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人教版 (新课标)选修3选修3-1第三章 磁场4 通电导线在磁场中受到的力教案
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这是一份人教版 (新课标)选修3选修3-1第三章 磁场4 通电导线在磁场中受到的力教案，共5页。
eq \(\s\up7(),\s\d5(整体设计))
教学目标
(一)知识与技能
1．知道什么是安培力。知道通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流、磁场方向都垂直时，它的方向的判断——左手定则。知道左手定则的内容，会用左手定则熟练地判定安培力的方向，并会用它解答有关问题。
2．会用安培力公式F＝BIL解答有关问题．知道电流方向与磁场方向平行时，电流受的安培力最小，等于零；电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大，等于BIL。
3．了解磁电式电流表的内部构造的原理。
(二)过程与方法
通过演示、分析、归纳、运用使学生理解安培力的方向和大小的计算。培养学生的空间想象能力。
(三)情感态度与价值观
使学生学会由个别事物的个性来认识一般事物的共性的认识事物的一种重要的科学方法．并通过对磁电式电流表的内部构造的原理了解，感受物理知识之间的联系。
教学重点难点
重点：安培力的方向确定和大小的计算。
难点：左手定则的运用(尤其是当电流和磁场不垂直时，左手定则如何变通使用)。
教学用具
磁铁、电源、金属杆、导线、铁架台、滑动变阻器、多媒体。
eq \(\s\up7(),\s\d5(教学过程))
导入新课
让学生回忆在第二节中通电导线在磁场中受力大小与什么因素有关。
过渡：本节我们将对安培力作进一步的讨论。
推进新课
安培力：磁场对电流的作用力。
安培力是以安培的名字命名的，因为他研究磁场对电流的作用力有突出的贡献。
1．安培力的方向
【演示】 按照P85图3.13所示进行演示。
(1)改变电流的方向，观察发生的现象。
[现象]导体向相反的方向运动。
(2)调换磁铁两极的位置来改变磁场方向，观察发生的现象。
[现象]导体又向相反的方向运动
[教师引导学生分析得出结论]
(1)安培力的方向和磁场方向、电流方向有关系。
(2)安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直。也就是说，安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面。(图3.41)
如何判断安培力的方向呢？
人们通过大量的实验研究，总结出通电导线受安培力方向和电流方向、磁场方向存在着一个规律——左手定则。
左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且跟手掌在同一个平面内，把左手放入磁场中，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，拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中的受力方向。(如图)
【说明】 左手定则是一个难点，涉及三个物理量的方向，涉及三维空间，而学生的空间想象力还不强，所以教师应引导学生如何将三维图形用二维图形表达(侧视图、俯视图和剖面图等)，还要引导学生如何将二维图形想象成三维图形。——可将下图从侧视图、俯视图和剖面图一一向学生展示。
*一般情形的安培力方向法则介绍……
结论：电流和磁场可以不垂直，但安培力必然和电流方向垂直，也和磁场方向垂直，用左手定则时，磁场不一定垂直穿过手心，只要不从手背穿过就行。
*至于大小法则，如果电流和磁场不垂直，则将磁场进行分解，取垂直分量代入公式即可；从这个角度不难理解——如果电流和磁场平行，那么安培力是多少？[学生]为零。
引导学生分析判断P94第一题
补充练习：判断下图中导线A所受磁场力的方向。
答案：
【演示】 平行通电直导线之间的相互作用(图3.4－3)。
引导学生区别安培定则和左手定则，并且用这两个定则去解释“平行通电导线之间的相互作用”这一演示实验，解释时应明白左边的通电导线受到的安培力是右边的通电导线所产生的磁场施加的，反之亦然。
2．安培力的大小
通电导线(电流为I、导线长为L)和磁场(B)方向垂直时，通电导线所受的安培力的大小：F＝BIL(最大)。
两种特例：即F＝ILB(I⊥B)和F＝0(I∥B)。
一般情况：当磁感应强度B的方向与导线成θ角时，有F＝ILBsinθ。
【注意】 在推导公式时，要让学生明确两点：一是矢量的正交分解体现两个分量与原来的矢量是等效替代的关系，二是从特殊到一般的归纳的思维方法。
还应该注意的是：尽管公式F＝ILB是从公式B＝F/IL变形而得的，但两者的物理意义却有不同。①公式B＝F/IL是根据放置于给定磁场中的给定点上的检验电流(电流元)受力情况，来确定这一位置的磁场的性质，它对任何磁场中的任何点都是适用的。②公式F＝ILB则是在已知磁场性质的基础上，确定在给定位置上给定的一小段通电直导线的受力情况，在中学阶段，它只适用于匀强磁场。教师应该给学生指出：物理公式在作数学的等价变形时，其物理意义和适用范围将会发生变化。这是应用数学知识解决物理问题时所要引起注意的问题，但却往往被人们所忽视。
应该提醒学生注意安培力与库仑力的区别。电荷在电场中某一点受到的库仑力是一定的，方向与该点的电场方向要么相同，要么相反。而电流在磁场中某处受到的磁场力，与电流在磁场中放置的方向有关，电流方向与磁场方向平行时，电流受的安培力最小，等于零；电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大，等于BIL，一般情况下的安培力大于零，小于BIL，方向与磁场方向垂直。
3．磁电式电流表
(1)电流表的组成及磁场分布
请同学们阅读课文，让学生先看清楚磁铁、铝框、线圈、螺旋弹簧、极靴、指针、铁质圆柱等构件，了解它们之中哪些是固定的，哪些是可动的。然后回答：电流表主要由哪几部分组成？
数分钟后，教师出示实物投影并课件演示——如下图。
[学生答]电流表由永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘等六部分组成。
电流表的组成：永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘．(最基本的是磁铁和线圈)
教师提示注意：a.铁芯、线圈和指针是一个整体；b.蹄形磁铁内置软铁是为了(和铁芯一起)造就辐向磁场；c.观察——铁芯转动时螺旋弹簧会形变。
[实物投影课本如图]
[问题]电流表中磁场分布有何特点呢？
[教师讲解]电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。
[问题]什么是均匀辐向分布呢？
[教师进一步讲解]所谓均匀辐向分布，就是说所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心，不管线圈处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度．该磁场并非匀强磁场，但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。
(2)电流表的工作原理——引导学生弄清楚以下几点：
①线圈的转动是怎样产生的？
②线圈为什么不一直转下去？
③为什么指针偏转角度的大小可以说明被测电流的强弱？
④如何根据指针偏转的方向来确定电路上电流的方向？
⑤使用时要特别注意什么？
4．课堂巩固与练习
(1)将长度为20 cm、通有0.1 A电流的直导线放入一匀强磁场中，电流与磁场的方向如图所示，已知磁感应强度为1 T。试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向。
解析：由左手定则和安培力的计算公式得：(1)因导线与磁感线平行，所以安培力为零；
(2)由左手定则知：安培力方向垂直导线水平向右，大小F＝BIL＝1×0.1×0.2 N＝0.02 N；
(3)安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上，大小F＝BIL＝0.02 N。
答案：(1)0；导线与磁感线平行。
(2)0.02 N；安培力方向垂直导线水平向右。
(3)0.02 N；安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上。
说明：求安培力的大小时，要注意公式F＝BIL中B与I要垂直；用左手定则判定安培力的方向时，要注意安培力既与导线垂直又与磁感线垂直，但B与I可以成任意夹角。
(2)如图所示，一根长为L的细铝棒用两个倔强系数为k的弹簧水平地悬吊在匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面向里，当棒中通以向右的电流I时，弹簧缩短Δy；若通以向左的电流，也是大小等于I时，弹簧伸长Δy，则磁感应强度B为( )
A．kΔy/IL B．2kΔy/IL
C．kIL/Δy D．2IL/kΔy
解析：设不通电时，弹簧长为x，则通向右的电流时，有2k(x－Δy)＝mg－BIL
通向左的电流时，有2k(x＋Δy)＝mg＋BIL
解得B＝2kΔy/IL
答案：B
(3)完成课本“问题与练习”2、4题。
5．课堂小结：先由学生自主小结整理，分组展示，教师点评归纳。
6．作业布置：课本“问题与练习”第3题。
eq \(\s\up7(),\s\d5(备课资料))
“电学中的牛顿”——安培
物理学家安培，1775年生于法国里昂。他从小就具有惊人的记忆力，几乎可以过目不忘，尤其在数学方面具有非凡的天赋，13岁就发表第一篇数学论文，论述了螺旋线。可是，在法国大革命时期，他的父亲被斩首。这一打击不仅使年轻的安培精神痛苦，并导致家境贫穷，使他失学了．在彷徨中，他读了哲学家卢梭的一本关于植物学的著作，它像火炬一样重新燃起了他对科学的热情，从此他更加刻苦地投入到自学中去。
安培在学习和研究问题时，思想高度集中，专心致志，简直达到了那种忘我的痴迷程度。为了专心研究问题，怕别人来打扰他，安培就在自己的家门口贴上了一张“安培先生不在家”的字条。这样，来找他的人看到字条后就不会再敲门打扰他。有一天，他在家中思考一个问题，百思不得其解，便走出家门，一边散步一边思考这个问题。他在马路上走着走着，好像突然想起了什么便转回身向家走去。他一边走一边还在聚精会神地思考着问题。当他返回自己的家门口时，抬头看见门上贴着“安培先生不在家”的那张字条，自言自语地说：“噢！安培先生不在家，那我回去吧！”说完，回头走了。
正是这种悉心钻研科学的精神使安培在物理学方面有着重要发现，如安培定律、安培定则和分子电流等。安培将他的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中，成为电磁学史上一部重要的经典论著。为了纪念他在电磁学上的杰出贡献，电流的单位“安培”以他的姓氏命名。
eq \(\s\up7(),\s\d5(整体设计))
教学目标
(一)知识与技能
1．知道什么是安培力。知道通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流、磁场方向都垂直时，它的方向的判断——左手定则。知道左手定则的内容，会用左手定则熟练地判定安培力的方向，并会用它解答有关问题。
2．会用安培力公式F＝BIL解答有关问题．知道电流方向与磁场方向平行时，电流受的安培力最小，等于零；电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大，等于BIL。
3．了解磁电式电流表的内部构造的原理。
(二)过程与方法
通过演示、分析、归纳、运用使学生理解安培力的方向和大小的计算。培养学生的空间想象能力。
(三)情感态度与价值观
使学生学会由个别事物的个性来认识一般事物的共性的认识事物的一种重要的科学方法．并通过对磁电式电流表的内部构造的原理了解，感受物理知识之间的联系。
教学重点难点
重点：安培力的方向确定和大小的计算。
难点：左手定则的运用(尤其是当电流和磁场不垂直时，左手定则如何变通使用)。
教学用具
磁铁、电源、金属杆、导线、铁架台、滑动变阻器、多媒体。
eq \(\s\up7(),\s\d5(教学过程))
导入新课
让学生回忆在第二节中通电导线在磁场中受力大小与什么因素有关。
过渡：本节我们将对安培力作进一步的讨论。
推进新课
安培力：磁场对电流的作用力。
安培力是以安培的名字命名的，因为他研究磁场对电流的作用力有突出的贡献。
1．安培力的方向
【演示】 按照P85图3.13所示进行演示。
(1)改变电流的方向，观察发生的现象。
[现象]导体向相反的方向运动。
(2)调换磁铁两极的位置来改变磁场方向，观察发生的现象。
[现象]导体又向相反的方向运动
[教师引导学生分析得出结论]
(1)安培力的方向和磁场方向、电流方向有关系。
(2)安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟电流方向垂直。也就是说，安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面。(图3.41)
如何判断安培力的方向呢？
人们通过大量的实验研究，总结出通电导线受安培力方向和电流方向、磁场方向存在着一个规律——左手定则。
左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且跟手掌在同一个平面内，把左手放入磁场中，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，拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中的受力方向。(如图)
【说明】 左手定则是一个难点，涉及三个物理量的方向，涉及三维空间，而学生的空间想象力还不强，所以教师应引导学生如何将三维图形用二维图形表达(侧视图、俯视图和剖面图等)，还要引导学生如何将二维图形想象成三维图形。——可将下图从侧视图、俯视图和剖面图一一向学生展示。
*一般情形的安培力方向法则介绍……
结论：电流和磁场可以不垂直，但安培力必然和电流方向垂直，也和磁场方向垂直，用左手定则时，磁场不一定垂直穿过手心，只要不从手背穿过就行。
*至于大小法则，如果电流和磁场不垂直，则将磁场进行分解，取垂直分量代入公式即可；从这个角度不难理解——如果电流和磁场平行，那么安培力是多少？[学生]为零。
引导学生分析判断P94第一题
补充练习：判断下图中导线A所受磁场力的方向。
答案：
【演示】 平行通电直导线之间的相互作用(图3.4－3)。
引导学生区别安培定则和左手定则，并且用这两个定则去解释“平行通电导线之间的相互作用”这一演示实验，解释时应明白左边的通电导线受到的安培力是右边的通电导线所产生的磁场施加的，反之亦然。
2．安培力的大小
通电导线(电流为I、导线长为L)和磁场(B)方向垂直时，通电导线所受的安培力的大小：F＝BIL(最大)。
两种特例：即F＝ILB(I⊥B)和F＝0(I∥B)。
一般情况：当磁感应强度B的方向与导线成θ角时，有F＝ILBsinθ。
【注意】 在推导公式时，要让学生明确两点：一是矢量的正交分解体现两个分量与原来的矢量是等效替代的关系，二是从特殊到一般的归纳的思维方法。
还应该注意的是：尽管公式F＝ILB是从公式B＝F/IL变形而得的，但两者的物理意义却有不同。①公式B＝F/IL是根据放置于给定磁场中的给定点上的检验电流(电流元)受力情况，来确定这一位置的磁场的性质，它对任何磁场中的任何点都是适用的。②公式F＝ILB则是在已知磁场性质的基础上，确定在给定位置上给定的一小段通电直导线的受力情况，在中学阶段，它只适用于匀强磁场。教师应该给学生指出：物理公式在作数学的等价变形时，其物理意义和适用范围将会发生变化。这是应用数学知识解决物理问题时所要引起注意的问题，但却往往被人们所忽视。
应该提醒学生注意安培力与库仑力的区别。电荷在电场中某一点受到的库仑力是一定的，方向与该点的电场方向要么相同，要么相反。而电流在磁场中某处受到的磁场力，与电流在磁场中放置的方向有关，电流方向与磁场方向平行时，电流受的安培力最小，等于零；电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大，等于BIL，一般情况下的安培力大于零，小于BIL，方向与磁场方向垂直。
3．磁电式电流表
(1)电流表的组成及磁场分布
请同学们阅读课文，让学生先看清楚磁铁、铝框、线圈、螺旋弹簧、极靴、指针、铁质圆柱等构件，了解它们之中哪些是固定的，哪些是可动的。然后回答：电流表主要由哪几部分组成？
数分钟后，教师出示实物投影并课件演示——如下图。
[学生答]电流表由永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘等六部分组成。
电流表的组成：永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘．(最基本的是磁铁和线圈)
教师提示注意：a.铁芯、线圈和指针是一个整体；b.蹄形磁铁内置软铁是为了(和铁芯一起)造就辐向磁场；c.观察——铁芯转动时螺旋弹簧会形变。
[实物投影课本如图]
[问题]电流表中磁场分布有何特点呢？
[教师讲解]电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。
[问题]什么是均匀辐向分布呢？
[教师进一步讲解]所谓均匀辐向分布，就是说所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心，不管线圈处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度．该磁场并非匀强磁场，但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。
(2)电流表的工作原理——引导学生弄清楚以下几点：
①线圈的转动是怎样产生的？
②线圈为什么不一直转下去？
③为什么指针偏转角度的大小可以说明被测电流的强弱？
④如何根据指针偏转的方向来确定电路上电流的方向？
⑤使用时要特别注意什么？
4．课堂巩固与练习
(1)将长度为20 cm、通有0.1 A电流的直导线放入一匀强磁场中，电流与磁场的方向如图所示，已知磁感应强度为1 T。试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向。
解析：由左手定则和安培力的计算公式得：(1)因导线与磁感线平行，所以安培力为零；
(2)由左手定则知：安培力方向垂直导线水平向右，大小F＝BIL＝1×0.1×0.2 N＝0.02 N；
(3)安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上，大小F＝BIL＝0.02 N。
答案：(1)0；导线与磁感线平行。
(2)0.02 N；安培力方向垂直导线水平向右。
(3)0.02 N；安培力的方向在纸面内垂直导线斜向上。
说明：求安培力的大小时，要注意公式F＝BIL中B与I要垂直；用左手定则判定安培力的方向时，要注意安培力既与导线垂直又与磁感线垂直，但B与I可以成任意夹角。
(2)如图所示，一根长为L的细铝棒用两个倔强系数为k的弹簧水平地悬吊在匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面向里，当棒中通以向右的电流I时，弹簧缩短Δy；若通以向左的电流，也是大小等于I时，弹簧伸长Δy，则磁感应强度B为( )
A．kΔy/IL B．2kΔy/IL
C．kIL/Δy D．2IL/kΔy
解析：设不通电时，弹簧长为x，则通向右的电流时，有2k(x－Δy)＝mg－BIL
通向左的电流时，有2k(x＋Δy)＝mg＋BIL
解得B＝2kΔy/IL
答案：B
(3)完成课本“问题与练习”2、4题。
5．课堂小结：先由学生自主小结整理，分组展示，教师点评归纳。
6．作业布置：课本“问题与练习”第3题。
eq \(\s\up7(),\s\d5(备课资料))
“电学中的牛顿”——安培
物理学家安培，1775年生于法国里昂。他从小就具有惊人的记忆力，几乎可以过目不忘，尤其在数学方面具有非凡的天赋，13岁就发表第一篇数学论文，论述了螺旋线。可是，在法国大革命时期，他的父亲被斩首。这一打击不仅使年轻的安培精神痛苦，并导致家境贫穷，使他失学了．在彷徨中，他读了哲学家卢梭的一本关于植物学的著作，它像火炬一样重新燃起了他对科学的热情，从此他更加刻苦地投入到自学中去。
安培在学习和研究问题时，思想高度集中，专心致志，简直达到了那种忘我的痴迷程度。为了专心研究问题，怕别人来打扰他，安培就在自己的家门口贴上了一张“安培先生不在家”的字条。这样，来找他的人看到字条后就不会再敲门打扰他。有一天，他在家中思考一个问题，百思不得其解，便走出家门，一边散步一边思考这个问题。他在马路上走着走着，好像突然想起了什么便转回身向家走去。他一边走一边还在聚精会神地思考着问题。当他返回自己的家门口时，抬头看见门上贴着“安培先生不在家”的那张字条，自言自语地说：“噢！安培先生不在家，那我回去吧！”说完，回头走了。
正是这种悉心钻研科学的精神使安培在物理学方面有着重要发现，如安培定律、安培定则和分子电流等。安培将他的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中，成为电磁学史上一部重要的经典论著。为了纪念他在电磁学上的杰出贡献，电流的单位“安培”以他的姓氏命名。
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