探究安培力的影响因素

师：[设疑]前面学习了电场和磁场，电和磁之间是否存在着某种内在联系？

[flash演示]奥斯特实验

[提问]

小磁针的偏转说明了什么？

[分析与讨论]

小磁针在磁场中受磁场力的作用才会发生偏转，实验结果说明，不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场。通电导线通过周围产生的磁场对磁体有力的作用（电流→磁场→磁体）。那根据牛顿第三定律可知，磁体通过周围的磁场对通电导线也应该有力的作用（磁体→磁场→电流？）。下面我们就用一个迷你小实验来探究一下磁场对通电导线是否也有力的作用呢？

2、学生回答：不仅磁铁能产生磁场，电流也能产生磁场。

[板书]

一、探究磁场对电流的作用

1、安培力

[迷你实验]

第一种第二种第三种第四种

[分析与讨论]

实验中观察到什么现象？可以得到什么实验结果？

[总结]

当通电导线附近有磁体时，通电导线会受到力的作用。物理学上把磁场对电流的作用力称为安培力。

2、方向的判断——

[提出问题]

从前面的实验中发现，当通电导线的电流方向改变或磁体的磁极位置交换时，通电导线的受力方向也会发生改变。说明安培力的方向与电流方向和磁场方向有关。怎样具体确定安培力的方向？

[过渡]

安培力是个矢量，之前我们已经研究了它的方向，那么它的大小到底会与哪些因素有哪些？

3、大小的探究——控制变量法

[提出问题]

请同学们在上述实验的基础上提出猜想，安培力的大小可能与哪些因素有关？

[猜想与假设]

引导学生在上述实验的基础上提出猜想，安培力可能与通电导线的长度

（通电导线在磁场中的长度）、电压（电流）以及磁场（磁感应强度）等因素有关。（导线材料？横截面积？）

[总结]

基于有些因素前任已经排出了其可能性，今天我们就研究一下安培力与电流大小I、磁场中导线长度L及磁感应强度B的关系。

(引导学生进行讨论交流设计实验)

[研究方法]

从上面的分析可知，影响安培力的因素很多，如果将它们混在一起考虑，无法知道每个因素是怎样影响安培力的。因此，实验中通常只让某个因素(变量)变化，不让其他因素变化(控制变量)，这样便知道这个因素是如何影响安培力的了。这就是物理学中一种重要的思想方法——控制变量法。（类似于探究牛顿第二定律a与F、m的关系）

[设计实验]

（1）研究F与I的关系：

控制B、L不变

如何改变I？通过调整滑动变阻器的滑片位置改变电流的大小（一种短路，一种较大电阻）如何通过现象判断F与I的关系？观察通电导线摆动后悬线与竖直方向的夹角（安培力越大，摆动角度越大）

[实验方案]

①将导体棒用细铜丝悬挂起来，细铜丝与电源相连，导体棒置于蹄形磁铁中，并与磁感线垂直。（蹄形磁铁中间的磁场可以近似认为是匀强磁场）

②在磁感应强度和通电导线在磁场中的长度不变的情况下，合上开关，移动滑片位置改变电流的大小，探究电流的大小对安培力的影响。观察其现象。

[由学生分析现象]

当增大流过通电导线的电流时，通电导线摆动后悬线与竖直方向的夹角变大。（由力的平衡条件可得，F越大，夹角越大）→（定性研究得出）I越大，F越大；I越小，F越小→（经物理学家的进一步定量研究得出）F与I成正比。

（2）研究F与L的关系：

控制B、I不变（使滑动变阻器处于被短路状态）

如何改变L？通过并列放置2块磁感应强度磁铁改变磁场中导体的长度。

如何放置2块磁铁？（注意：磁铁的并列放置，N与N同向；如果N与S 同向，则2个磁场相互抵消）

如何通过现象判断F与L的关系？观察通电导线摆动后悬线与竖直方向的夹角

[实验方案]

①将导体棒用细铜丝悬挂起来，细铜丝与电源相连，导体棒置于蹄形磁铁中，并与磁感线垂直。

②在磁感应强度与电流的大小情况下，改变通电导线在磁场中的长度，合上开关，探究通电导线在磁场中的长度对安培力的影响。观察其现象。

[由学生分析现象]

当增大通电导线在磁场中的长度时，通电导线摆动后悬线与竖直方向的夹角变大。→（定性研究得出）L越长，F越大；L越短，F越小→（经定量研究得出）F与L成正比。

（3）研究F与B的关系：

控制I、L不变（由于时间关系进行演示，使滑动变阻器处于被短路状态）

如何改变B？通过换用1块宽度一样磁性更强的磁铁，改变磁场的磁感应强度。（用两块小的蹄型磁铁的等效宽度和磁性强的磁铁宽度一样）

如何通过现象判断F与B的关系？观察通电导线摆动后悬线与竖直方向的夹角

[实验方案]

①将导体棒用细铜丝悬挂起来，细铜丝与电源相连，导体棒置于蹄形磁铁中，并与磁感线垂直。

②在电流和通电导线在磁场中的长度不变的情况下不变的情况下，通过换用磁感应强

度不同的磁铁，改变磁场的磁感应强度的大小，探究磁感应强度的大小对安培力的影响。观察其现象。

[教师分析现象]

当增大磁感应强度时，通电导线摆动后悬线与竖直方向的夹角变大。→（定性研究得出）B越大，F越大；B越小，F越小→（进一步定量研究得出）F 与B成正比。

经进一步研究表明：在匀强磁场中，当通电直导线与磁场方向垂直时，通电导线所受的安培力最大，等于磁感应强度B、电流I和导线长度L的乘积，即F=BIL

强调：

①公式的适用条件——匀强磁场且B与I垂直。

②各物理量单位：F－N，B－T，I－A，L－m（强调L指磁场中通电导线的长度）

③公式应用的推广：在非匀强磁场中，上述公式可近似用于很短的一段通电导线。因为当导线很短时，可近似认为各点的磁感应强度相等。书P111

[课后思考]

设疑：当电流方向与磁场方向有一个夹角θ时，安培力大小如何计算？