第4节 通电导线在磁场中受到的力
【学习目标】
1.探究安培力方向与哪些因素有关；
2.会用左手定则判断安培力的方向；
3.能够计算匀强磁场中安培力的大小。
【新课教学】
一、安培力的大小
1、在匀强磁场中，当通电直导线与磁场方向垂直时，F=
2、在匀强磁场中，当通电直导线与磁场方向平行时，F=
3、在匀强磁场中，导线与磁场方向成夹角θ 时，F=
二、安培力的方向
1、安培力方向的影响因素：
2、探究下列情况下，电流在磁场中的受力方向，并画在图中：
① ② ③ ④
3、安培力的方向判断方法：
牛刀小试：请判断下列情况下通电导线受到的安培力
① ② ③ ④
总结：安培力F、磁感应强度B、电流I，三者方向之间的空间关系：
安培的实验：平行通电直导线间的相互作用
导线2在导线1的磁场中所受的力
导线1在导线2的磁场中所受的力
结论：同向电流，
导线2在导线1的磁场中所受的力
导线1在导线2的磁场中所受的力
结论：异向电流，
三、安培力的应用
【课堂小结】
【课后作业】①预习磁电式电流表的构造与工作原理。
②尝试制作简易电动机。
③查阅资料，搜集更多安培力的应用。
《通电导线在磁场中受到的力》教学设计
【教材分析】
1、本节在教材中的地位
磁场和电场是电磁学的核心内容，安培力是一种重要的磁场力，本节是全章的核心知识点也是教学的重点。安培力是洛伦兹力的宏观表现，而安培力方向判断的方法“左手定则”，又为后面洛伦兹力方向的学习做下铺垫。本节不仅为电磁学中单个物体的受力分析，提供依据，也为研究动力学的综合问题打下基础。本节知识点与日常生活联系紧密，在军事、工农业生产生活和高新科技发展中都有着广泛的应用。
2、教材内容分析
本章在第一节《磁现象和磁场》中已经介绍了关于通电导线在磁场中会受到力的作用，在第二节《磁感应强度》已经探究过安培力的大小问题。本节在前面学习的基础上，继续深入的研究安培力的方向、大小和应用。因为前面已经详细地得出安培力在垂直和平行的受力，所以本节只研究导线与磁场成任意夹角时的受力大小计算。从教材的习题安排来看，重点训练了导线与垂直情况下安培力大小的计算，因此本节对导线与磁场成任意夹角时安培力的大小的计算，应该降低对学生的要求，只要求会推导即可。
本节的重点应该是安培力方向的得出和应用。安培力不同于电场力，不与电流和磁场共线，安培力、电流、磁感应强度三者方向的关系是三维空间关系，而学生对空间的想象力比较薄弱。例如：安培力的方向一定与电流、磁感应强度的方向垂直，但电流的方向与磁感应强度的方向可以成任意角度；即安培力的方向垂直于电流和磁感应强度所决定的平面。对此，学生常常误以为安培力、电流、磁感应强度一定是两两垂直的等等。要使学生能够看懂立体图，熟悉各种角度的侧视图、俯视图和剖面图，需要一定量的训练加以巩固。
【学情分析】
学生已经熟练掌握电流周围的磁场分布满足安培定则，在本章的第一节已经知道通电导线在磁场中会受到力的作用，知道通电导体与通电导体之间有相互作用，在第二节探究影响通电导线受力的因素时，已经知道通电导线与磁场垂直时，它受力的大小既与导线的长度L成正比，又与导线中的电流I成正比，即安培力的大小公式，因此本节课学生理解的难点应该是安培力F、磁感应强度B、电流I三者之间的空间关系，以及左手定则的应用。三维空间的关系是学生学习的难点，对学生的空间思维能力和想象力提出了更高的要求，应该加强训练。
学生在接触左手定则后，很容易与安培定则混淆，这在安培力的习题课中应详细地进行比较与运用，以加深对二者之间区别的理解。
【教学目标】
l、知识与技能：
(1)知道安培力的方向与电流、磁感应强度的方向都垂直，会用左手定则判断安培力方向。
(2)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。
2、过程与方法：
(1)通过实验引入新课，激发学生学习本课的兴趣，通过演示实验，训练学生的观察能力。
(2)通过学生分组实验，训练学生实验观察、实例探究的能力，从而总结得出左手定则。
3、情感、态度与价值观：
(1)体会生活和军事中安培力的应用，生成“学以致用”的思想，激发学生的学习热情。
(2)体验自主学习过程，养成乐于细心观察、勤于思考和相互交流的学习习惯和合作精神。
【教学重点、难点】
重点：安培力的方向和大小，尤其是安培力的方向。
难点：(1)安培力、电流、磁感应强度三者方向的空间关系。
(2)从三维空间立体图过渡到二维平面图，各种角度下的侧视图、俯视图和剖面图。
【教学流程图】
【教学过程】
1、课题引入
利用小魔术进行引入。首先介绍器材：导线、电池盒、电池。然后靠近手掌，线圈转动。提问魔术的奥秘在何处，有学生回答，是手里的戒指具有磁性。从而引出课题《通电导线在磁场中受到的力》。
设计意图：学生在上课刚开始的几分钟，注意力是比较分散的，没能迅速地从下课放松的环境中转变过来，巧妙地设计新颖的实验或者小魔术，可以迅速地集中学生的注意力，抓住学生的兴奋点，顺利地开展新知识的教学。
2、新课教学
2.1 安培力的定义
介绍安培为电动力学打下基础，介绍他是“电动力学的创始人”，麦克斯韦对安培的美誉“电学中的牛顿”。人们为了纪念安培，将“通电导线在磁场中受到的力”为安培力。
设计意图：物理学史是一部活的历史，要将科学家的身世以及敏锐的洞察力讲解出来，通过科学家们敢于向自己挑战，培训学生不畏艰难的、敢于接受新事物的勇气和能力。
2.2 安培力的大小
（1）通过本章第二节的回顾，复习在探究影响通电导线在磁场中受力的因素时，当通电导线与磁场垂直，它受力的大小既与导线的长度L成正比，又与导线中的电流I成正比，得出F =ILB（B⊥I）。
（2）提问：那么可不可以说通电导线在磁场中受力为零，磁感应强度就为零呢？回答是否定的，得出如通电导线与磁场方向平行的时候，通电导线不受力，即当B∥I时，F = 0。
设计意图：以上两个知识点在前面以及涉及，以复习的方式进行讲解，能让熟悉的知识快速过渡。
（3）请学生讨论当磁场与导线成θ角时，受到的安培力又为多少，并请学生逻利用三角函数辑推理。将磁感应强度分解为与电流共线和与电流垂直的两种情况，而B∥的分量对电流没有力，只有B⊥的分量产生力的作用，而B⊥=Bsinθ，即F= ILBsinθ。
设计意图：成任意夹角的计算问题，一定要通过数学推导得出，培养矢量合成与分解的思维习惯。
2.3 安培力的方向
2.3.1【演示】磁场对锡箔纸的作用力，改变磁场、改变电流时锡箔纸发生运动，并请学生通过演示实验提出猜想安培力的方向可能跟哪些因素有关。
学生提出猜想可能跟电流的方向和磁场的方向有关。并提出用“控制变量法”进行探究。
设计意图：在水平面内的受力现象不明显，放在竖直面内可以很直观地看出现象，便于学生提出猜想。没有使用方形多匝线圈，是为了限制干扰因素，因为线框的四周都受到力的作用。利用身边简单的器材，可以让学生感觉到物理知识更贴近生活。
2.3.1利用教材中改装的器材进行探究。
【演示】通电导线在磁场中受到的力
【视频播放】让实验现象放大，并重复播放。
设计意图：①改装装置有多种形式，没有采用导体棒在平行轨道上滚动的原因，一是来需要的电流很大，二是因为摩擦力的缘故，有可能出现导体棒不动的现象。②本实验采用试触法进行，没有采用开关，而且用一根带夹子一根不带夹子的导线，方便学生操作，以免电流过大导致电源损坏，培养学生良好的操作习惯。③实验利用9V电池，因为电流比较大，现象更明显。④没有用马蹄形磁铁的原因是，马蹄形磁铁直接在两端标上“N”极和“S”极，而且用两种颜色全部涂满两端，真实的情况并不是这样的，每一端并不是只有一个极，而是有两个极，这给研究问题的严谨性带来一定的影响，所以本实验采用平行磁铁。磁铁的两极应该标在里面而不是外面，是因为在外部，磁铁的外部两极恰好和内部是相反的。⑤因为实验中的弯折导线比较细，所以坐在后排的同学可能看不到现象，将视频录下来，并重复播放，这样可以起到放大的效果。
教师介绍器材，讲解器材的使用方法和注意事项。引导学生认识磁场最强区域、磁场的两极、电源的正负极和研究对象，以减少学生在分组实验中的混淆。
利用演示实验和第三节的知识画出二维平面图。
提出控制变量的操作方法，改变磁场可以上下颠倒磁铁的两极，改变电源的正负极，可以改变电流的方向，从而得出其他几种情况，并请学生分组实验，找出不同情况下的受力，并画在讲义上。
【学生实验】探究不同情况下安培力的方向，教师指导学生完成探究，并得出结果。
2.3.2展示一位同学的实验结果，并将这些结果用白纸板展示。
设计意图：展示学生的效果，比老师直接给出结果要好。因为学生更相信同学们自己得出来的结果，这样能提高课堂的参与率。
【实物展示】四种情况下的白纸板，请四位同学帮忙举着四块白纸板。
请②号和③号同学竖直面内旋转180度，发现它们分别和①号和④号同学的情况相同，请②号和③号同学上座位。对比①号和④号同学手中的白纸板，让④号同学正反颠倒白纸板，发现和①号同学的情况相同，从而得出上面四种情况各量的空间分布是相同的！
设计意图：请学生上讲台帮忙，可以提高课堂的参与率。将结果放大是为了更直观。翻转白纸板的目的是让学生发现各种情况下的结果是相同的，从而产生思维冲突，为三维构架的引入做下铺垫。
展示与①号二维图相同的三维图，同时展示三维构架和“墙角”模型，得出安培力的方向与导线方向、磁感应强度方向都垂直。
引出不能携带的难题，从而得出“左手定则”。分解定则内容，像我们做广播操一样。预备式：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；第一招：让磁感应线从掌心进入；第二招：使四指指向电流的方向；那么最后一招：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。可以用下面的口诀进行记忆：“磁场 — 掌心进，四指 — 电流，拇指 — 力。”
设计意图：通过自制道具形象直观地得出“左手定则”。活泼的语言可以将生硬的内容更加形象化。将复杂的内容进行分解，并用口诀巧妙记忆，方便学生快速的建构知识，并迅速地学会应用。
2.3.3多角度对“左手定则”加以训练。
利用视频动画和学生实际操训，理解三个量的三维空间关系。练习下面几种情况的受力。
【播放视频】一边训练，一边播放视频，展示不同方位下“左手定则”的使用。
设计意图：学生对三维空间的想象力缺乏，通过不同角度的训练，加深对左手定则的理解和应用。视频中将看不见的磁感线画出，目的是让学生明白“磁场掌心进”的含义。磁场和电流的方向用“火箭头”来表示，目的是让学生能更直观地看出“×进?出”的含义。
通过训练电流与磁感应强度不垂直的情况下安培力方向的判断，从而得出“F肯定垂直于B和I，即F肯定垂直于B和I所决定的平面。”同时强调“电流与磁场不一定垂直”，明确三个量在一般情况下空间上的空间分布规律。
设计意图：通过电流与磁场成任意夹角的训练，让学生理解磁感线从掌心进入，而不需要和掌心垂直的概念。展示三维立体图的目的是为了强调“安培力的方向一定与电流、磁感应强度的方向都垂直，但电流方向与磁感应强度方向可以成任意角度，即安培力一定垂直于电流与磁感应强度所决定的平面。”
2.4 平行通电直导线之间的相互作用
磁场不仅存在于磁体周围，通电导线周围也存在着磁场。电流在磁体的磁场中受到安培力，那么电流在通电导线的磁场中肯定也受到力的作用，即平行通电直导线之间也存在着相互作用。安培当年还研究了这种作用。请学生讨论，在什么情况下两条导线相互吸引，什么情况下相互排斥？会不会像磁铁一样，同名磁极相互排斥，而出现同向电流也相互排斥呢？
【学生讨论】通过轴截面图进行分析
设计意图：本部分知识点是安培定则和左手定则的综合应用，是学生理解的难点。让学生互相讨论的目的是让学生分享各自的理解，从而提高课堂的效率。实验装置通过放大力臂的方法，增强实验效果。这部分知识点采用先推理后验证的方法进行，防止过多地占有本节课的时间冲淡主题。
【验证实验】同向电流相互吸引，异向电流相互排斥
2.5 安培力的应用
引导学生思考生产生活中的应用，联系实际生活，拓展学生的视野。在军事上，利用安培力可以制造出电磁炮。其威力巨大，足以穿透多层钢板，速度之快足以摧毁一颗卫星，成为新型战斗武器。还可以制造电磁弹射器，让飞机在航空母舰上很短的距离获得起飞速度。
【播放影片】电磁炮
【播放视频】电磁弹射器
设计意图：如何利用安培力是一个很广的课题，展示军事上的应用，是结合今年抗日战争胜利70周年的阅兵式进行拓展，增强学生的爱国情绪。视频播放可以给学生以视觉上的冲击，以加深印象。
生活中一切关于电动机的电器，譬如电风扇，洗衣机，搅拌机等等，都是利用了安培力。上课开始的小魔术就是一个电动机模型。实验室中的磁电式电流表也是利用了安培力。
设计意图：通过生活中的实例讲解，从而揭开新课开始的魔术，起到点题作用。
最后以自制电动机结尾，同时动员学生课后自制电动机，并查阅安培力更多的应用。
设计意图：让生活走向物理，再让物理走向生活。提出趣味作业提高学生探索未知的兴趣和动手能力。提出让学生关注相关知识的应用，提高学生留心观察生活中物理现象的习惯和物理思维品质。
【板书设计】
《通电导线在磁场中的受力》教学反思
江苏省亭湖高级中学 袁锦成
物理学科不同于其他理学学科，不只是逻辑上的推导，也不是铺天盖地题目的堆积，物理新课教学要上出物理的“味道”，什么是物理的味道，即实验的味道，探究的味道，应用与生产生活的味道。如果上出以上三种内容，才算是名副其实的物理课。下面就本节课从以下方面进行反思。
一、教学思想
1、实验探究的思想
本节应该在实验探究的基础上，总结出安培力、磁场和电流三个量的空间关系。教师演示实验和学生探究实验，对学生而言，完全是两种不同感官体验，在条件允许的情况下，能让学生亲自感受的，一定要让学生动手，去体验物理实验的快乐，增强学生的动手能力。有时教者会发现学生实验过程中，所暴露出的缺陷，不仅仅是学生真实的思想上的缺陷，同时也是教者教学中的缺陷，解决这些漏洞，往往是教学重难点的切入点。
2、特殊到一般的思想
本节从电流与磁场平行不受力、电流与磁场垂直安培力最大两种特殊情况，过渡到电流与磁场成任意夹角的一般力的计算。从电流与磁场垂直时安培力最大的特殊情况下安培力的方向，逐渐过渡到电流与磁场成任意夹角的安培力方向的判断，从而突出“左手定则”普遍适用性。
3、矢量分解的思想
虽然高中只要求学生掌握电流与磁场垂直和平行两种情况下安培力大小的计算，但是F=ILBsinθ计算式的得出过程中，分解磁感应强度沿着导线和平行于导线，和前面力、速度、位移等矢量的分解是一脉相承的，为以后多个导线周围磁场叠加的计算打下铺垫。
4、控制变量法的应用
在探究影响安培力方向的因素时，要考虑电流的方向、磁场的方向甚至电流与磁场的夹角等多个因素。涉及多个变量应该用控制变量的思想，要引导学生考虑如何改变磁场和如何改变电流等因素。
二、实验的设计
1、可以参考的实验
本节课可以参考以下实验，电动机模型、导电液体在磁场中的旋转、悬挂的通电导线在磁场的、通电导体棒在磁场中的滚动、通电螺线管与条形磁铁的吸引、竖直通电锡箔纸条在水平磁场中的、平行通电导线之间的作用力、电磁炮模型、电磁驱动小艇模型等等。
2、本节课所用的实验
选取一两个实验进行演示，可以调动课堂气氛，也是学以致用的很好体现体验。本节教者将电动机模型改变为一个小魔术引入课题，极大的调动了学生的积极性；在引入安培力的方向影响因素时，利用通电锡箔纸条在水平的磁场中偏转，效果很明显；演示了平行通电导线之间的作用力，得出同向电流相互吸引、异向电流相互排斥；最后利用磁铁上的电池改装电动机模型结尾，前后呼应，让学生思考其中的原理，给学生更多的思考空间。
3、不使用导电液体旋转实验的原因
没有选择导电液体在磁场中的旋转的原因是，导电液体的本质为带电粒子的定向移动，液体所受的力应该为洛伦兹力，这虽然能为下节洛伦兹力的学习做下铺垫，但笔者认为还是暂时避免在课堂出现为好，这在教材中安排在“做一做”，还是很有道理的，“做一做”是留给学生自己课后去完成，并增加学习和探索的兴趣的。这个实验还有一个难点就是周围的导线与中间的导线形成的电流为辐向电流，学生理解有很大困难，讲解过多容易冲淡主题。
4、不适用马蹄形磁铁的原因
现在实验室使用的马蹄形磁铁都是一端涂成蓝色、另一端涂成红色，在实际检测的过程中，笔者发现，不能将一段全部涂成一种颜色，因为即使是一端，也是有两个极的，而不是只有一个极。虽然学生实验时能很方便通过颜色看出马蹄形磁铁的两极，但这是不严谨的，应该改变装置，统一使用平行磁铁，而且要将两极标在磁铁的内部，而不是外部，因为外部的磁场是相反的！
5、不使用DIS的原因
让物理实验变得很简单，但又能说明问题才是物理的妙处。现代科技的使用固然是好，但往往使问题变得很复杂，学生在初学知识听起来很吃力，除非学生非常熟练操作使用类似于DIS（数字化信息系统）或者精密电子元件，否则最好还是少用。瓶瓶罐罐皆文章，让物理学中那些所谓深不可测的现象，变得像瓶瓶罐罐一样随处可见，利用身边常见或者废旧的的物品做实验，使实验现象妙趣横生。让物理实验生活化、平常化，平中见奇才能更大地调动学生学习的热情和兴趣。
三、课程结构的安排
1、开头引入
网络资源的开放，使得课程资源的开发利弊并存。利在信息海量，可以随意调用和编辑；弊在教者针对同样一个课型，通过网络，发现前人采用同样一种形式的开场白，采用同样一个视频电磁炮的引入。这使得整个物理的教学形成一种“怪圈”，成熟的东西，大家都前篇一律，沿用多年，很少有人再去真正地开发更好的资源。笔者认为，应该合理的处理海量的信息，要拿来主义，去伪存真，去除糟粕，取其精华，大胆使用以探寻更加适用的资源。创新和改革需要牺牲，谁能冲在最前面，谁就成为物理教学的先锋，就能主导物理教学的走向，而这更需要更多人的努力！
笔者抛开大家都使用的电磁炮视频引入，改装电动机模型，并设计成小魔术，极大的调动了学生的兴趣，迅速捕获了学生的注意力。虽然这只是一个探索，但相信一定会有更多的人做这样的事情！
2、大小和方向在本节的布局
熟悉教材的前后联系，是新课教学的落脚点。本章在第二节已经详细地探究过，匀强磁场中通电导线与电流垂直时，安培力与电流和导线的长度成正比，得出安培力大小公式F=ILB；通电导线与电流平行时，不受安培力，因此笔者认为本节不必在安培力的大小上再过多的赘述。本节的重点与难点，应该是安培力方向的得出和应用。
安培力、磁场、电流三个量是三维的空间关系，虽然左手定则的得出比较容易，但实际上学生对二维平面图的理解还远远不到位，再加上空间上三维的左手定则的使用，学生往往分不清谁是磁场谁是电流，所以加上三维动画，显得尤为重要，这其中最最关键的一点就是磁场是看不见摸不着的，实物仪器中，学生不仅看不出电流的方向，更看不见磁场的方向，而加上三维动画可以使得这些物理量变得很直观。
本节新课教学的任务不仅要得出左手定则，还要会简单的判断不同方位下的俯视和侧视图中安培力的方向，至于与电路的结合，与斜面摩擦力和弹力的综合，可以放在安培力的习题课中完成。熟练掌握左手定则的使用时教学的重点，学生对三维空间的想象力缺乏，这也是教学的难点，应该巧妙的通过训练加以巩固！
3、左手定则的得出方法
学生探究安培力的方向过程中，很多教者通过学生的三维构架插棒的旋转，最后发现他们的空间关系相同。这种方法固然很好，但笔者在试讲的过程中，采用了以上方法，发现以下几个问题，一是学生要将磁感应强度、电流、安培力三个量，分色再记住很浪费时间；二来学生要进行插棒，搞不清各量是进去还是出来，棒子虽然颜色不同，但还是容易造成混淆；三是导线与磁场垂直的四种情况下，学生要进行四组实验结果的插棒，极大的拖延了课堂时间，即使分组实验进行，学生也难以信服其他同学结果的正确性。笔者认为本来很简单的三个量之间的关系，被教者进行分色，再插棒，再旋转发现相同，这其实是使得学生的思维上从知识的外围绕了很大的一个圈，给信息本身的理解造成干扰，不是可取之法。
笔者在处理这四种情况下的受力，直接利用了学生的实验结果，然后放大二维平面图，做成白纸板进行翻转，很容易让学生发现四种情况下的结果相同，极大的省去了学生理解的时间，从二维再过渡到三维就显得轻松自然。从二维直接跳到三维旋转再发现相同规律，和直接从二维旋转发现相同规律再跳到三维，虽然结果相同，但是学生掌握的效果和课堂的效率是不同的！
4、情感和价值观的体现
本节课可以在安培力定义的引入，通过讲解安培的故事，培养学生坚持真理的品质，而不是固执己见，不知变通；培养学生要有前沿的眼光和敏锐的洞察力去发现新的问题。
本节课的结尾对安培力的应用，应该通过对军事的应用增强学生的国防和爱国意识；通过生活中电动机的应用，培养学生发现新问题的能力，和创新意识，启迪学生通过努力学习开发更多的应用，使社会生产生活变得更加丰富多彩。
总结，物理的探究实验要结合演示和学生实验同时进行，从生活中提炼出物理知识，再让物理知识走向更广阔的生活世界，才能让物理这一门学科发挥真正的作用。我们应该在新课教学中，以学生为主体，教师为主导，充分开发资源，让物理课堂真正的充满物理味！
2015年10月20日
课件21张PPT。第4节 通电导线在磁场中受到的力高中物理新课标教材●选修3—1江苏省亭湖高级中学 袁锦成 通电导线在磁场中受到的力——安培力 1、在匀强磁场中，当通电直导线与磁场方向垂直时，F =ILB一、安培力的大小N 2、在匀强磁场中，当导线与磁场方向平行时，SF = 0F =ILBsinθ 3、在匀强磁场中，导线与磁场方向成夹角θ 时，B⊥ =Bsinθ猜想：影响安培力方向的因素有哪些？电流的方向磁场的方向二、安培力的方向?
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?控制变量法实验探究II安培力的方向与导线方向、磁感应强度方向都垂直左手定则： 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；①让磁感应线从掌心进入，②并使四指指向电流的方向， ③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。磁场—掌心进四指—电流拇指—力垂直于纸面向外F⊥BF⊥IF总垂直于B和I决定的平面 两条平行的通电直导线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？【安培的实验：平行通电直导线间的相互作用】同向电流相互吸引轴截面图异向电流相互排斥安培力的方向安培力的大小：通电导线在磁场中受到的力安培力的应用：磁电式电流表、电动机等判定方法：左手定则
特点：总垂直于B和I确定的平面F=BILsinθ (θ为B与I的夹角)
