方法： 垂直纸面向里的磁场用 “×” 表示，垂直纸面向外用 “·” 表示； 垂直纸面向里的电流用 “⊗” 表示，垂直纸面向外用 “⊙” 表示。 【展示】展示 12 个典型情境，学生用左手定则判断安培力方向，教师巡视指导并纠错。 根据左手定则，判断下列情境中安培力方向： 解析： 磁场垂直纸面向里（×），电流水平向右（→） → 安培力方向：竖直向上； 磁场水平向左（←），电流垂直纸面向外（⊙）→ 安培力方向：竖直向下。 【提问】当电流与磁场方向不垂直时，如何判断安培力方向？ 解析：安培力方向仍垂直于电流和磁场所在平面，可先确定两方向所在平面，再用左手定则判断垂直于该平面的方向 注意：F一定与B垂直，一定与I垂直，即安培力垂直于电流和磁场所在的平面.但B与I 不一定垂直.磁感线不再垂直穿过手心． （三）比较安培定则与左手定则的区别 【展示表格】学生逐项思考回答 比较项目 安培定则(右手螺旋定则) 左手定则 适用对象 研究电流与其产生磁场的方向关系 研究通电导线(运动电荷)在磁场中受力时，F、I(v)、B的方向关系 电流和磁场关系 同时存在、同时消失 可单独存在(磁场是外加磁场，而非通电导线产生的磁场) 因果关系 电 流 ( 因 ) → 磁 场(果) 磁场、电流(因)→通电导线的力(果) 选用条件 知磁感线方向(果),判断产生磁场的电流方向(因) 知导线所受安培力方向(果)和磁场方向，判断电流方向(因) （四）探究通电平行直导线间的作用力 【提问】两根通电平行直导线之间是否存在相互作用力？方向与电流方向有关吗？ 【播放视频】观察通同向、反向电流时导线的运动情况。 现象记录与结论： 电流方向关系 导线运动现象 作用力关系 同向电流 相互靠近 相互吸引 反向电流 相互远离 相互排斥 【引导思考】现在你能解释必修三中通电导线间相互作用力的实验现象了吗？如图所示，两条平行的通电直导线之间会通过磁场发生相互作用：同向电流相互吸引，反向电流相互排斥，请用学过的知识加以分析。 ① 导线 CD 通电流 I₂，根据安培定则，在导线 AB 处产生的磁场方向垂直纸面向里（×）； ② 导线 AB 通电流 I₁，在该磁场中受安培力，由左手定则判断方向指向 CD（吸引）； ③ 同理，导线 CD 在导线 AB 的磁场中受安培力指向 AB，故同向电流相互吸引； ④ 反向电流时，磁场方向反向，安培力方向反向，故相互排斥。 结论：相互作用力通过磁场传递，同向吸引、反向排斥 【提问】直线电流与通电线框如何作用？ 答案：吸引 拓展思考：环形电流的相互作用 【播放视频】 “弹簧通电后收缩” 实验（或播放视频），引导学生用 “同向电流相互吸引” 解释。提问：柔软弹簧通电后为何收缩？能否使用同向电流相互吸引来解释这一现象？ 现象：通电后弹簧 收缩。 解析：弹簧各圈导线为 同向电流，相互吸引导致弹簧收缩。 【学生讨论】两相互垂直的通电直导线的有怎样的相互作用？ 【总结归纳】教师总结归纳解题思路：先画磁场，再判受力，找关键帧，判定过程 【拓展提问】相互垂直的环形之间的相互作用。 ① 左侧电流元：在 AB 的磁场中（由安培定则判断磁场方向），受安培力向上； ② 右侧电流元：受安培力向下； ③ 整体表现为 顺时针转动（从上往下看），同时靠近 AB（转动后电流方向与 AB 同向，相互吸引）。 【提问】竖直圆形线圈固定，水平线圈可绕纸面内水平轴转动，如何运动？ 答案：转到同向平行方向 （五）分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法 【教师讲授】分析导体在磁场中运动情况的几种常用方法 方法 核心思路 适用场景 电流元法 把整段导线分为多段电流元，先用左手定则判断每段电流元所受安培力的方向，然后判断整段导线所受安培力的方向，从而确定导线运动方向 不规则导线、复杂磁场 等效法 环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流(反过来等效也成立)，然后根据磁体间或电流间的作用规律判断 环形电流、螺线管的相互作用 特殊位置法 通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置，判断其所受安培力的方向，从而确定其运动方向 导线转动趋势分析 结论法 两平行直线电流在相互作用过程中，无转动趋势，同向电流互相吸引，反向电流互相排斥；不平行的两直线电流相互作用时，有转到平行且电流方向相同的趋势 平行直导线相互作用 转换研究对象法 定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题，可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力，然后由牛顿第三定律，确定磁体所受电流磁场的反作用力，从而确定磁体所受合力及其运动方向 磁体在电流磁场中的运动 学习新课 二、安培力的大小 （一）安培力大小 猜想：安培力的大小可能与哪些因素有关？ 磁感应强度 B、电流 I、导线长度 L、电流与磁场夹角 θ 【提问】在匀强磁场B中，通电直导线与磁场方向垂直和平行的情况下，导线上的电流为I，导线所受安培力F应怎样求？ 当导线与磁场 垂直（θ=90°）：F＝BIL（最大值，此时 sin90°=1）； 当导线与磁场 平行（θ=0°）：F＝0（最小值，此时 sin0°=0）。 【提问】当导线（电流I）与磁场B方向夹θ角时，大小如何计算？ 将磁感应强度 B 分解为 垂直于导线的分量 B⊥=Bsinθ（产生安培力）和 平行于导线的分量 B∥=Bcosθ（不产生安培力）； 推导：F＝ILB⊥＝BILsinθ。 解析：θ 是 “电流方向与磁场方向的夹角”，而非导线与磁场的空间夹角；公式中各物理量单位统一：B (T)、I (A)、L (m)、F (N) 【归纳】 1. 大小：当导线方向与磁场方向垂直时，通电导线在磁场中受到的安培力的大小，既与导线的长度成正比，又与导线中的电流 I 成正比，即与 I 和 L 的乘积成正比。 2. 公式：F = BIL （1）当 I⊥B ，且为匀强磁场，此时电流所受的安培力最大。 （2）当 I∥B，电流所受的安培力最小，等于零。 （3）当导线方向与磁场方向 成 θ 角时，所受安培力介于最大值和最小值之间： F安 = BILsin θ 3. 特别提醒 【分析强调】结合例题进行特别提醒 (1)磁感应强度B对放入的通电导线来说是外加磁场的磁感应强度 (2)导线所处的磁场应为匀强磁场;在非匀强磁场中，公式F=ILBsinθ仅适用于很短的通电导线(我们可以把这样的导线中的电流与导线长度的乘积叫作电流元) (3)不垂直变垂直(垂直导线分解磁场，或垂直磁场投影导线 ) (4)对于弯曲导线来说,公式F=ILB 中的L指的是“有效长度”，弯曲通电导线的有效长度L等于连接两端点的直线的长度，相应的电流方向沿L由始端流向末端（结合左侧三个图） (5)任一闭合通电导线的有效长度为零,即所受安培力(各电流元所受安培力的合力)为零（第四个图） 解析： 对于弯曲导线来说,公式F=IlB 中的l指的是“有效长度”，弯曲通电导线的有效长度l等于连接两端点的直线的长度，相应的电流方向沿l由始端流向末端 任一闭合通电导线的有效长度为零,即所受安培力(各电流元所受安培力的合力)为零 （二）安培力大小的计算 【学生练习】请同学们思考作答，教师引导学生审题并分析，指出今后对细节的把握要准确。 【典例探究】如图，等边三角形线框LMN由三根相同的导体棒连接而成，固定于匀强磁场中，线框平面与磁感应强度方向垂直，线框顶点M、N与直流电源两端相接。已知导体棒MN受到的安培力大小为F，则线框ML和LN两根导体棒受到的安培力的合力的大小和方向为（　　） A．F ，方向与F的方向相同 B．1.5F，方向与F的方向相同 C．0.5F，方向与F的方向相同 D．F，方向与F的方向相反 【答案】C 【解析】设三角形边长为l，通过导体棒MN的电流大小为I，则根据并联电路的规律可知通过导体棒ML和LN的电流大小为，如图所示，依题意有 F=BlI 则导体棒ML和LN的等效长度为l，则所受安培力的合力为 F1=BlI=F 方向与F的方向相同，选项C正确。 （三）技巧点拨 【教师点拨】应用安培力公式F＝IlBsinθ解题的技巧： 应用公式F＝IlBsinθ求安培力大小时不能死记公式，应正确理解公式中各物理量的实质，可将Bsinθ理解为有效磁感应强度或将lsinθ理解为有效长度，θ为磁场方向与直导线中电流方向之间的夹角。 学习新课 三、安培力的实际应用 （一）磁电式电流表 1. 磁电式电流表的构造 【展示】演示用电流表，结合图片给学生指出电流表的构造： 刻度盘、指针、蹄形磁铁、极靴（软铁制成） 、螺旋弹簧、线圈、圆柱形铁芯（软铁制成）。 铁芯、线圈和指针是一个整体可以转动。 【提问】展示并讲解： （1）电流表中磁场分布有何特点呢？ 特点：均匀辐向分布 无论线圈转到何位置，磁场始终垂直于线圈边框，安培力总是和线框垂直。 （2） 该磁场是否匀强磁场？ 该磁场并非匀强磁场 （3） 该磁场有什么特点？ 在以铁芯为中心的圆圈上，各点的磁感应强度 B 的大小是相等的。 线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等，不随角度变化 （4） 极靴和铁质圆柱的作用是什么？旋转的线圈在磁场中受到的安培力有什么特点？ 形成 均匀辐向磁场（磁感线始终垂直于线圈平面） 2. 磁电式电流表的工作原理 【指导阅读】同学门阅读课本并回答：电流表为何能测量电流的强弱和方向？ 【分步梳理】 通电线圈在辐向磁场中受安培力，产生 转动力矩（M安＝nBIS，n 为匝数，S 为线圈面积）； 线圈转动时，螺旋弹簧被扭转，产生 反向恢复力矩（M弹＝kθ，k 为弹簧劲度系数，θ 为偏转角度）； 当 M安＝M弹时，线圈静止，θ＝(nBIS)/k，故 θ 与 I 成正比，因而线圈中的电流越大，安培力矩也越大，线圈和指针偏转的角度也越大，因而根据指针的偏转角度的大小，可以知道被测电流的强弱，且表盘刻度 均匀。 线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随着改变，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。 3. 磁电式电流表的特点 【教师总结】 (1)表盘的刻度均匀，θ∝I. (2)灵敏度高，可以测出很弱的电流 (3)线圈的导线很细，允许通过的电流很弱（几十微安到几毫安） (4)满偏电流Ig和内阻Rg反映了电流表的最主要特性 【播放视频】学生观看视频建立磁电式电流表的直观印象，强化理解 （二）安培力的其他应用 【播放视频】播放电动机、扬声器、电磁炮的视频，学生复述原理，教师展示表格 应用 核心原理 解析 电动机 通电线圈在磁场中受安培力转动 利用安培力的转动力矩，通过换向器实现持续转动 扬声器 通电线圈在磁场中受安培力振动，带动纸盆发声 电流变化→安培力变化→线圈振动→纸盆振动发声 电磁炮 通电导体在强磁场中受安培力加速，获得巨大动能 利用安培力的瞬时冲量，将电能转化为炮弹的动能 （三）课堂练习 1．关于磁场方向、电流方向、安培力方向三者之间的关系，正确的说法是（　　） A．磁场方向、电流方向、安培力方向三者之间总是互相垂直的 B．磁场方向一定与安培力方向垂直，但电流方向不一定与安培力方向垂直 C．磁场方向不一定与安培力方向垂直，但电流方向一定与安培力方向垂直 D．磁场方向不一定与电流方向垂直，但安培力方向一定既与磁场方向垂直，又与电流方向垂直 【答案】D 【解析】ABCD．电流放入磁场中，不管电流与磁场是否垂直，安培力均垂直磁场和电流所确定的平面，即安培力总是垂直磁场方向，安培力总是垂直电流方向。故ABC均错误，D正确。 故选D。 2．长度为20cm的通电直导线放在匀强磁场中，电流的强度为1A，受到磁场作用力的大小为2N，则磁感应强度B（     ） A．B＝10T B．B≥10T C．B≤10T D．不能确定 【答案】B 【解析】根据安培力公式 得 因为 sinθ≤1 所以 B≥10T 故选B。 3．如图所示，两根平行放置的长直导线a和b通有方向相反的电流，其中通过a导线的电流是通过b导线电流的2倍，a受到的磁场力大小为F，当加入一与导线所在平面垂直的匀强磁场后，a受到的磁场力方向不变，大小变为4F，则加匀强磁场后，b受到的磁场力大小为（　　） A．4F B．3.5F C．2.5F D．F 【答案】C 【解析】两根长直线，电流大小 方向相反，则a受到b产生磁场的作用力向左大小为F，那么b受到a产生磁场的作用力向右大小也为F，当再加入匀强磁场时产生的磁场力大小为，则a受到作用力为 则 而对于b由于电流方向与a相反，且 所以b受到匀强磁场的作用力为，方向向右，则加匀强磁场后，b受到的磁场力大小为 故选C。 4．如图所示，在倾角为的光滑斜面上，放置一根长为L，质量为m，通过电流I的导线，若使导线静止，应该在斜面上施加匀强磁场B的大小和方向为（　　） A．，方向垂直斜面向上 B．，方向垂直水平面向上 C．，方向竖直向下 D．，方向水平向左 【答案】C 【解析】A．若磁场方向垂直斜面向上，则导线受安培力沿斜面向下，不可能平衡，选项A错误； B．若磁场方向垂直水平面向上，则导线受安培力方向水平向右，不可能平衡，选项B错误； C．若磁场方向竖直向下，则安培力水平向左，则由平衡可知 即 选项C正确； D．若磁场方向方向水平向左，则安培力竖直向上，则平衡时 选项D错误。 故选C。 5．如图所示，把一重力不计可自由运动的通电直导线AB水平放在蹄形磁铁磁极的正上方，当通以图示方向的电流时，导线的运动情况是（从上往下看）（　　） A．顺时针方向转动，同时上升 B．顺时针方向转动，同时下降 C．逆时针方向转动，同时下降 D．逆时针方向转动，同时上升 【答案】B 【详解】在导线两侧取两小段，左边一小段，根据左手定则可知，可知其所受的安培力方向垂直纸面向里，右侧一小段，根据左手定则，可知其所受安培力的方向垂直纸面向外，所以从上往下看时，可知导线顺时针转动；当导线转动90°，电流方向垂直纸面向里时，这时导线处于向右的磁场中，根据左手定则可知，其所受的安培力方向向下，故可知导线向下运动，综上所述，导线的运动情况为，顺时针转动，同时下降，ACD错误，B正确。 故选B。 四、课堂小结 第1节 通电导线在磁场中的受力 五、板书设计 第1节 通电导线在磁场中的受力 核心知识： 安培力的方向（左手定则） 大小F = BILsinθ、应用（磁电式电流表） 科学方法：控制变量法、磁场分解法、电流元法、模型建构法； 关键规律：安培力垂直于磁场和电流所在平面，同向电流相互吸引、反向电流相互排斥。 六、作业布置 完成课本 “练习与应用” 相关习题； 完成分层作业（基础层：公式应用计算题；提高层：三维情境受力分析题）。 七、教学反思 学科网（北京）股份有限公司 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $