“通电导线在磁场中受到的力”教学设计

唐光善

一、教学设计思路

本节是规律探究课，在教学方法上，采用“任务驱动”教学法，即以学生为中心，以任务为载体，把教学内容巧妙地隐含在一个个具体任务之中，学生通过独立或协作完成任务，学习新知识和新技能.主要特色为：

（1）本文设计了实验探究安培力的方向与磁场、电流的方向关系；理论探究安培力大小的表达式；揭秘电磁轨道炮和了解磁电式电表的工作原理等学习任务，使学生在任务解决中学习到新知识和新技能.

（2）设计了分组实验：观察通电铝箔在磁场中的受力情况，用不同颜色的塑料棒分别代表安培力、磁场和电流的方向，用橡皮泥固定塑料棒，得出这三个方向的立体关系，学生体验到空间关系构建方法.

二、教材及前情简析

本节教材系人教版物理选修3-1第三章第4节的内容，磁场对电流的作用——安培力，在教材中起着承上启下的作用，因为它不仅是与上节知识（磁场性质）的联系点，而且是学习电流表工作原理和推导洛伦兹力公式的基础.安培力方向与电流、磁场方向的关系的实验探究是采用控制变量法探究物理基本规律的一节课，涵盖了科学探究的基本因素，有助于培养学生的物理学科的核心素养.

学生在学习本章节之前，已经学习了磁场，知道了磁体和电流周围磁场的性质及特点，了解到磁体间的相互作用、电流周围存在着磁场以及电与磁之间有联系.另外，学生通过高一物理“必修”课程的学习，经历了牛顿第二定律等实验探究过程，已经掌握了变量控制实验探究的一些科学研究方法，为本节的探究性学习做了铺垫.鉴于大部分学生基本功扎实、已有知识掌握熟练到位，本节课可以在教师引导下采用“任务驱动”教学法完成教学内容.

三、教学目标

1.知识与技能

（1） 知道安培力，会计算安培力的大小

（2） 知道安培力的方向与电流、磁场方向都垂直，会用左手定则判断安培力的方向；

（3） 知道磁电式电表的基本构造以及运用它测量电流大小和方向的基本原理.

2.过程与方法

（1） 经历推导磁场中安培力的表达式，感受逻辑的力量；

（2） 通过学生分组实验，经历探究磁场对电流的作用力的方向和电流方向、磁场方向的关系这一过程，体验控制变量探究物理规律的方法.

3.情感、态度与价值观

（1）了解安培力在生产、生活中的作用，培养学生将科学技术服务于人类社会的意识；

（2） 经历磁场对电流的作用力的方向和电流方向、磁场方向的关系这一过程，培养学生的科学探究意识和正确的科学态度以及责任心.

四、教学准备

演示器材：安培力演示仪（如图1）、两平行的通电直导线安培力演示仪（如图5）.

分组实验器材：会动的铝箔“天桥”（包括：铝箔纸、1号电池组、蹄型磁铁、导线若干，如图3）、橡皮泥、彩色塑料杆（三色）

五、教学过程

【活动一】创设情境，提出本节课的核心任务

（1）创设情景 （视频展示）央视国际频道的一则电磁轨道炮的新闻.

（2）提出课题电磁轨道炮，是一种新式武器，既安全精准又威力巨大，各国正在争相研发，它与常规炮弹靠化学剂的推动不同，电磁轨道炮利用的是一种新型的推进方式，它的原理是怎样的呢？这节课，我们就来揭秘“电磁轨道炮”.

设计意图：以尖端科技（电磁轨道炮）引入新课，学生感觉很新奇，可以有效激发学生学习兴趣，将学生的注意力集中到课堂.

【活动二】感受小型“电磁轨道炮”，经历理性分析实验现象过程

（1）介绍实验装置如图1，这也是一个小型的电磁轨道炮.它是由竖直向下的匀强磁场，金属轨道和炮弹（金属棒）组成.

（2）实验演示将导体棒放在磁场中，接通电源，导体棒就通上电，同学们观察到：电磁轨道炮被发射出去了.

（3）解释现象提问：通电导体棒为什么会被发射出去？说明什么？ （生答：通电导体棒受到力）

追问1：这个力的施力物体是谁？（生答：施力物是磁场）

追问2：磁场会对电流有作用吗？（引导学生回顾之前的实验，并在屏幕上显示图2）

追问3：这个力是磁场对电流的力，还是对金属棒的力？（学生有的猜测是磁场对电流的力，有的猜测是磁场对金属棒的力）

（4）实验验证①撤去磁场，其它不变，发现金属棒不动.说明金属棒受到的力的施力物体确实是磁场；②切开电源，其它不变，发现金属棒不动.说明这个力是磁场对通电导线（电流）的力.

（5）提出概念为了纪念法国物理学家安培在电磁学中做出的卓越贡献，我们把磁场对通电导线（电流）的力叫做安培力.

（6）提出探究分任务一从刚才的实验中我们看到，安培力就是电磁炮发射的动力，为了有效的发射电磁轨道炮我们必须知道这个力的方向是怎样的，受哪些因素影响，下面我们通过实验来探究.

设计意图：通过演示实验，模拟电磁轨道炮的发射过程，学生获得感性认识，为本课题学习提供必要的感性材料.

【活动三】 实验探究安培力的方向与磁场方向和电流方向的关系

（1）演示实验改变电流的方向，观察到通电导体棒向另一方向运动，说明什么？（生答：安培力的方向发生了变化）如果电流方向不变改变磁场的方向，观察到导体棒将向另一方向运动，说明安培力的方向发生了变化.

（2） 提出猜测通过刚才的演示，你认为安培力的方向跟哪些因素有关呢？（生答：安培力方向与磁场、电流方向有关系）

接下来我们通过分组实验来探究安培力方向与磁场、电流方向之间有怎样的关系.

（3）设计方案 提问：要研究磁场方向、电流方向对安培力方向的影响，可以分为几大步？（生答：采用控制变量法，分两大步：第一步是保持电流方向不变，探究安培力与磁场的方向关系；第二步是保持磁场方向不变，探究安培力与电流方向的关系）

（4）实验器材介绍如图3，会动的铝箔“天桥”.（将一张平整的铝箔纸，折成“天桥”的形状，注意离纸面不要太高.让磁铁横跨“天桥”.铝箔桥的一端与电源的一极连接，电源另一极与铝箔桥另一端触碰，观察铝箔的运动（铝箔会向上或向下运动），即可获知安培力的方向.

为了便于同学们记录三者的方向关系，为每个小组准备了红、黄、绿三色的塑料杆和一小块橡皮泥，统一用红色杆代表安培力方向，统一用黄色杆代表磁场的方向，统一用绿色杆代表电流方向.

（5）学生分组实验学生按照设计的方案，进行实验，并用橡皮泥记录下三者的方向关系.

（6）交流实验结果各小组展示自己的记录结果（各组做出的结果都一样），如图4所示，安培力的方向与另两个量的方向均垂直.

（7）归纳、总结问1：改变电流方向，安培力方向会变化，改变磁场方向，电流方向也会变化，是不是要做出很多个“雕塑”，为什么？（生答：不需要，不管是哪种情况，三个量之间的空间位置一样）

问2：请一位同学给大家演示一下？（同学展示他们的“雕塑”）

问3：确实，虽然电流方向、磁场方向会影响安培力的方向，但这三个量方向的相对位置不变，三个量的方向关系是相对固定的，可以统一用图4来表示.以后判断安培力方向时，只要拿出雕塑比划一下就可以，是不是？（生答：是的）

问4：每天带着这个雕塑方便吗？（生答：不方便）

问5：有没有更简洁的方法表达这个关系呢？最好是什么都不带就能把它们的关系表述清楚？（学生陷入思考中）

（引导）问6：前面我们学过右手螺旋定则，来表达电流方向和磁场的关系，这个方法很简洁的，我们能不能也类似的用手来表达这种关系呢？

（8）提炼规律（学生兴奋地用左手在磁场中不断尝试）得到左手定则（内容略）.

（9）应用规律①判断以下几种情况的安培力方向（教师请同学拿出左手判断）

②两条平行的通电直导线之间会通过磁场发生相互作用.在什么情况下两条导线相互吸引，什么情况下相互排斥？

（引导学生先理论分析，得到同向电流相互吸引，反向电流相互排斥.再用实验验证，实验装置如图5所示）

（10）提出探究分任务二有了左手定则，我们可以准确的设定电磁炮的发射方向了，我们还需要进一步研究怎样让电磁炮具有更强的杀伤力，这与它的动力系统有着密不可分的联系.制约安培力大小的因素有哪些呢？下面我们进一步探究.

设计意图：学生分组实验探究，经历规律发现过程，尝试用“左手”归纳判断安培力方向的方法，可以让学生最大程度的参与课堂；②借助小工具立体展现三个量的方向关系，体验空间关系构建方法.

【活动四】理论探究安培力大小的表达式

（1）回顾B的定义提问：磁感应强度是怎样定义的？（生答：B=FIL）

问2：对导线的放置有什么要求？（生答：要求导线垂直磁场放置）

问3：如果导线平行磁场放置，安培力是多大？（生答：零）

问4：如果导线与磁场既不平行也不垂直，安培力是多大？（介于零和垂直放置之间）

下面，请同学们推导安培力的表达式.

（2）理论推导特殊情况问1：如图6（a），当通电导线垂直磁场放置时，安培力大小？

问2：当通电导线平行磁场放置时，安培力大小？（这两种情况，学生一般没有问题）

（3） 理论推导一般情况如图6（b），如果磁场与电流成θ角时，安培力表达式怎样？请各小组先讨论，并给出结论？

（学生讨论后给出两种方法，一种是分解B，另一种分解L，得到相同的结果F=BILsinθ，并认识到垂直和平行是两种特殊情况.）

设计说明：在定义磁感应强度时，学生经历了实验探究的过程，所以此处只进行理论探究，推导出安培力大小的表达式.

【活动五】揭秘电磁轨道炮

（1）设置情景电磁轨道炮原理如图7所示，整个装置可以把质量为20 g弹体（包括金属杆的质量）发射出去.若轨道宽2m，金属杆上电流为10 A，磁感应强度为1 T，经过t=2 s的加速，问弹体获得速度是多大？

（2）学生独立解答a=Fm=BILm=1000 m/s2v=at=2000 m/s，

（3）思考讨论如果要提高电磁炮的发射速度，你认为可以怎么办？

（学生讨论后得到三种方式：①增大电流、 ②增强磁场、 ③减轻质量.）

设计意图：学生经历安培力方向的探究、安培力大小的探究、解决电磁轨道炮的问题，学生意识到看似神秘的电磁炮，其实它的原理并不深奥！

【活动六】规律应用，探究磁电式电表的工作原理

（1）观察磁电式电表如图8，让学生观察磁铁、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，哪些是可以动的.

（2）分组讨论（屏幕上显示如下问题）

问1：表中磁场分布有何特点呢？

问2：线圈的转动是怎样产生的？

问3：线圈为什么不能一直转动下去？

问4：为什么指针偏转角度的大小可以说明被测电流的强弱？

问5：如何根据指针偏转的方向来确定电路上电流的强弱？

问6：使用时要注意什么？

（3）交流结果（组织学生回答以上问题，定性了解磁电式电表的工作原理）

（4）课外探究请大家课外探究：为什么磁电式电表的表针刻度是均匀的？（针对有能力的学生，让他们去进行一步思考、研究）

（5）联系生活观看视频：安培力在生活中的应用.

设计意图：先让学生观察磁电式电表的结构，再分组讨论、自学其工作原理，最后让学有余力的同学进一步探究磁电式电表的表针刻度是均匀的，这样的设计能充分发挥学生的主体作用.