（选必2：核心素养）1.1 磁场对通电导线的作用力（教案3）

skybamboo · 发表于 10 小时前

1.1磁场对通电导线的作用力
〖教材分析〗
安培力的方向和大小是本节的重点内容，也是这一章的重点内容之一。安培力、电流、磁感应强度三者方向的空间关系（左手定则）是本节的难点，比如：安培力的方向一定与电流、磁感应强度方向垂直，但电流方向与磁感应强度的方向可以成任意角度；当电流方向与磁感应强度的方向垂直时，安培力最大。正确应用左手定则也是本章的难点之一。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念∶通过磁场对电流作用力的实验，体会安培力，生成安培力概念。
科学思维∶通过安培力方向及大小的学习，体会物理模型在探索自然规律中的作用。
科学探究：掌握研究安培力的方法，能在具体问题中判断安培力方向。
科学态度与责任∶通过磁电式电流表的原理分析，体会科学技术对社会发展的促进作用。
〖教学重难点〗
教学重点：安培力的大小计算和方向判定。
教学难点：用左手定则判定安培力的方向。
〖教学准备〗
多媒体课件、导线、蹄形磁铁、导体棒、铁架台、电源等。
〖教学过程〗

（展示动态图片：回顾奥斯特的实验过程）奥斯特发现通电导线能使磁针发生偏转，不仅开启了研究电与磁联系的序幕，还使人们认识了这种神奇的"力"。
现在，这种力还能应用到新能源交通工具上，让电动车行驶在街头;应用到发射台上，射出数倍音速的炮弹……未来的某一天，可能还会应用到发射塔上，发射航天器，
在这一章里，就让我们一起去探究这种神奇的作用力吧!
一、新课引入

（展示动态图片：导体棒在磁场中受力）在右图中，当导体棒中有电流流过时，导体棒就会因受力而发生运动。这个力的方向该如何判断? 它的大小除了与磁感应强度有关外，还与哪些因素有关?
二、新课教学
在必修课中，我们已经知道了磁场对通电导线有作用力，并从这个现象入手定义了物理量——磁感应强度B，<Object: word/embeddings/oleObject1.bin>。安培在研究磁场与电流的相互作用方面作出了杰出的贡献，为了纪念他，人们把通电导线在磁场中受的力称为安培力，把电流的单位定为安培。

安培力：通电导线在磁场中所受的作用力。

问题1：安培力的大小和方向是怎么样的呢？

（一）安培力的方向

首先来学习安培力的方向。

课本的演示实验：安培力的方向与什么因素有关（阅读），分别用动图展示①改变磁场方向，②改变电流方向后导线受力方向是否改变。

通过①与原图对比说明安培力与什么有关？F安方向与磁感应强度B有关。

通过②与原图对比说明安培力与什么有关？F安方向与电流方向有关。那它们有什么规律呢？

平面图很难观察到具体的关系，换成立体图就更加清晰。通过用立方体的方式简单描述F、B、I的关系，比较之后，你能用简洁的方法表达F、B、I方向的关系？

注意观察我们看到力的方向与电流方向是垂直的，而磁感线的方向从N到s，力也与它垂直。即安培力的方向与导线、磁感应强度方向都垂直。也就是说，安培力的方向总是垂直于导线和磁感应强度方向所在的平面。

问题2：如何更加精确的判断安培力的方向呢?
安培经过研究总结出了，左手定则。
①伸出左手，使大拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在同一平面；
怎么样放到磁场中呢？
②使磁感线垂直穿过手掌，四指指向电流方向；
③大拇指所指的方向就是直线电流所受安培力的方向。
这就是判断安培力方向的左手定则。那么有的同学就疑惑了，以前学习过右手定则，很容易混乱。我教大家一个小方法，力的这一撇，向则左边的，所以用左手定则，记住拉。
课堂练习：
例1:磁场中有一条通电导线，其方向与磁场方向垂直。图甲、乙、丙分别标明了电流、磁感线和安培力三个量中的两个，试画出第三个量的方向。

在这里普及一下打叉打点的知识，打点表示垂直纸面向外，好比如弓箭从纸面出来，我们看到的只有箭头的一个点，打叉表示垂直纸面向里，好比如弓箭进入纸面我们看到的只有箭尾的打叉图样。

解题提示：那让磁感线垂直穿过手心就是这样，再把四个手指方向调整到跟电流方向一致就成了这样。这时拇指的方向就是安培力的方向了。
问题3：刚才导线和磁感线垂直，那要是不垂直又该咋判断呢？
例2：画出通电导体棒ab所受的安培力的方向。

解题提示：那咱就可以将磁场按平行和垂直分解。让跟导线垂直穿过手心就行了。那安培力的方向是垂直纸面向里啦。
（二）安培力的大小

研究一个力除了方向还有大小。前面咱研究磁感应强度的大小的时候，引入了电流源IL，也就是一段通有电流I长度为L的导线。利用它垂直于磁场时所受安培力F，定义了磁感应强度<Object: word/embeddings/oleObject2.bin>。那么F就应该等
F=BIL
这也就是安培力的计算公式。
但是这个的前提是导线必须与磁场垂直。我们还知道导线平行于磁场时，安培力为0。即
①当磁感应强度B的方向与导线方向垂直时F=ILB
②当磁感应强度B的方向与导线方向平行时F=0。

问题4：如果通电导线与磁场方向既不平行也不垂直时，导线与磁场夹角θ时，安培力又该是多大呢？
我们知道磁感应强度B是矢量，所以可以将B正交分解。沿电流B//=Bcosθ,垂直电流方向B⊥=Bsinθ,安培力由B⊥产生，所以大小就是
F=BILsinθ（F依然垂直与BI组成的平面）

其中θ=0时，也就是二者平行，sinθ=0,，即F=0。
其中θ=90度时，也就是二者垂直，sinθ=1，即F=BIL。正是刚才的两种特殊情况。
注意1：B必须是在匀强磁场。
如果是非匀强磁场那就必须将导线分割为无数个小电流元。求出每一个小电流元所受的安培力，最后再让他们进行矢量叠加。
注意2：L是有效长度。

刚才用的都是直导线，L就是它本身的总长度，如果不是直导线，比如这个图，还能用总长度计算吗？
显然不行，这时就要用到有效长度这个概念，在这个图中，红色的线段是对称的，所以安培力也是大小相等方向相反互相抵消。青色色的线段也是。那只剩这几段，他们就相当于从这儿到这儿的一段线段。这个就是他的有效长度L。它受到的安培力就是F=BIL。既然这样那如果我在这添一根导线，把线路变成闭合的，那这一段的电流方向就要向上，所受的安培力就跟左边这部分大小相等方向相反互相抵消了。也就是说
①闭合回路有效长度就是0，受到的总安培力就是0。
对于更复杂的导线就可以利用这个结论来解决，比如这个图如果闭合的话有

效长度就是0。所以去掉这段后，剩余部分的有效长度就是这一段这么长，但是电流方向跟这个相反是从原来的起点到原来的终点。也就是说

②不闭合的导线有效长度就是一条从起点到终点的线段。电流方向也是从起点到终点。
那么遇到这种更加这样更复杂的弧线，也只需要连接这两点就可以了，电流方向是从起点指向终点。
课堂练习
例3：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为  （    ）
A、B＝10T       B、B≥10T
C、B≤10T       D、不能确定
解题提示：<Object: word/embeddings/oleObject3.bin>（θ不确定）故选B。
（三）磁电式电流表
（播放动图线圈的转动和电流表的指针偏转）磁电式仪表最基本的组成部分是磁铁和放在磁铁两极之间的线圈。图是线圈在磁场中受力情况的图示。当电流通过线圈时，导线受到安培力的作用。由左手定则可以判定，线圈左右两边所受的安培力的方向相反，于是安装在轴上的线圈就要转动。
问题：为什么断电后指针会回复原来的位置呢？

因为装有螺旋弹簧，弹簧会回复原状。安培力总与磁感应强度的方向垂直。为了使电流表表盘的刻度均匀，两磁极间装有极靴，极靴中间又有一个铁质圆柱。这样，极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，线圈无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，表盘的刻度就是均匀的了”。
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。
〖板书设计〗
1.1通电导线在磁场中受到的力
一、安培力的方向
①安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面
掌心→磁感线进入
②左手定则四指→电流方向
拇指→安培力方向
③平行通电直导线之间的相互作用:同向电流相互吸引，反向电流相互排斥。
二、安培力的大小
F=ILB
①平行时：F＝0
θ=0时，平行：F＝0
②有夹角时：F=ILBsinθ
θ=90时，垂直：F＝BIL
弯曲导线的有效长度L，等于连接两端点直接的长度；相应的电流沿L由始端向末端。
三、磁电式电流表
〖教学反思〗
①学生在电流和磁场是否垂直上缺乏空间想象力，要让他们学会用手去判断，让学生通过练习中体会。
②教学中，制造悬念，科学方法教育一直处于教学的主线隐含中。通过信息技术的融合，更加清晰形象的展示了通电导线在磁场受力情况，有助于学生分析问题和解决问题。
③几何磁电式电流表教学，对学生进行技术教育，加强了物理与现实生活的联系。

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[人教版] （选必2：核心素养）1.1 磁场对通电导线的作用力（教案3）