“通電導線在磁場中受到的力”教學設計

唐光善

一、教學設計思路

本節(jié)是規(guī)律探究課，在教學方法上，采用“任務驅(qū)動”教學法，即以學生為中心，以任務為載體，把教學內(nèi)容巧妙地隱含在一個個具體任務之中，學生通過獨立或協(xié)作完成任務，學習新知識和新技能.主要特色為：

（1）本文設計了實驗探究安培力的方向與磁場、電流的方向關(guān)系；理論探究安培力大小的表達式；揭秘電磁軌道炮和了解磁電式電表的工作原理等學習任務，使學生在任務解決中學習到新知識和新技能.

（2）設計了分組實驗：觀察通電鋁箔在磁場中的受力情況，用不同顏色的塑料棒分別代表安培力、磁場和電流的方向，用橡皮泥固定塑料棒，得出這三個方向的立體關(guān)系，學生體驗到空間關(guān)系構(gòu)建方法.

二、教材及前情簡析

本節(jié)教材系人教版物理選修3-1第三章第4節(jié)的內(nèi)容，磁場對電流的作用——安培力，在教材中起著承上啟下的作用，因為它不僅是與上節(jié)知識（磁場性質(zhì)）的聯(lián)系點，而且是學習電流表工作原理和推導洛倫茲力公式的基礎.安培力方向與電流、磁場方向的關(guān)系的實驗探究是采用控制變量法探究物理基本規(guī)律的一節(jié)課，涵蓋了科學探究的基本因素，有助于培養(yǎng)學生的物理學科的核心素養(yǎng).

學生在學習本章節(jié)之前，已經(jīng)學習了磁場，知道了磁體和電流周圍磁場的性質(zhì)及特點，了解到磁體間的相互作用、電流周圍存在著磁場以及電與磁之間有聯(lián)系.另外，學生通過高一物理“必修”課程的學習，經(jīng)歷了牛頓第二定律等實驗探究過程，已經(jīng)掌握了變量控制實驗探究的一些科學研究方法，為本節(jié)的探究性學習做了鋪墊.鑒于大部分學生基本功扎實、已有知識掌握熟練到位，本節(jié)課可以在教師引導下采用“任務驅(qū)動”教學法完成教學內(nèi)容.

三、教學目標

1.知識與技能

（1） 知道安培力，會計算安培力的大小

（2） 知道安培力的方向與電流、磁場方向都垂直，會用左手定則判斷安培力的方向；

（3） 知道磁電式電表的基本構(gòu)造以及運用它測量電流大小和方向的基本原理.

2.過程與方法

（1） 經(jīng)歷推導磁場中安培力的表達式，感受邏輯的力量；

（2） 通過學生分組實驗，經(jīng)歷探究磁場對電流的作用力的方向和電流方向、磁場方向的關(guān)系這一過程，體驗控制變量探究物理規(guī)律的方法.

3.情感、態(tài)度與價值觀

（1）了解安培力在生產(chǎn)、生活中的作用，培養(yǎng)學生將科學技術(shù)服務于人類社會的意識；

（2） 經(jīng)歷磁場對電流的作用力的方向和電流方向、磁場方向的關(guān)系這一過程，培養(yǎng)學生的科學探究意識和正確的科學態(tài)度以及責任心.

四、教學準備

演示器材：安培力演示儀（如圖1）、兩平行的通電直導線安培力演示儀（如圖5）.

分組實驗器材：會動的鋁箔“天橋”（包括：鋁箔紙、1號電池組、蹄型磁鐵、導線若干，如圖3）、橡皮泥、彩色塑料桿（三色）

五、教學過程

【活動一】創(chuàng)設情境，提出本節(jié)課的核心任務

（1）創(chuàng)設情景 （視頻展示）央視國際頻道的一則電磁軌道炮的新聞.

（2）提出課題電磁軌道炮，是一種新式武器，既安全精準又威力巨大，各國正在爭相研發(fā)，它與常規(guī)炮彈靠化學劑的推動不同，電磁軌道炮利用的是一種新型的推進方式，它的原理是怎樣的呢？這節(jié)課，我們就來揭秘“電磁軌道炮”.

設計意圖：以尖端科技（電磁軌道炮）引入新課，學生感覺很新奇，可以有效激發(fā)學生學習興趣，將學生的注意力集中到課堂.

【活動二】感受小型“電磁軌道炮”，經(jīng)歷理性分析實驗現(xiàn)象過程

（1）介紹實驗裝置如圖1，這也是一個小型的電磁軌道炮.它是由豎直向下的勻強磁場，金屬軌道和炮彈（金屬棒）組成.

（2）實驗演示將導體棒放在磁場中，接通電源，導體棒就通上電，同學們觀察到：電磁軌道炮被發(fā)射出去了.

（3）解釋現(xiàn)象提問：通電導體棒為什么會被發(fā)射出去？說明什么？ （生答：通電導體棒受到力）

追問1：這個力的施力物體是誰？（生答：施力物是磁場）

追問2：磁場會對電流有作用嗎？（引導學生回顧之前的實驗，并在屏幕上顯示圖2）

追問3：這個力是磁場對電流的力，還是對金屬棒的力？（學生有的猜測是磁場對電流的力，有的猜測是磁場對金屬棒的力）

（4）實驗驗證①撤去磁場，其它不變，發(fā)現(xiàn)金屬棒不動.說明金屬棒受到的力的施力物體確實是磁場；②切開電源，其它不變，發(fā)現(xiàn)金屬棒不動.說明這個力是磁場對通電導線（電流）的力.

（5）提出概念為了紀念法國物理學家安培在電磁學中做出的卓越貢獻，我們把磁場對通電導線（電流）的力叫做安培力.

（6）提出探究分任務一從剛才的實驗中我們看到，安培力就是電磁炮發(fā)射的動力，為了有效的發(fā)射電磁軌道炮我們必須知道這個力的方向是怎樣的，受哪些因素影響，下面我們通過實驗來探究.

設計意圖：通過演示實驗，模擬電磁軌道炮的發(fā)射過程，學生獲得感性認識，為本課題學習提供必要的感性材料.

【活動三】 實驗探究安培力的方向與磁場方向和電流方向的關(guān)系

（1）演示實驗改變電流的方向，觀察到通電導體棒向另一方向運動，說明什么？（生答：安培力的方向發(fā)生了變化）如果電流方向不變改變磁場的方向，觀察到導體棒將向另一方向運動，說明安培力的方向發(fā)生了變化.

（2） 提出猜測通過剛才的演示，你認為安培力的方向跟哪些因素有關(guān)呢？（生答：安培力方向與磁場、電流方向有關(guān)系）

接下來我們通過分組實驗來探究安培力方向與磁場、電流方向之間有怎樣的關(guān)系.

（3）設計方案 提問：要研究磁場方向、電流方向?qū)Π才嗔Ψ较虻挠绊?，可以分為幾大步？（生答：采用控制變量法，分兩大步：第一步是保持電流方向不變，探究安培力與磁場的方向關(guān)系；第二步是保持磁場方向不變，探究安培力與電流方向的關(guān)系）

（4）實驗器材介紹如圖3，會動的鋁箔“天橋”.（將一張平整的鋁箔紙，折成“天橋”的形狀，注意離紙面不要太高.讓磁鐵橫跨“天橋”.鋁箔橋的一端與電源的一極連接，電源另一極與鋁箔橋另一端觸碰，觀察鋁箔的運動（鋁箔會向上或向下運動），即可獲知安培力的方向.

為了便于同學們記錄三者的方向關(guān)系，為每個小組準備了紅、黃、綠三色的塑料桿和一小塊橡皮泥，統(tǒng)一用紅色桿代表安培力方向，統(tǒng)一用黃色桿代表磁場的方向，統(tǒng)一用綠色桿代表電流方向.

（5）學生分組實驗學生按照設計的方案，進行實驗，并用橡皮泥記錄下三者的方向關(guān)系.

（6）交流實驗結(jié)果各小組展示自己的記錄結(jié)果（各組做出的結(jié)果都一樣），如圖4所示，安培力的方向與另兩個量的方向均垂直.

（7）歸納、總結(jié)問1：改變電流方向，安培力方向會變化，改變磁場方向，電流方向也會變化，是不是要做出很多個“雕塑”，為什么？（生答：不需要，不管是哪種情況，三個量之間的空間位置一樣）

問2：請一位同學給大家演示一下？（同學展示他們的“雕塑”）

問3：確實，雖然電流方向、磁場方向會影響安培力的方向，但這三個量方向的相對位置不變，三個量的方向關(guān)系是相對固定的，可以統(tǒng)一用圖4來表示.以后判斷安培力方向時，只要拿出雕塑比劃一下就可以，是不是？（生答：是的）

問4：每天帶著這個雕塑方便嗎？（生答：不方便）

問5：有沒有更簡潔的方法表達這個關(guān)系呢？最好是什么都不帶就能把它們的關(guān)系表述清楚？（學生陷入思考中）

（引導）問6：前面我們學過右手螺旋定則，來表達電流方向和磁場的關(guān)系，這個方法很簡潔的，我們能不能也類似的用手來表達這種關(guān)系呢？

（8）提煉規(guī)律（學生興奮地用左手在磁場中不斷嘗試）得到左手定則（內(nèi)容略）.

（9）應用規(guī)律①判斷以下幾種情況的安培力方向（教師請同學拿出左手判斷）

②兩條平行的通電直導線之間會通過磁場發(fā)生相互作用.在什么情況下兩條導線相互吸引，什么情況下相互排斥？

（引導學生先理論分析，得到同向電流相互吸引，反向電流相互排斥.再用實驗驗證，實驗裝置如圖5所示）

（10）提出探究分任務二有了左手定則，我們可以準確的設定電磁炮的發(fā)射方向了，我們還需要進一步研究怎樣讓電磁炮具有更強的殺傷力，這與它的動力系統(tǒng)有著密不可分的聯(lián)系.制約安培力大小的因素有哪些呢？下面我們進一步探究.

設計意圖：學生分組實驗探究，經(jīng)歷規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程，嘗試用“左手”歸納判斷安培力方向的方法，可以讓學生最大程度的參與課堂；②借助小工具立體展現(xiàn)三個量的方向關(guān)系，體驗空間關(guān)系構(gòu)建方法.

【活動四】理論探究安培力大小的表達式

（1）回顧B的定義提問：磁感應強度是怎樣定義的？（生答：B=FIL）

問2：對導線的放置有什么要求？（生答：要求導線垂直磁場放置）

問3：如果導線平行磁場放置，安培力是多大？（生答：零）

問4：如果導線與磁場既不平行也不垂直，安培力是多大？（介于零和垂直放置之間）

下面，請同學們推導安培力的表達式.

（2）理論推導特殊情況問1：如圖6（a），當通電導線垂直磁場放置時，安培力大小？

問2：當通電導線平行磁場放置時，安培力大??？（這兩種情況，學生一般沒有問題）

（3） 理論推導一般情況如圖6（b），如果磁場與電流成θ角時，安培力表達式怎樣？請各小組先討論，并給出結(jié)論？

（學生討論后給出兩種方法，一種是分解B，另一種分解L，得到相同的結(jié)果F=BILsinθ，并認識到垂直和平行是兩種特殊情況.）

設計說明：在定義磁感應強度時，學生經(jīng)歷了實驗探究的過程，所以此處只進行理論探究，推導出安培力大小的表達式.

【活動五】揭秘電磁軌道炮

（1）設置情景電磁軌道炮原理如圖7所示，整個裝置可以把質(zhì)量為20 g彈體（包括金屬桿的質(zhì)量）發(fā)射出去.若軌道寬2m，金屬桿上電流為10 A，磁感應強度為1 T，經(jīng)過t=2 s的加速，問彈體獲得速度是多大？

（2）學生獨立解答a=Fm=BILm=1000 m/s2v=at=2000 m/s，

（3）思考討論如果要提高電磁炮的發(fā)射速度，你認為可以怎么辦？

（學生討論后得到三種方式：①增大電流、 ②增強磁場、 ③減輕質(zhì)量.）

設計意圖：學生經(jīng)歷安培力方向的探究、安培力大小的探究、解決電磁軌道炮的問題，學生意識到看似神秘的電磁炮，其實它的原理并不深奧！

【活動六】規(guī)律應用，探究磁電式電表的工作原理

（1）觀察磁電式電表如圖8，讓學生觀察磁鐵、鋁框、線圈、螺旋彈簧、極靴、指針、鐵質(zhì)圓柱等構(gòu)件，了解它們之中哪些是固定的，哪些是可以動的.

（2）分組討論（屏幕上顯示如下問題）

問1：表中磁場分布有何特點呢？

問2：線圈的轉(zhuǎn)動是怎樣產(chǎn)生的？

問3：線圈為什么不能一直轉(zhuǎn)動下去？

問4：為什么指針偏轉(zhuǎn)角度的大小可以說明被測電流的強弱？

問5：如何根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)的方向來確定電路上電流的強弱？

問6：使用時要注意什么？

（3）交流結(jié)果（組織學生回答以上問題，定性了解磁電式電表的工作原理）

（4）課外探究請大家課外探究：為什么磁電式電表的表針刻度是均勻的？（針對有能力的學生，讓他們?nèi)ミM行一步思考、研究）

（5）聯(lián)系生活觀看視頻：安培力在生活中的應用.

設計意圖：先讓學生觀察磁電式電表的結(jié)構(gòu)，再分組討論、自學其工作原理，最后讓學有余力的同學進一步探究磁電式電表的表針刻度是均勻的，這樣的設計能充分發(fā)揮學生的主體作用.