2019-2020年高中物理人教版選修3-1 第三章第四節(jié) 磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力 教案1.doc

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2019-2020年高中物理人教版選修3-1 第三章第四節(jié) 磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力 教案1 三維目標(biāo) 知識(shí)與技能 1．知道什么是安培力，知道通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向與電流、磁場(chǎng)方向都垂直時(shí)，它的方向的判斷──左手定則，知道左手定則的內(nèi)容，會(huì)用左手定則熟練地判定安培力的方向并會(huì)用它解答有關(guān)問(wèn)題； 2．利用安培力公式F＝BIL解答有關(guān)問(wèn)題，知道電流方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，電流受的安培力等于零；電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，電流受的安培力最大，等于BIL； 3．了解磁電式電流表的內(nèi)部構(gòu)造和原理。 過(guò)程與方法 通過(guò)演示、分析、歸納、運(yùn)用，使學(xué)生理解安培力的方向和大小的計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生的空間想像力。 情感、態(tài)度與價(jià)值觀 1．由個(gè)別事物的個(gè)性來(lái)認(rèn)識(shí)一般事物的共性； 2．通過(guò)對(duì)磁電式電流表的內(nèi)部構(gòu)造的原理了解，感受物理知識(shí)之間的聯(lián)系。 教學(xué)重點(diǎn) 安培力的方向確定和大小計(jì)算。 教學(xué)難點(diǎn) 左手定則的運(yùn)用（尤其是當(dāng)電流和磁場(chǎng)不垂直時(shí)，左手定則如何變通使用）。 教學(xué)教具 磁鐵、電源、金屬桿、導(dǎo)線、鐵架臺(tái)、滑動(dòng)變阻器、多媒體。 教學(xué)過(guò)程 ［新課導(dǎo)入］ 在第二節(jié)中我們已經(jīng)初步了解了磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力。安培在研究磁場(chǎng)與電流的相互作用方面做出了突出的貢獻(xiàn)，為了紀(jì)念他，人們把通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力稱為安培力。本節(jié)我們將對(duì)安培力做進(jìn)一步的討論。 ［新課教學(xué)］ 一、安培力 安培力是以安培的名字命名的，因?yàn)樗芯看艌?chǎng)對(duì)電流的作用力有突出的貢獻(xiàn)。 通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力稱為安培力。 二、安培力的方向 1．探究與安培力方向有關(guān)的因素 【演示】 按照下圖所示進(jìn)行演示。 1．上下交換磁極的位置以改變磁場(chǎng)的方向，觀察受力方向是否改變。 2．改變導(dǎo)線中電流的方向，觀察受力方向是否改變。 通過(guò)這兩種情況的分析，我們實(shí)際上已經(jīng)了解了導(dǎo)線受力的方向與磁場(chǎng)方向、電流方向的關(guān)系。你能用簡(jiǎn)潔的方法表達(dá)這個(gè)關(guān)系嗎？ 結(jié)果：調(diào)換磁鐵兩極的位置來(lái)改變磁場(chǎng)方向，導(dǎo)體向相反的方向運(yùn)動(dòng)；改變電流方向，導(dǎo)體又向相反的方向運(yùn)動(dòng)。 結(jié)論：安培力的方向與磁場(chǎng)方向、電流方向有關(guān)。 2．安培力方向的特點(diǎn) 通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受的安培力的方向，既跟磁場(chǎng)方向垂直，又跟電流方向垂直。 安培力的方向總是垂直于磁感線和通電導(dǎo)線所在的平面。 F⊥（B、I）所決定的平面 3．安培力方向的判斷──左手定則 如何判斷安培力的方向呢？ 安培力方向判斷符合左手定則。 伸開(kāi)左手，使拇指跟其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向電流的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的受力方向。 這就是判斷通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力方向的左手定則。 磁場(chǎng)、安培力的問(wèn)題，在很多方面都與電場(chǎng)、庫(kù)侖力的問(wèn)題相似。然而，安培力要比庫(kù)侖力復(fù)雜得多。研究庫(kù)侖力時(shí)，用來(lái)檢驗(yàn)電場(chǎng)的是點(diǎn)電荷，檢驗(yàn)電荷受力的方向與電場(chǎng)方向相同或相反；但在研究安培力時(shí)，與電場(chǎng)中的檢驗(yàn)電荷作用相當(dāng)?shù)氖且粋€(gè)有方向的電流元，電流元受力的方向與磁場(chǎng)方向、電流元的方向三者不但不在一條直線上，而且不在一個(gè)平面里。因此，研究安培力的問(wèn)題要涉及三維空間。 【說(shuō)明】 （1）左手定則是一個(gè)難點(diǎn)，涉及三個(gè)物理量的方向，涉及三維空間，而學(xué)生的空間想像力還不強(qiáng)，所以引導(dǎo)學(xué)生如何將三維圖形用二維圖形表達(dá)(側(cè)視圖、俯視圖和剖面圖等)，還要引導(dǎo)學(xué)生如何將二維圖形想像成三維圖形?？蓪⒂覉D從側(cè)視圖、俯視圖和剖面圖──引導(dǎo)學(xué)生展示。 （2）一般情形的安培力方向法則介紹：電流和磁場(chǎng)可以不垂直，但安培力必然和電流方向垂直，也和磁場(chǎng)方向垂直，用左手定則時(shí)，磁場(chǎng)不一定垂直穿過(guò)手心，只要不從手背傳過(guò)就行。 （3）至于大小法則，如果電流和磁場(chǎng)不垂直，則將磁場(chǎng)進(jìn)行分解，取垂直分量代入公式即可；從這個(gè)角度不難理解──如果電流和磁場(chǎng)平行，那么安培力是多少？（為零） 【課堂練習(xí)】 判斷下圖中導(dǎo)線A所受磁場(chǎng)力的方向？ 答案： 引導(dǎo)學(xué)生區(qū)別安培定則和左手定則，并且用這兩個(gè)定則去解釋“平行通電導(dǎo)線之間的相互作用”這一演示實(shí)驗(yàn)，解釋時(shí)應(yīng)明白左邊的通電導(dǎo)線受到的安培力是右邊的通電導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)施加的，反之亦然。 三、安培力的大小 1．安培力大小公式 在第二節(jié)的學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)知道：垂直于磁場(chǎng)B放置、長(zhǎng)為L(zhǎng)的一段導(dǎo)線，當(dāng)通過(guò)的電流為I時(shí)，它所受的安培力F為 F＝BIL 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與導(dǎo)線的方向平行時(shí)導(dǎo)線受力為 F＝0 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與導(dǎo)線成θ角時(shí)，它可以分解為與導(dǎo)線垂直的分量B⊥和與導(dǎo)線平行的分量B∥。 B⊥＝Bsinθ B∥＝Bcosθ 其中B∥不產(chǎn)生安培力，導(dǎo)線所受的安培力只是B⊥產(chǎn)生的，由此又得到 F＝ILBsinθ＝ILB⊥ 這是一般情況下安培力的表達(dá)式。 2．適用條件 直導(dǎo)線，且導(dǎo)線所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同。 【說(shuō)明】 在推導(dǎo)公式時(shí)，要讓學(xué)生明確兩點(diǎn)：一是矢量的正交分解體現(xiàn)兩個(gè)分量與原來(lái)的矢量是等效替代的關(guān)系，二是從特殊到一般的歸納的思維方法。還應(yīng)該注意的是：盡管公式F＝ILB是從公式B＝F/IL變形而得的，但兩者的物理意義卻有不同。 公式B＝F/IL是根據(jù)放置于給定磁場(chǎng)中的給定點(diǎn)上的檢驗(yàn)電流(電流元)受力情況，來(lái)確定這一位置的磁場(chǎng)的性質(zhì)，它對(duì)任何磁場(chǎng)中的任何點(diǎn)都是適用的。 公式F＝ILB則是在已知磁場(chǎng)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，確定在給定位置上給定的一小段通電直導(dǎo)線的受力情況，在中學(xué)階段，它只適用于勻強(qiáng)磁場(chǎng)。 物理公式在作數(shù)學(xué)的等價(jià)變形時(shí)，其物理意義和適用范圍將會(huì)發(fā)生變化。這是應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題時(shí)必須引起注意的問(wèn)題，往往被忽視。 四、磁電式電流表 1．電流表的組成及磁場(chǎng)分布 請(qǐng)同學(xué)們閱讀課文，讓學(xué)生先看清楚磁鐵、鋁框、線圈、螺旋彈簧、極靴、指針、鐵質(zhì)圓柱等構(gòu)件，了解它們之中哪些是固定的，哪些是可動(dòng)的。 （1）電流表的組成 電流表主要由哪幾部分組成的？ 電流表由永久磁鐵、鐵芯、線圈、螺旋彈簧、指針、刻度盤等六部分組成。 注意：a．鐵芯、線圈和指針是一個(gè)整體；b．蹄形磁鐵內(nèi)置軟鐵是為了（和鐵芯一起）造就輻向磁場(chǎng)；c．觀察──鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺旋彈簧會(huì)形變。 （2）電流表中磁場(chǎng)分布的特點(diǎn) 問(wèn)題：電流表中磁場(chǎng)分布有何特點(diǎn)呢？ 電流表中磁鐵與鐵芯之間是均勻輻向分布的。 問(wèn)題：什么是均勻輻向分布呢？ 所謂均勻輻向分布，就是說(shuō)所有磁感線的延長(zhǎng)線都通過(guò)鐵芯的中心，不管線圈處于什么位置，線圈平面與磁感線之間的夾角都是零度。該磁場(chǎng)并非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，但在以鐵芯為中心的圓圈上，各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小是相等的。 問(wèn)題：假如線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵和鐵芯之間的兩個(gè)邊所經(jīng)過(guò)的位置其磁場(chǎng)強(qiáng)弱怎樣？ 假如線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，磁極和鐵芯之間的兩個(gè)邊所經(jīng)過(guò)的位置其磁場(chǎng)強(qiáng)弱是相同的。 2．電流表的工作原理 引導(dǎo)學(xué)生弄清楚以下幾點(diǎn)： （1）線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)是怎樣產(chǎn)生的? 當(dāng)電流通過(guò)電流表中的線圈時(shí)，導(dǎo)線受到安培力的作用，由左手定則可以判定，線圈左右兩邊所受的安培力的方向相反，于是安裝在軸上的線圈就要轉(zhuǎn)動(dòng)。 （2）線圈為什么不一直轉(zhuǎn)下去？ 線圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋彈簧變形，反抗線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)。 （3）為什么指針偏轉(zhuǎn)角度的大小可以說(shuō)明被測(cè)電流的強(qiáng)弱？ 電流越大，安培力就越大，螺旋彈簧的形變也就越大。所以，從線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就能判斷通過(guò)電流的大小。 （4）如何根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)的方向來(lái)確定電路上電流的方向？ 線圈中的電流方向改變時(shí)安培力的方向隨著改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨著改變。所以，根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測(cè)電流的方向。 （5）電流表的刻度為什么是均勻的？ 電流表內(nèi)部磁場(chǎng)的兩極間裝有極靴，極靴中間又有一個(gè)鐵質(zhì)圓柱。這樣，極靴與圓柱間的磁場(chǎng)都沿半徑方向，線圈無(wú)論轉(zhuǎn)到哪個(gè)位置，它的平面都跟磁感線平行，線圈的受力情況相同，所以表盤的刻度就是均勻的了。 （6）使用時(shí)要特別注意什么？ 磁電式儀表的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，可以測(cè)出很弱的電流；缺點(diǎn)是繞制線圈的導(dǎo)線很細(xì)，允許通過(guò)的電流很弱（幾十微安到幾毫安）。如果通過(guò)的電流超過(guò)允許值，很容易把它燒壞。要測(cè)量較大的電流值，就要擴(kuò)大量程。 【做一做】 旋轉(zhuǎn)的液體 ［小結(jié)］ 本節(jié)課學(xué)習(xí)了磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力，學(xué)習(xí)了安培力的概念，掌握了安培力方向的判斷方法和安培力大小的計(jì)算公式。作為應(yīng)用，又學(xué)習(xí)了磁電式電流表的構(gòu)造和工作原理。 安培力是磁場(chǎng)力中的一種，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到安培力的作用后，根據(jù)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可結(jié)合力學(xué)知識(shí)進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算。 ［布置作業(yè)］ 教材第94頁(yè)“問(wèn)題與練習(xí)”。