大单元教学设计1.1 磁场对通电导线的作用力(2019人教版 选择性必修第二册)

第一章安培力与洛伦兹力
第1节磁场对通电导线的作用力
教材分析：
本节课程将深入探讨安培力的方向和大小，以及安培力、电流、磁感应强度三者方向的空间关系（左手定则），这些内容是本章的重点和难点。

需要强调的是，安培力的方向始终与电流和磁感应强度的方向垂直，但电流方向与磁感应强度的方向之间可以存在任意角度。

当电流方向与磁感应强度的方向垂直时，安培力达到最大值。

对于这些概念的准确理解和应用，是本章的另一个难点。

物理核心素养：
物理观念：安培力的方向始终与电流和磁感应强度的方向垂直，这是由于安培力是由电流在磁场中受到的力，而电流的方向与磁感应强度的方向相互垂直，因此安培力的方向也会与这两个方向垂直。

这一结论在物理学中有着广泛的应用，特别是在电力和磁力相互作用的场景中。

科学思维：推导匀强磁场中安培力的表达式，计算匀强磁场中安培力的大小
科学探究：观察安培力与哪些因素有关的实验，记录实验现象并得出相关结论。

科学态度与责任：通过实验演示、动手操作仪器，让学生体验安培力的特点，将理论联系实际。

教学重难点：
1、教学重点：安培力的方向和大小
2、教学难点：安培力、电流和磁感应强度三者的空间关系
教学方法与教具：
多媒体、视频片断、安培力演示仪、三维立体坐标等
教学过程：
一、新课引入
初次与大家见面，我并没有准备贵重的礼物，但为了表达我的诚意和心意，我亲
手制作了一个小爱心。

这个爱心虽然微小，但寄托了我的祝福和希望，希望你们能够喜欢这份简单而真挚的礼物。

(播放动图、音频）
问题：为什么“心”会转动？其中会有怎么样的规律呢？
通过前面的学习我们知道了磁场对通电导线会有力的作用。

安培在这方面有杰出的贡献，为了纪念他，我们把通电导线在磁场中所受的作用力叫做安培力。

电流的单位是A ，说的就是他。

大家应该熟悉了吧。

我们高一学习力的时候，知道力的三要素是力的大小，力的方向和作用点。

通电导线在磁场中所受的作用力作用点肯定在导线上。

那么
问题：安培力的大小和方向是怎么样的呢？
二、新课教学
一、知识回顾
如何描述磁场强弱？
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 IL
F B 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（Ampère force），把电流的单位定为安培
安德烈-马里安培（法语∶André-Marie Ampere，FRS，1775年1月20日-1836年6月10日）是法国物理学家、数学家，经典电磁学的创始人之一。

（一）安培力的方向
实验探究
组装好器材，进行实验，观察导体棒受力方向。

1. 上下交换磁极的位置以改变磁场的方向，观察导体棒受力方向是否改变。

2. 改变导体棒中电流的方向，观察受力方向是否改变。

众多实验表明：通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流方向、磁感应强度的方向都垂直
实验结果分析
试画出下述两实验结果的正视图：
安培力方向既与电流方向垂直又与磁场方向垂直，即垂直于电流和磁场所在的平面
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？
请注意观察，我们发现力的方向与电流方向始终保持垂直，而磁感线的方向是从N 极指向S极的。

因此，力也与磁感线方向相互垂直。

这就意味着，安培力的方向始终与导线和磁感应强度方向所在的平面保持垂直。

换句话说，无论导线的放置方向如何，安培力的方向总是与导线和磁感应强度方向相互垂直。

问题：如何更加精确的判断安培力的方向呢?
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
课堂练习：例1利用左手定则，判断受力方向。

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。

通电导线电流可以产生磁场，我们在上面的实验基础上把磁铁换掉，用通电导线来替代，它们之间的作用力是怎么样的呢？
利用左手定则对实验进行简单的分析。

演示：平行通电直导线之间的相互作用（阅读）
如图所示，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？请你运用学过的知识进行讨论并做出预测，然后用实验检验你的预测。

通过观察动图得出结论①同向电流相互吸引，②反向电流相互排斥。

（二）安培力的大小
研究一个力除了方向还有大小。

（播放动图）通过前面的学习我们已经知道：垂直于磁场B放置、长为L的一段导线，当通过的电流为I时，所受的安培力F为：F=ILB
IL是电流元，相当于电场中的q，磁感应强度B和电场强度E对应，那么整个公式就和F=qE相对应了。

①当磁感应强度B的方向与导线方向垂直时F=ILB
①当磁感应强度B的方向与导线方向平行时F=0.
问题：如果通电导线与磁场方向既不平行也不垂直时呢？
磁感应强度B是一个矢量，可以进行分解，把磁感应强度B分解为两个分量：①一个分量与导线垂直B1=Bsinθ，②另一分量与导线平行B2=Bcosθ，其中平行方向的B2不产生安培力，导线所受的安培力只是垂直方向的B1产生，由此又得：
F=ILBsinθ（F依然垂直与BI组成的平面）
其中I是通过导体的电流，L是通电导线的长度，B为磁感应强度。

这里要注意公式中“L”的理解。

分析：如图所示的通电导线在磁场中，利用左手定则我们知道水平方向的导线受力相互抵消，只有竖直方向的导线受力，所以
有效长度L：从起点到终点的长度。

（当然BI不垂直时，要进行矢量分解）
课堂练习：如图所示，在匀强磁场中用两根柔软的细线将金属棒ab悬挂在水平位置上，金属棒中通入由a到b的稳定电流I，这时两根细线被拉紧，现要想使两根细线对金属棒拉力变为零，可采用哪些方法：
A、适当增大电流I
B、将电流反向并适当改变大小
C、适当增大磁场
D、将磁场反向并适当改变大小
巩固练习1
1、将长度为20cm、通有0.1A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1T。

试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向
2、两条导线互相垂直，但相隔一小段距离，其中ab固定，cd可以自由活动，当通以如图所示电流后，cd导线将（）
A.顺时针方向转动，同时靠近ab
B.逆时针方向转动，同时离开ab
C.顺时针方向转动，同时离开ab
D.逆时针方向转动，同时靠近ab
3、如图所示，蹄形磁体用悬线悬于O点，在磁铁的正下方有一水平放置的长直导线，当导线中通以由左向右的电流时，蹄形磁铁的运动情况将是( )
A．静止不动
B．向纸外平动
C．N极向纸外，S极向纸内转动
D．N极向纸内，S极向纸外转动
4、如图所示，直角三角形abc组成的导线框内通有电流I＝1A，并处在方向竖直向下的
匀强磁场B＝2T中，AC=40cm，
o
a30
=
∠，求三角形框架各边所受的安培力。

5.把一根柔软的螺旋形弹簧竖直悬挂起来,使它的下端刚好跟杯里的水银面接触,并使它组成如图所示的电波,当开关接通后,将看到的现象是( )
A.弹簧向上收缩
B.弹簧被拉长
C.弹簧上下振动
D.弹簧仍静止不动
（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。

磁电式电流表最基本的组成部分是磁体和放在磁体两极之间的线圈。

线圈在磁场中受力的情况如图所示。

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
线圈转动时，图1.1-6 中的螺旋弹簧变形，以反抗线圈的转动。

电流越大，安培力就越大，螺旋弹簧的形变也就越大，线圈偏转的角度也越大，达到新的平衡。

所以，从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小
从前面的分析可知，安培力总与磁感应强度的方向垂直。

电流表的两磁极装有极靴，极靴中间还有一个用软铁制成的圆柱。

这样，极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，如图1.1-8所示。

线圈无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等
电流表的特点
1、灵敏度高，可以测量很弱的电流，但是绕制线圈的导线很细，允许通过的电流很小；
2、电流和安培力成正比，所以电流表的刻度是均匀的；
3、电流方向改变，安培力方向也改变，线圈朝相反方向转动。

回顾导入：你知道我的“心”为什么在动了吗？
利用左手定则知道左边电流受到安培力向里，右边的向外，不断变换，我的“心”就动起来了。

巩固训练
1、一根长为0.2 m的电流为2 A的通电导线，放在磁感应强度为0.5 T的匀强磁场中，受到的安培力大小可能是（）
A、0.4N
B、0.2N
C、0.1N
D、0
2.试画出下列各图中安培力的方向：
3、在垂直纸面向里的匀强磁场B中，有一个垂直磁感线的环形线圈，通有顺时针电流I，如图所示，则下列叙述中正确的是
A、环形线圈所受的磁力的合力为零
B、环形线圈所受的磁力的合力不为零
C、环形线圈有收缩的趋势
D、环形线圈有扩张的趋势
4、在赤道上空，水平放置一根通以由西向东的电流的直导线，则此导线 ( )
A、受到竖直向上的安培力
B、受到竖直向下的安培力
C、受到由南向北的安培力
D、受到由西向东的安培力
5、如图所示，条形磁铁放在水平桌面上，在其正中央的上方固定一根长直导线，导线与磁铁垂直，给导线通以垂直纸面向外的电流，则（）
A．磁铁对桌面压力减小，不受桌面的摩擦力作用
B．磁铁对桌面压力减小，受到桌面的摩擦力作用
C．磁铁对桌面压力增大，不受桌面的摩擦力作用
D．磁铁对桌面压力增大，受到桌面的摩擦力作用
6、如图所示，两平行光滑导轨相距0.2m，与水平面夹角为45°，金属棒MN的质量为0.1kg，处在竖直向上磁感应强度为1T的匀强磁场中，电源电动势为6V，内阻为1Ω，为使MN处于静止状态，则电阻R应为多少？(其他电阻不计)
作业：课后问题与练习：第3题
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在电流和磁场是否垂直这个问题上，学生往往缺乏空间想象力。

因此，教师应该注重培养学生的动手能力，让他们学会用手去判断电流和磁场的相互关系。

通过大量的练习，让学生逐渐体会这个问题的实质。

②在教学过程中，教师可以通过制造悬念的方式，激发学生的好奇心和求知欲。

同时，科学方法教育应该始终贯穿于整个主线中，使学生能够更好地理解科学原理和方法。

通过信息技术的融合，可以更加清晰形象地展示通电导线在磁场受力的情况，从而有助于学生更好地分析问题和解决问题。

③在几何磁电式电流表教学中，教师应该注重对学生进行技术教育，让学生了解物理与现实生活的紧密联系。

通过实际操作和演示，让学生更好地掌握电流表的使用方法和读数技巧。

同时，教师还可以引导学生思考如何利用电流表进行实验设计和测量，进一步加深学生对物理知识的理解和掌握。