梁卉

【教材分析】

通電導線在磁場中受到的安培力是磁場一章的教學重點，也是這一章的核心，也能為后面學習帶電粒子受到的洛倫茲力和電磁感應(yīng)奠定良好基礎(chǔ)。通過前面的學習我們已經(jīng)認識了電流或磁體間的相互作用是通過磁場發(fā)生的，也能夠借助安培定則判斷出電流周圍的磁場。本節(jié)內(nèi)容就是在學習了這些磁場的基本知識基礎(chǔ)上，進一步通過實驗探究和邏輯推理的方法弄清磁場對電流的作用方向。安培力、電流、磁感應(yīng)強度三者的空間關(guān)系需要建立起三維立體模型，所以在實驗中需要帶領(lǐng)學生體會實驗探究的方法，鍛煉空間想像能力。在安培力方向的判斷中，電流方向和磁感應(yīng)強度的方向不論是否垂直，安培力都垂直于電流和磁感應(yīng)強度所組成的平面，學生容易混淆，可以從檢驗電荷在電場中受力這種一維模型中進行適當過度。同時為了使學生能看懂立體圖，熟悉各種角度的側(cè)視、俯視和剖面圖，需要進行適當?shù)挠柧殹?/p>

【學情分析】

初高中階段學生已經(jīng)學過一些磁場的基本知識，比如磁感線特點、電流周圍有磁場、判斷通電螺線管周圍的磁場，能夠建立起適當?shù)目臻g模型。而且在學習電場時我們就通過引入試探電荷的方法建立了一維模型，在這一節(jié)中我們需要引導學生通過實驗探究加上引導，從一維向三維空間過渡，建立起正確分析安培力、電流方向和磁感應(yīng)強度關(guān)系的三維模型。并且引導學生能對安培力進行定量計算，體會從等效替代和從特殊到一般的思維方法，由簡到難層層遞進。

【教學目標】

知識與技能：

1.知道安培力的概念，掌握安培力的計算公式

2.知道左手定則的內(nèi)容，并且能用左手定則準確判斷安培力方向

過程與方法：

1.通過演示實驗，引導學生認真觀察、記錄和分析現(xiàn)象，熟練掌握控制變量法，培養(yǎng)空間思維能力。

2.通過合作交流，學會對實驗現(xiàn)象進行科學歸納。

3.通過對安培力的推導，體會等效替代和特殊到一般的科學思維方法

情感態(tài)度與價值觀：

1.從探究式教學過程中體驗合作學習的樂趣

2.從對于實驗現(xiàn)象的科學歸納中，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度

【教學重難點】

重點：安培力的大小和方向

難點：安培力、電流、磁感應(yīng)強度三者方向的關(guān)系建立

【教學方法】

演示、探究、討論歸納、講授、練習

【教學過程】

一、引入

演示實驗一：將一塊蹄形磁鐵慢慢地接近發(fā)光的白熾燈泡，可以看到燈絲會顫動起來。燈絲受到了磁場施加的力，這種力是安培力嗎？

學生回答：是，人們把通電導線在磁場中受到的力稱為安培力。

這節(jié)課我們要進一步研究安培力的方向以及安培力的大小問題。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)物理情境，引起學生的興趣。

二、新課教學

（一）安培力方向

演示實驗二：閉合電路，請學生觀察導線運動方向

提問1：電流元受力方向與磁場和導線方向在一條直線上嗎？

學生回答：不在

提問2：那在一個平面內(nèi)嗎？

學生回答：不在

提問3：那我們怎么確定安培力的方向呢？需要建立什么樣的坐標呢？

學生討論回答：通過實驗觀察記錄三者的方向，然后總結(jié)它們方向有什么關(guān)系。既然不在一條直線上，而且也不在同一平面內(nèi)，那就建立三維坐標。

演示實驗三：按照右圖①改變導線中電流的方向，觀察受力方向。②上下交互磁場的位置以改變磁場的方向，觀察受力方向。

記錄現(xiàn)象

提問4：請大家討論并歸納一下安培力的方向和電流元方向、磁場方向之間有什么關(guān)系？

學生回答：安培力的方向和電流方向和磁場方向都有關(guān)，安培力的方向和電流元垂直、和磁場方向也垂直。

提問5：我們在演示時不知有沒有發(fā)現(xiàn)，導線放置的位置是和磁場方向垂直的，如果不垂直的話，安培力的方向會不會發(fā)生變化，就不和磁場、電流元方向垂直了？

演示實驗四：適當轉(zhuǎn)動導線，使磁場和電流元之間的夾角不等于0°或90°，再次觀察記錄此時的安培力方向。

提問6：請大家再和前面的實驗記錄結(jié)合在一起討論一下，安培力和電流元方向以及磁場方向的關(guān)系？（結(jié)合課本）

歸納討論：雖然導線放置沒有和磁場垂直，但是安培力還是和磁場垂直，也和電流元方向垂直。

結(jié)論：安培力、磁場方向和電流方向滿足左手定則

左手定則：伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi);讓磁感應(yīng)線從掌心進入，并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向。

設(shè)計意圖：通過實驗實際體驗物理規(guī)律，培養(yǎng)學生細心觀察能力，在記錄實驗現(xiàn)象后和同學老師一起討論總結(jié)實驗規(guī)律，提高歸納能力。再用自己的語言描述實驗規(guī)律的基礎(chǔ)上利用課本對規(guī)律提煉也可以體驗獲取知識的樂趣。

規(guī)律：四指→電流I;磁感線B→穿過掌心;大拇指→安培力F

安培力垂直于電流和磁場所在的平面。但B與I 不一定垂直。

若磁場和導線不垂直，可以讓磁感線斜穿過掌心。

例題1、如圖為一段通電導體棒在勻強磁場中受力的示意圖。試確定圖A、圖B、圖C、圖D中導體棒所受安培力的方向，圖E中電流的方向和圖F中勻強磁場的方向。

設(shè)計意圖：有些圖能明顯看出導線和磁場垂直，但是C圖中雖然導體棒是傾斜的，但是導線和磁場仍然是垂直的，部分學生看不出來。對照A中的立體圖，可以看出B圖是它的側(cè)視圖，E圖是A的俯視圖，但是F圖看上去是A的正視圖，但是如果要在F圖中添加磁場方向的話，磁場卻不完全是A圖中的磁場方向，而是在oyz平面內(nèi)且與z的正方向夾角不超過±90°范圍內(nèi)。通過幾張圖的對比分析，提高空間想象能力。

練習1：請嘗試用左手定則判斷以下通電導線收到的安培力方向：

設(shè)計意圖：訓練學生利用左手定則判斷安培力方向，三維圖形立體感強，雖然直觀、形象、逼真，但是學生的空間想象力還不夠，所以要加強三維圖形的識別和訓練。特別是三維圖在畫受力方向時有時不如二維圖清楚、準確，所以需要適當?shù)挠脗?cè)視圖、俯視圖或剖面圖來表達。

思考：根據(jù)已經(jīng)掌握的知識分析一下電流之間的作用。（學生分析討論，請學生回答）

演示實驗五：通電平行直導線間的作用力方向

（1）電流的方向相同時? 現(xiàn)象：兩平行導線相互靠近

（2）電流的方向相反時? 現(xiàn)象：兩平行導線相互遠離

引導學生利用已有的知識進行分析

如圖，兩根靠近的平行直導線通入方向相同的電流時，它們相互間的作用力的方向如何？

設(shè)計意圖：引導分析通電導線在磁場中的受力時能正確區(qū)分安培定則和左手定則。

（二）安培力大小

提問：學習了怎樣判斷安培力的方向，安培力大小如何計算？那如果導線和磁場夾角為θ呢？

引導學生對比安培力和靜電力。電荷在電場中某一點收到的靜電力是一定的，方向和電場方向在同一直線上。而電流在磁場中收到的磁場力大小與電流在磁場中放置的位置有關(guān)（由第2節(jié)已經(jīng)學習過導線和磁場垂直時受力最大F=BIL，導線和磁場平行時F=0），方向與磁場方向垂直。

引導學生推導：

把磁感應(yīng)強度B分解為兩個分量：

垂直 B1=Bsinθ

平行 B2=Bcosθ

平行于導線的分量B2不對導線產(chǎn)生作用力，通電導線所受作用力僅由B1決定F=IL·Bsinθ

師生共同總結(jié)：

當導線⊥磁場時：F安=BIL當導線∥磁場時：F安=0當導線與磁場成任意夾角θ時：F安=BILsinθ

設(shè)計意圖：教會學生學會總結(jié)和歸納，學會從特殊到一般的思維方法。

練習2：若練習1中導線長度為L、電流為I，磁感應(yīng)強度為B，求圖中導線所受的安培力

設(shè)計意圖：進一步訓練提高學生的空間想象力，能正確識別導線和磁場的角度，將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖。題目中所給出的θ角不一定是I和B的夾角，所以可以把公式理解為F=B⊥IL

（三）安培力的應(yīng)用：磁電式電流表

自主學習：閱讀課本P93頁磁電式電流表的相關(guān)內(nèi)容，PPT展示構(gòu)造和問題，學生進行小組式討論了解磁電式電流表的工作原理。

問題：①電流表中磁場分布有何特點？

②線圈的轉(zhuǎn)動是怎樣產(chǎn)生的？

③指針偏轉(zhuǎn)的角度和什么有關(guān)？刻度是均勻的嗎？

④怎么根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向判斷電流的方向？

設(shè)計意圖：在教師的幫助下培養(yǎng)學生自主學習以及小組合作的能力。

三、課堂小結(jié)

1.安培力的概念：磁場對通電導線的作用力

2.安培力的方向：左手定則（F⊥B和導線組成的平面）

3.安培力大?。篎=B⊥IL

4.安培力應(yīng)用：磁電式電流表：構(gòu)造、工作原理。

【教學反思】

利用演示實驗，讓學生對實驗細心觀察，通過小組合作積極思考歸納規(guī)律，促進學生的交流與合作，培養(yǎng)學生團體協(xié)作精神。由于安培力、導線放置和磁場方向需建立三維空間模型，所以在總結(jié)出左手定則后要加強空間立體圖形的訓練，而且在后續(xù)的學習中還要進一步加強立體圖的識別以及將立體圖轉(zhuǎn)化為二維平面圖形的訓練，為電磁感應(yīng)的學習打下力學基礎(chǔ)。在動手嘗試過左手定則正確判斷安培力后讓學生能通過自主學習了解磁電式電流表的工作原理，也讓學生學會思考，能用所學過的知識解決實際問題，培養(yǎng)發(fā)散思維。

同時本節(jié)是通電導線在磁場中受力的第一節(jié)課，習題與問題只要能對安培力大小和方向正確判斷就可以了，不討論導線還受到其他力后的平衡和加速問題。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國教育部制定.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].人民教育出版社

[2]物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書——物理·教師教學用書（選修3-1）[M].人民教育出版社

（江蘇省南京市第三高級中學，江蘇 南京 210001）