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磁场对通电导线的作用力教案(人教版选修3-1)

时间:2018-01-12 13:53:29作者:佚名教案来源:网络
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4.磁场对通电导线的作用力

三维目标
知识与技能
1.知道什么是安培力,知道通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流、磁场方向都垂直时,它的方向的判断──左手定则,知道左手定则的内容,会用左手定则熟练地判定安培力的方向并会用它解答有关问题;
2.利用安培力公式F=BIL解答有关问题,知道电流方向与磁场方向平行时,电流受的安培力等于零;电流方向与磁场方向垂直时,电流受的安培力最大,等于BIL;
3.了解磁电式电流表的内部构造和原理。
过程与方法
通过演示、分析、归纳、运用,使学生理解安培力的方向和大小的计算,培养学生的空间想像力。
情感、态度与价值观
1.由个别事物的个性来认识一般事物的共性;
2.通过对磁电式电流表的内部构造的原理了解,感受物理知识之间的联系。
教学重点
安培力的方向确定和大小计算。
教学难点
左手定则的运用(尤其是当电流和磁场不垂直时,左手定则如何变通使用)。
教学教具
磁铁、电源、金属杆、导线、铁架台、滑动变阻器、多媒体。
教学过程
[新课导入]
在第二节中我们已经初步了解了磁场对通电导线的作用力。安培在研究磁场与电流的相互作用方面做出了突出的贡献,为了纪念他,人们把通电导线在磁场中受到的力称为安培力。本节我们将对安培力做进一步的讨论。
[新课教学]
一、安培力
安培力是以安培的名字命名的,因为他研究磁场对电流的作用力有突出的贡献。
通电导线在磁场中受到的力称为安培力。
二、安培力的方向
1.探究与安培力方向有关的因素
【演示】
按照下图所示进行演示。
1.上下交换磁极的位置以改变磁场的方向,观察受力方向是否改变。
2.改变导线中电流的方向,观察受力方向是否改变。
通过这两种情况的分析,我们实际上已经了解了导线受力的方向与磁场方向、电流方向的关系。你能用简洁的方法表达这个关系吗?
结果:调换磁铁两极的位置来改变磁场方向,导体向相反的方向运动;改变电流方向,导体又向相反的方向运动。
结论:安培力的方向与磁场方向、电流方向有关。
2.安培力方向的特点
通电导线在磁场中所受的安培力的方向,既跟磁场方向垂直,又跟电流方向垂直。
安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面。
F⊥(B、I)所决定的平面
3.安培力方向的判断──左手定则
如何判断安培力的方向呢?
安培力方向判断符合左手定则。
伸开左手,使拇指跟其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从掌心进入,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受力方向。
这就是判断通电导线在磁场中受力方向的左手定则。
磁场、安培力的问题,在很多方面都与电场、库仑力的问题相似。然而,安培力要比库仑力复杂得多。研究库仑力时,用来检验电场的是点电荷,检验电荷受力的方向与电场方向相同或相反;但在研究安培力时,与电场中的检验电荷作用相当的是一个有方向的电流元,电流元受力的方向与磁场方向、电流元的方向三者不但不在一条直线上,而且不在一个平面里。因此,研究安培力的问题要涉及三维空间。
【说明】
(1)左手定则是一个难点,涉及三个物理量的方向,涉及三维空间,而学生的空间想像力还不强,所以引导学生如何将三维图形用二维图形表达(侧视图、俯视图和剖面图等),还要引导学生如何将二维图形想像成三维图形。可将右图从侧视图、俯视图和剖面图──引导学生展示。
(2)一般情形的安培力方向法则介绍:电流和磁场可以不垂直,但安培力必然和电流方向垂直,也和磁场方向垂直,用左手定则时,磁场不一定垂直穿过手心,只要不从手背传过就行。
(3)至于大小法则,如果电流和磁场不垂直,则将磁场进行分解,取垂直分量代入公式即可;从这个角度不难理解──如果电流和磁场平行,那么安培力是多少?(为零)
【课堂练习】
判断下图中导线A所受磁场力的方向?

 

 

答案:

 

 

 
引导学生区别安培定则和左手定则,并且用这两个定则去解释“平行通电导线之间的相互作用”这一演示实验,解释时应明白左边的通电导线受到的安培力是右边的通电导线所产生的磁场施加的,反之亦然。
三、安培力的大小
1.安培力大小公式
在第二节的学习中我们已经知道: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,它所受的安培力F为
F=BIL
当磁感应强度B的方向与导线的方向平行时导线受力为
F=0
当磁感应强度B的方向与导线成θ角时,它可以分解为与导线垂直的分量B⊥和与导线平行的分量B∥。

 

 

 

B⊥=Bsinθ
B∥=Bcosθ
其中B∥不产生安培力,导线所受的安培力只是B⊥产生的,由此又得到
F=ILBsinθ=ILB⊥
这是一般情况下安培力的表达式。
2.适用条件
直导线,且导线所在位置的磁感应强度相同。
【说明】
在推导公式时,要让学生明确两点:一是矢量的正交分解体现两个分量与原来的矢量是等效替代的关系,二是从特殊到一般的归纳的思维方法。还应该注意的是:尽管公式F=ILB是从公式B=F/IL变形而得的,但两者的物理意义却有不同。
公式B=F/IL是根据放置于给定磁场中的给定点上的检验电流(电流元)受力情况,来确定这一位置的磁场的性质,它对任何磁场中的任何点都是适用的。
公式F=ILB则是在已知磁场性质的基础上,确定在给定位置上给定的一小段通电直导线的受力情况,在中学阶段,它只适用于匀强磁场。
物理公式在作数学的等价变形时,其物理意义和适用范围将会发生变化。这是应用数学知识解决物理问题时必须引起注意的问题,往往被忽视。
四、磁电式电流表
1.电流表的组成及磁场分布
请同学们阅读课文,让学生先看清楚磁铁、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,哪些是可动的。
(1)电流表的组成
电流表主要由哪几部分组成的?
电流表由永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘等六部分组成。

 

 

 

注意:a.铁芯、线圈和指针是一个整体;b.蹄形磁铁内置软铁是为了(和铁芯一起)造就辐向磁场;c.观察──铁芯转动时螺旋弹簧会形变。
(2)电流表中磁场分布的特点
问题:电流表中磁场分布有何特点呢?
电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。
问题:什么是均匀辐向分布呢?
所谓均匀辐向分布,就是说所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心,不管线圈处于什么位置,线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度。该磁场并非匀强磁场,但在以铁芯为中心的圆圈上,各点的磁感应强度B的大小是相等的。
问题:假如线圈转动,磁铁和铁芯之间的两个边所经过的位置其磁场强弱怎样?
假如线圈转动,磁极和铁芯之间的两个边所经过的位置其磁场强弱是相同的。
2.电流表的工作原理
引导学生弄清楚以下几点:
(1)线圈的转动是怎样产生的?
当电流通过电流表中的线圈时,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。
(2)线圈为什么不一直转下去?
线圈转动时,螺旋弹簧变形,反抗线圈的转动。
(3)为什么指针偏转角度的大小可以说明被测电流的强弱?
电流越大,安培力就越大,螺旋弹簧的形变也就越大。所以,从线圈转动的角度就能判断通过电流的大小。
(4)如何根据指针偏转的方向来确定电路上电流的方向?
线圈中的电流方向改变时安培力的方向随着改变,指针的偏转方向也随着改变。所以,根据指针的偏转方向,可以知道被测电流的方向。
(5)电流表的刻度为什么是均匀的?
电流表内部磁场的两极间装有极靴,极靴中间又有一个铁质圆柱。这样,极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向,线圈无论转到哪个位置,它的平面都跟磁感线平行,线圈的受力情况相同,所以表盘的刻度就是均匀的了。
(6)使用时要特别注意什么?
磁电式仪表的优点是灵敏度高,可以测出很弱的电流;缺点是绕制线圈的导线很细,允许通过的电流很弱(几十微安到几毫安)。如果通过的电流超过允许值,很容易把它烧坏。要测量较大的电流值,就要扩大量程。
【做一做】
旋转的液体
 
[小结]
本节课学习了磁场对通电导线的作用力,学习了安培力的概念,掌握了安培力方向的判断方法和安培力大小的计算公式。作为应用,又学习了磁电式电流表的构造和工作原理。
安培力是磁场力中的一种,通电导线在磁场中受到安培力的作用后,根据导体的运动状态,可结合力学知识进行相关的运算。
[布置作业]
教材第94页“问题与练习”。


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