磁场对电流的作用（教案）-高教版第三版《物理（通用类）》【上好课】

高教版第三版《物理（通用类）》 主题五 电与磁及其应用 第四节 磁场对电流的作用 授课班级 授课类型 新授课 授课教师 教学时长 1课时（45分钟） 教材分析 本课以电动机驱动的家用电器为情境，先通过方向对照实验归纳左手定则，再用控制变量实验建立安培定律，最后解释直流电动机和磁电式仪表。内容实现从磁场描述到磁场力效应、从规律到技术应用的递进，为后续学习电磁感应现象奠定实验观察和方向分析基础。 学情分析 学生能识别磁场和电流方向，但容易把左手定则与安培定则混淆，在纸内、纸外及空间方向转换中出现错误；计算时可能忽略导线与磁场垂直的条件，也容易把电动机的持续转动简单归因于惯性。教学需用手势、方向卡片、控制变量数据和线圈受力图形成分步判断与证据链。 教学目标 1.能说出左手定则、安培定律及适用条件，写出安培力公式和各物理量单位，说明直流电动机与磁电式仪表的基本原理。 2.能根据磁场和电流方向判断安培力方向，运用安培定律完成垂直条件下的计算，并从对照实验判断安培力的影响因素。 3.能用综合法和控制变量法组织实验信息，比较电动机与磁电式仪表对安培力矩的不同利用，认识电磁技术的工程价值。 教学重难点 重点：左手定则；安培定律、公式、单位和垂直适用条件；直流电动机工作原理。 难点：磁场、电流和安培力三者的空间方向转换；从控制变量实验建立定量关系；理解换向器和磁电式仪表的力矩平衡。 教学方法 教材情境导入、观察与体验、方向对照、左手手势演示、综合法、控制变量法、教材示例、即时练习、受力与平衡分析、技术应用比较和归纳总结。 课前准备 教师准备：教材、演示课件。 学生准备：教材、笔记本。 教学环节设计 教学环节 教学内容 设计意图 教学导入 【教材情境】洗衣机、抽油烟机、换气扇、豆浆机、榨汁机和吹风机等家用电器，都利用电动机进行驱动。 【问题】电流看不见、摸不着，电动机怎样把电能转化为线圈的持续转动？决定通电导线受力方向和大小的因素有哪些？ 学生回顾磁场对通电导线会产生作用，观察电器中转轴和扇叶的运动，提出“先判断受力方向，再研究受力大小和持续转动条件”的探究思路。 【教师归纳】磁场对通电导线有安培力作用。本课先用左手定则判断方向，再用安培定律计算大小，并把规律应用到直流电动机和磁电式仪表。 由常见电器的持续转动提出“电流怎样转化为机械运动”，建立从安培力方向、大小到技术应用的学习问题链。 新知讲授 一、安培力方向与左手定则 【教材结论】磁场对电流有安培力的作用；安培力方向同时与磁场方向和电流方向有关。 【教材观察】把导体棒沿南北方向放入实验装置，分别改变磁场方向和电流方向，观察导体棒的运动。磁场由上向下、电流由南向北时导体棒向西；只反向电流时向东；只反向磁场时也向东；两者同时反向时仍向西。 【思维与方法】综合法是把研究对象的各个部分、方面和因素联合起来加以研究，从而在整体上把握事物本质和规律的思维方法。 【教材定则】伸开左手，使大拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；把手放入磁场，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向电流方向，那么大拇指所指的方向就是通电直导线在磁场中所受安培力的方向。这就是左手定则。 【方法说明】先让磁感线“穿入手心”，再让四指沿电流方向，最后读取大拇指方向。磁场或电流任意一个方向反向，安培力反向；二者同时反向，安培力方向不变。 【即时练习1】匀强磁场垂直纸面向里，一段水平直导线中的电流向右。用左手定则判断导线所受安培力方向。 答案：竖直向上。 解析：让磁感线垂直穿入左手手心，四指指向右方，大拇指指向上方。 【即时练习2】保持导线位置不变，同时把磁场方向和电流方向反向，安培力方向是否改变？ 答案：不改变。 解析：只反向一个方向时安培力反向；磁场和电流同时反向两次，安培力恢复原方向。 【教师归纳】左手定则把磁场、电流和安培力三者方向联系起来；判断时必须按“磁场入掌—四指电流—拇指受力”的顺序。 二、安培定律 【教材结论】通电导线方向与磁场方向垂直时，导线所受安培力最大；两者平行时，安培力最小且为零；两者斜交时，安培力介于最大值和零之间。 【教材实验】保持电流和有效导线长度不变，比较强、弱磁场；保持磁场和导线长度不变，把电流由1.0 A增至2.0 A；保持磁场和电流不变，比较不同有效长度。实验采用控制变量法，分别研究三个因素。 【教材定律】当长度为、电流为的通电导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为的磁场中时，安培力与磁感应强度、电流、导线长度都成正比，这一规律称为安培定律。 【教材公式】在导线与磁场方向垂直的条件下，。安培力、磁感应强度、电流、导线长度的国际单位制单位分别为N、T、A、m。 【教材示例】在磁感应强度为0.8 T的匀强磁场中，有一根与磁场方向垂直、长0.2 m的通电导线ab。若导线中通以0.5 A由a到b方向的电流，求导线所受安培力的大小和方向。 答案：安培力大小为0.08 N，方向垂直纸面向外。 解析：导线与磁场垂直，满足安培定律。；用左手定则判断安培力方向垂直纸面向外。 【即时练习3】一段长0.25 m的直导线垂直放在磁感应强度为0.60 T的匀强磁场中，导线中电流为0.40 A。求导线受到的安培力。 答案：0.060 N。 解析：由，代入数据得。 【即时练习4】在导线与磁场始终垂直、导线长度不变时，磁感应强度变为原来的2倍，电流变为原来的一半。安培力怎样变化？ 答案：安培力不变。 解析：安培力与磁感应强度和电流的乘积成正比，2倍与二分之一倍相乘为1。 【教师归纳】计算前先检查导线与磁场方向的关系；只有垂直时才能直接使用本课公式，平行时安培力为零。 三、直流电动机与磁电式仪表 【教材原理】直流电动机线圈两侧与转轴平行的导线受到方向相反的安培力，形成使线圈绕中轴转动的力矩；线圈转过90°后，换向器改变线圈中的电流方向，线圈依靠惯性并在新的安培力矩作用下继续转动。 【教材应用】小功率直流电动机广泛用于小型家电、办公设备、医疗设备和智能机器人；大功率直流电动机可用于工业生产、交通运输、矿山机械和航空航天。 【教材原理】磁电式仪表利用通电线圈在磁场中受安培力矩作用而偏转。线圈转动时螺旋弹簧产生阻碍转动的力矩，二者平衡后指针停止；偏转角反映电流大小，偏转方向反映电流方向。 【教材结论】磁电式仪表灵敏度高，能测量很弱的电流；但绕制线圈的导线很细，允许通过的电流较弱，通常为几十微安到几毫安。 【即时练习5】直流电动机线圈能够持续转动，安培力矩和换向器分别起什么作用？ 答案：安培力矩驱动线圈转动；换向器在线圈转过半周的适当位置改变电流方向，使驱动力矩继续维持原转动趋势。 解析：若不及时换向，线圈两边受力方向相对转动位置改变，不能保持同一转动趋势。 【即时练习6】磁电式表头中电流增大到原来的2倍，或把电流方向反向，指针分别怎样变化？ 答案：电流增大时偏转角增大；电流反向时偏转方向反向。 解析：安培力矩随电流增大而增大，平衡时弹簧形变量和偏转角更大；电流反向会使安培力方向反向。 【教师归纳】电动机利用安培力矩实现持续转动，磁电式仪表利用安培力矩与弹簧力矩的平衡完成测量，二者都以磁场对电流的作用为基础。 按方向定则—定量规律—装置应用递进，用对照实验、教材示例和力矩模型连接观察证据、计算方法与工程解释。 课堂背诵 1. 请完整说出左手定则。 答案：伸开左手，让磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，大拇指所指方向就是通电导线所受安培力方向。 2. 通电导线与磁场方向垂直、平行或斜交时，安培力大小分别有什么特点？ 答案：垂直时最大，平行时为零，斜交时介于最大值和零之间。 3. 请写出安培定律公式、适用条件，并说出各物理量的单位。 答案：导线与磁场方向垂直时，；安培力、磁感应强度、电流、导线长度的单位分别为N、T、A、m。 4. 直流电动机怎样产生转动力矩，换向器起什么作用？ 答案：线圈两侧方向相反的安培力形成转动力矩；换向器在线圈转过半周的适当位置改变电流方向，使线圈继续沿原方向转动。 5. 磁电式仪表怎样反映电流的大小和方向？它有什么优缺点？ 答案：安培力矩与弹簧力矩平衡时，指针偏角反映电流大小，偏转方向反映电流方向；优点是灵敏度高，缺点是允许通过的电流较弱。 围绕左手定则、公式条件、控制变量、电动机和仪表原理组织背诵，巩固必须准确说写的教材结论。 师生互动 【任务一：补全实验表】导体棒沿南北方向放置。磁场向下、电流向北时受力向西；据此补全“磁场向下、电流向南”“磁场向上、电流向北”“磁场向上、电流向南”三种情况，并说明用了什么思维方法。 答案：三种情况的受力方向依次为向东、向东、向西；把磁场、电流和受力三个方向联合比较，采用综合法。 【教师归纳】只反向磁场或电流，安培力反向；二者同时反向，安培力不变。方向实验需要同时比较三个因素。 【任务二：教材实践5-4】先根据图5-4-11中任意两个已知方向，用左手定则标出第三个方向；再分析图5-4-12中长0.3 m、质量0.006 kg的导线ab悬在0.4 T匀强磁场中时，通入怎样的电流才能使悬线张力为零，取重力加速度大小为10牛每千克。 答案：方向题按“磁场入掌—四指电流—拇指受力”逐图反推；悬线无张力时安培力竖直向上且等于重力，电流由a流向b，大小为0.50 A。 【教师归纳】先用左手定则确定电流方向，再由平衡条件和列式；方向判断与大小计算不能互相替代。 【任务三：技术调查】列举使用直流电动机的设施或电器，说明其中的能量转化；再按“工作原理—关键部件—优势—应用”概括电磁弹射研究任务。 答案：直流电动机把电能转化为机械能，常见于玩具、电动工具、机器人和交通设备；电磁弹射利用电磁相互作用在短距离内推动物体加速，研究需结合安培定律并核对关键部件、效率和应用场景。 【教师归纳】教材调查任务强调从真实设备提取共同物理原理，同时用证据区分定性工作过程与定量性能指标。 通过实验表补全、悬线平衡和技术调查，检验学生能否把方向判断、定量计算和真实装置解释连成证据链。 课堂练习 1. 匀强磁场方向竖直向下，一段水平直导线中的电流由西向东。导线所受安培力方向为（　　）。 A．水平向北 B．水平向南 C．竖直向上 D．竖直向下 答案：B。 解析：让磁感线向下穿入左手手心，四指由西指向东，大拇指指向南方。 2. 保持导线位置和磁场不变，只把导线中的电流方向反向。关于安培力，下列说法正确的是（　　）。 A．大小、方向都不变 B．大小变为原来2倍 C．大小不变、方向反向 D．大小变为0、方向不变 答案：C。 解析：在磁场和导线长度不变时，反向电流不改变电流大小，因此安培力大小不变；左手定则给出的受力方向反向。 3. 填空补全：通电导线与磁场方向垂直时安培力______；两者平行时安培力为______。 答案：最大；0。 解析：导线与磁场的夹角会影响安培力；本课定量公式直接用于两者垂直的情形。 4. 一段长0.30 m的直导线垂直放在磁感应强度为0.50 T的匀强磁场中，导线中电流为0.80 A。求导线受到的安培力。 答案：0.12 N。 解析：由，代入数据得。 5. 一段长0.40 m的直导线垂直放在磁感应强度为0.25 T的匀强磁场中，受到0.050 N的安培力。求导线中的电流。 答案：0.50 A。 解析：在垂直条件下，电流等于安培力与磁感应强度和导线长度乘积的比值，代入数据得0.50 A。 6. 电动机和磁电式仪表都利用磁场对电流的作用，它们怎样分别利用安培力矩？ 答案：电动机利用安培力矩并通过换向器使线圈持续转动，对外输出机械能；磁电式仪表利用安培力矩与弹簧力矩平衡，使指针停在相应刻度完成测量。 解析：两者的共同基础是通电线圈在磁场中受力，不同点在于一个追求持续转动，另一个利用稳定偏角表征电流。 由方向选择过渡到条件辨析、公式正反计算和应用比较，检查左手定则与安培定律的综合运用。 课堂小结 【教师提问】安培力方向怎样判断？ 【教师归纳】按“磁感线穿入左手手心—四指指电流—拇指指安培力”使用左手定则；只反向磁场或电流，受力反向。 【教师提问】安培力大小要抓住哪些条件？ 【教师归纳】先判断导线与磁场方向关系；垂直时安培力最大并满足，平行时安培力为零。 【教师提问】直流电动机为什么能持续转动？ 【教师归纳】线圈两侧安培力形成力矩，换向器在适当位置改变电流方向，使转动力矩继续维持原转动趋势。 【教师提问】磁电式仪表怎样完成测量？ 【教师归纳】安培力矩与弹簧力矩平衡后，指针偏角反映电流大小，偏转方向反映电流方向；仪表灵敏但允许电流较弱。 用四组提问归纳方向、大小、电动机和仪表原理，突出条件先行、方向与计算分步处理的学习方法。 作业布置 1．复习本节课的知识点； 2．完成课后练习； 3．整理笔记和易错题。 教学反思 ①目标达成：学生能按顺序演示左手定则，多数学生能完成安培力方向判断和垂直条件下的基础计算，并能说明电动机和磁电式仪表的共同原理。 ②典型问题：部分学生把左手定则与安培定则混淆，忽略导线与磁场垂直的公式条件，或只记住电动机“会转”而说不清力矩和换向器作用。 ③原因分析：三维方向转换和左右手动作尚未形成稳定程序，对控制变量实验、力矩和平衡状态之间的逻辑联系理解不足。 ④改进措施：下一课时先用方向卡片复核磁场、电流和受力，再用运动导体切割磁感线的对照实验突出“受力效应”与“电磁感应现象”的边界。 学科网（北京）股份有限公司 $