教学案例《通电导线在磁场中受到的力》

梁卉

【教材分析】

通电导线在磁场中受到的安培力是磁场一章的教学重点，也是这一章的核心，也能为后面学习带电粒子受到的洛伦兹力和电磁感应奠定良好基础。通过前面的学习我们已经认识了电流或磁体间的相互作用是通过磁场发生的，也能够借助安培定则判断出电流周围的磁场。本节内容就是在学习了这些磁场的基本知识基础上，进一步通过实验探究和逻辑推理的方法弄清磁场对电流的作用方向。安培力、电流、磁感应强度三者的空间关系需要建立起三维立体模型，所以在实验中需要带领学生体会实验探究的方法，锻炼空间想像能力。在安培力方向的判断中，电流方向和磁感应强度的方向不论是否垂直，安培力都垂直于电流和磁感应强度所组成的平面，学生容易混淆，可以从检验电荷在电场中受力这种一维模型中进行适当过度。同时为了使学生能看懂立体图，熟悉各种角度的侧视、俯视和剖面图，需要进行适当的训练。

【学情分析】

初高中阶段学生已经学过一些磁场的基本知识，比如磁感线特点、电流周围有磁场、判断通电螺线管周围的磁场，能够建立起适当的空间模型。而且在学习电场时我们就通过引入试探电荷的方法建立了一维模型，在这一节中我们需要引导学生通过实验探究加上引导，从一维向三维空间过渡，建立起正确分析安培力、电流方向和磁感应强度关系的三维模型。并且引导学生能对安培力进行定量计算，体会从等效替代和从特殊到一般的思维方法，由简到难层层递进。

【教学目标】

知识与技能：

1.知道安培力的概念，掌握安培力的计算公式

2.知道左手定则的内容，并且能用左手定则准确判断安培力方向

过程与方法：

1.通过演示实验，引导学生认真观察、记录和分析现象，熟练掌握控制变量法，培养空间思维能力。

2.通过合作交流，学会对实验现象进行科学归纳。

3.通过对安培力的推导，体会等效替代和特殊到一般的科学思维方法

情感态度与价值观：

1.從探究式教学过程中体验合作学习的乐趣

2.从对于实验现象的科学归纳中，培养学生严谨的科学态度

【教学重难点】

重点：安培力的大小和方向

难点：安培力、电流、磁感应强度三者方向的关系建立

【教学方法】

演示、探究、讨论归纳、讲授、练习

【教学过程】

一、引入

演示实验一：将一块蹄形磁铁慢慢地接近发光的白炽灯泡，可以看到灯丝会颤动起来。灯丝受到了磁场施加的力，这种力是安培力吗？

学生回答：是，人们把通电导线在磁场中受到的力称为安培力。

这节课我们要进一步研究安培力的方向以及安培力的大小问题。

设计意图：创设物理情境，引起学生的兴趣。

二、新课教学

（一）安培力方向

演示实验二：闭合电路，请学生观察导线运动方向

提问1：电流元受力方向与磁场和导线方向在一条直线上吗？

学生回答：不在

提问2：那在一个平面内吗？

学生回答：不在

提问3：那我们怎么确定安培力的方向呢？需要建立什么样的坐标呢？

学生讨论回答：通过实验观察记录三者的方向，然后总结它们方向有什么关系。既然不在一条直线上，而且也不在同一平面内，那就建立三维坐标。

演示实验三：按照右图①改变导线中电流的方向，观察受力方向。②上下交互磁场的位置以改变磁场的方向，观察受力方向。

记录现象

提问4：请大家讨论并归纳一下安培力的方向和电流元方向、磁场方向之间有什么关系？

学生回答：安培力的方向和电流方向和磁场方向都有关，安培力的方向和电流元垂直、和磁场方向也垂直。

提问5：我们在演示时不知有没有发现，导线放置的位置是和磁场方向垂直的，如果不垂直的话，安培力的方向会不会发生变化，就不和磁场、电流元方向垂直了？

演示实验四：适当转动导线，使磁场和电流元之间的夹角不等于0°或90°，再次观察记录此时的安培力方向。

提问6：请大家再和前面的实验记录结合在一起讨论一下，安培力和电流元方向以及磁场方向的关系？（结合课本）

归纳讨论：虽然导线放置没有和磁场垂直，但是安培力还是和磁场垂直，也和电流元方向垂直。

结论：安培力、磁场方向和电流方向满足左手定则

左手定则：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内;让磁感应线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。

设计意图：通过实验实际体验物理规律，培养学生细心观察能力，在记录实验现象后和同学老师一起讨论总结实验规律，提高归纳能力。再用自己的语言描述实验规律的基础上利用课本对规律提炼也可以体验获取知识的乐趣。

规律：四指→电流I;磁感线B→穿过掌心;大拇指→安培力F

安培力垂直于电流和磁场所在的平面。但B与I 不一定垂直。

若磁场和导线不垂直，可以让磁感线斜穿过掌心。

例题1、如图为一段通电导体棒在匀强磁场中受力的示意图。试确定图A、图B、图C、图D中导体棒所受安培力的方向，图E中电流的方向和图F中匀强磁场的方向。

设计意图：有些图能明显看出导线和磁场垂直，但是C图中虽然导体棒是倾斜的，但是导线和磁场仍然是垂直的，部分学生看不出来。对照A中的立体图，可以看出B图是它的侧视图，E图是A的俯视图，但是F图看上去是A的正视图，但是如果要在F图中添加磁场方向的话，磁场却不完全是A图中的磁场方向，而是在oyz平面内且与z的正方向夹角不超过±90°范围内。通过几张图的对比分析，提高空间想象能力。

练习1：请尝试用左手定则判断以下通电导线收到的安培力方向：

设计意图：训练学生利用左手定则判断安培力方向，三维图形立体感强，虽然直观、形象、逼真，但是学生的空间想象力还不够，所以要加强三维图形的识别和训练。特别是三维图在画受力方向时有时不如二维图清楚、准确，所以需要适当的用侧视图、俯视图或剖面图来表达。

思考：根据已经掌握的知识分析一下电流之间的作用。（学生分析讨论，请学生回答）

演示实验五：通电平行直导线间的作用力方向

（1）电流的方向相同时  现象：两平行导线相互靠近

（2）电流的方向相反时  现象：两平行导线相互远离

引导学生利用已有的知识进行分析

如图，两根靠近的平行直导线通入方向相同的电流时，它们相互间的作用力的方向如何？

设计意图：引导分析通电导线在磁场中的受力时能正确区分安培定则和左手定则。

（二）安培力大小

提问：学习了怎样判断安培力的方向，安培力大小如何计算？那如果导线和磁场夹角为θ呢？

引导学生对比安培力和静电力。电荷在电场中某一点收到的静电力是一定的，方向和电场方向在同一直线上。而电流在磁场中收到的磁场力大小与电流在磁场中放置的位置有关（由第2节已经学习过导线和磁场垂直时受力最大F=BIL，导线和磁场平行时F=0），方向与磁场方向垂直。

引导学生推导：

把磁感应强度B分解为两个分量：

垂直 B1=Bsinθ

平行 B2=Bcosθ

平行于导线的分量B2不对导线产生作用力，通电导线所受作用力仅由B1决定F=IL·Bsinθ

师生共同总结：

当导线⊥磁场时：F安=BIL当导线∥磁场时：F安=0当导线与磁场成任意夹角θ时：F安=BILsinθ

设计意图：教会学生学会总结和归纳，学会从特殊到一般的思维方法。

练习2：若练习1中导线长度为L、电流为I，磁感应强度为B，求图中导线所受的安培力

设计意图：进一步训练提高学生的空间想象力，能正确识别导线和磁场的角度，将立体图转化为平面图。题目中所给出的θ角不一定是I和B的夹角，所以可以把公式理解为F=B⊥IL

（三）安培力的应用：磁电式电流表

自主学习：阅读课本P93页磁电式电流表的相关内容，PPT展示构造和问题，学生进行小组式讨论了解磁电式电流表的工作原理。

问题：①电流表中磁场分布有何特点？

②线圈的转动是怎样产生的？

③指针偏转的角度和什么有关？刻度是均匀的吗？

④怎么根据指针的偏转方向判断电流的方向？

设计意图：在教师的帮助下培养学生自主学习以及小组合作的能力。

三、课堂小结

1.安培力的概念：磁场对通电导线的作用力

2.安培力的方向：左手定则（F⊥B和导线组成的平面）

3.安培力大小：F=B⊥IL

4.安培力应用：磁电式电流表：构造、工作原理。

【教学反思】

利用演示实验，让学生对实验细心观察，通过小组合作积极思考归纳规律，促进学生的交流与合作，培养学生团体协作精神。由于安培力、导线放置和磁场方向需建立三维空间模型，所以在总结出左手定则后要加强空间立体图形的训练，而且在后续的学习中还要进一步加强立体图的识别以及将立体图转化为二维平面图形的训练，为电磁感应的学习打下力学基础。在动手尝试过左手定则正确判断安培力后让学生能通过自主学习了解磁电式电流表的工作原理，也让学生学会思考，能用所学过的知识解决实际问题，培养发散思维。

同时本节是通电导线在磁场中受力的第一节课，习题与问题只要能对安培力大小和方向正确判断就可以了，不讨论导线还受到其他力后的平衡和加速问题。

【参考文献】

[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].人民教育出版社

[2]物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书——物理·教师教学用书（选修3-1）[M].人民教育出版社

（江蘇省南京市第三高级中学，江苏 南京 210001）