磁场对通电导线的作用教学设计
2.3 磁场对通电导线的作用教学目标:
(一)知识与技能
1、知道什么是安培力,掌握分析安培力的方法。会用F=BIL进行安培力的简单计算。
2、理解磁感应强度B的定义式、物理意义,知道磁感应强度的单位是特斯拉。
3、会用左手定则判断安培力方向。
4、了解电动机的工作原理。知道电动机在生产、生活中的应用。
(二)过程与方法
1、通过探究磁场对电流的作用,使学生进一步掌握控制变量法。培养学生总结、归纳、分析问题、解决问题的能力。
2、通过学习左手定则,理解磁场方向、电流方向和安培力方向三者之间的关系,培养学生空间想象能力
(三)情感与价值
通过对安培力的探究,培养学生尊重事实、实事求是的科学态度。
教学重点:理解磁感应强度的概念、影响安培力大小的因素,掌握电流与磁场垂直时安培力的大小计算公式
教学难点:磁场方向、电流方向和安培力方向三者之间的空间关系。
一、课堂导入
大家看一下屏幕上的图片,有没有同学认出这是什么?(电动机)对,这是一张电动机的图片,我们生活中有很多电器都要用到电动机,我们都知道,电动机的转轴是能转动的。那么同学们有没有想过,转轴为什么能转动?它的工作原理是怎么样的?也许现在这些问题我们还回答不出来,但是我相信在这节课下课后,大家都能给出一个完美的答案了。下面我们开始上今天的课程。
【板书】§2.3磁场对通电导线的作用
上节课我们已经学过,通电的导体能够产生磁场。给你一根通电导线,我们怎么来判断它的磁场方向?(用安培定则)右手握住导线,让伸直的拇指的方向与电流的方向一致,弯曲的四指所指的方向就是磁感线的方向。我们知道,磁体能够产生磁感线,放入磁场中时会受到力的作用,现在,我们的通电导体也能产生磁感线,那么大家来猜想一下,通电的导体在磁场中是不是也会受到力的作用呢?(会)我们可以用实验来验证一下。
二、演示实验——观察安培力(1)
器材:垫底木盒、大磁铁、支撑台、细短金属棒、电池四节、导线两根
【介绍实验仪器】支撑台上一对可以改变间距的导轨,放上一个匀强磁场,小金属棒放在导轨上,接上电源形成通路。
实验及现象:把细短金属棒放到磁场中,当导体中有电流通过时,原来静止的导体发生运动。
(做两遍实验,力求实验现象明显)
三、衔接
我们可以看到,通电金属棒在磁场中受到力的作用而运动起来了。我们把这种通电导体在磁场中受到的力称为安培力。
【板书】一、安培力:通电导体在磁场中受到的力
由于法国科学家安培最早研究了磁场对通电导线的作用,所以后人以他的名字命名这种力,以此来纪念这位伟大的物理学家。
从刚才的实验中,我们看到通电导体在磁场中受到了力的作用。那么,是不是通电导体在磁场中一定会受到安培力的作用呢?(是/不是)我们同学有了不同的答案,有的同学说是,有的同学说不是,同样的,让我们用事实来说话。大家来看接下来的实验。
四、演示实验——观察安培力(2)
器材:垫底木盒、大磁铁、支撑台、细短金属棒、电池四节、导线两根
实验及现象:磁场横置,把细短金属棒放到磁场中,当导线中有电流通过时,导体仍然静止不动。(实验现象很难看到,叫两个同学依次上来看现象)
五、解说
在这个实验里,我们看到了,通电导体在磁场中并没有受到安培力的作用。那么同样是通电导体,同样处在磁场中,为什么会出现不同的现象?两个实验我们改变了什么条件?
我们改变了磁场的方向。第一个实验中,导体的方向与磁场的方向垂直,导体受到了安培力F。第二个实验,导体方向与磁场方向平行,导体不受安培力。其实这里我们可以猜想到,当导体方向与磁场方向斜交时,导体也受到安培力,但是这个力的大小介于F和0之间。
【板书】导体方向与磁场方向垂直——安培力F
导体方向与磁场方向平行——受力为0
导体方向与磁场方向斜交——安培力介于F与0之间
对于我们来说,重点要求掌握安培力最大的情形,也就是导线方向与磁场方向垂直的情形。那么,在导线方向与磁场方向垂直的情况下,安培力的大小与什么因素有关呢?大家来猜想一下。(学生讨论回答:磁场中通电导体的长度、电流的大小)好,下面我们通过实验来观察一下磁场中通电导体的长度L、电流的大小I这两个因素对安培力的影响。
【板书】影响安培力大小的因素
磁场中通电导体的长度 L
电流的大小 I
(准备实验)
我们现在要检验的是安培力F和磁场中通电导体的长度L、电流的大小I这两个因素之间的关系,我们可以让这两个因素同时变化来研究吗?(不能)那么我们应该怎么做呢?(我们应该控制变量,保持其中一个量不变,只改变一个量。)这就是我们所说的控制变量法,即我们要研究一个量和几个变量的关系时,我们需要保持其他的量相同,从而知道所求得的结果是由某一个量的变化引起的。
【板书】控制变量法
我们这里看安培力F的大小关键就是看金属导体运动的快慢。安培力越大,产生的加速度就越大,金属棒运动的也越快。
六、演示实验——影响安培力大小的因素
器材:垫底木盒、大磁铁、支撑台、细长金属棒、电池四节、导线两根
实验及现象:
①研究安培力F与磁场中通电导体的长度L的关系:
把细长金属棒放到磁场中,选用支撑台间距较小的一档,当导线中有电流通过时,原来静止的导线发生运动,运动速度较缓慢。改用支撑台间距较大的一档,当导线中有电流通过时,原来静止的导线发生运动,但是运动速度相对较快。说明电流一定时,磁场中通电导体的长度L越长,安培力F越大。F与L成正比。
【板书】I不变,L变大,F∝L
②研究安培力F与电流的大小I的关系:
把细长金属棒放到磁场中,选用一节一号电池,当导线中有电流通过时,原来静止的导线发生运动,运动速度较缓慢。电动势越大,电流越大。改用六节一号电池,当导线中有电流通过时,原来静止的导线发生运动,但是运动速度相对较快。说明磁场中通电导体的长度L一定时,电流I越大,安培力F越大。F与I成正比。
【板书】L不变,I变大,F∝I
七、总结归纳
通过上面两个实验我们可以知道,安培力F的大小既与磁场中通电导体的长度L成正比,又与电流的大小I成正比,即F∝IL。加上比例系数B,写成公式是F=BIL。
【板书】F∝IL
F=BIL
如果我们在不同的磁场中做上面的实验,将会发现:在同一磁场中,不管磁场中通电导体的长度L、电流的大小I怎样改变,比值B总是确定的。但是在不同的磁场中,比值B一般是不同的。可见,B是由磁场本身决定的。在磁场中通电导体的长度L、电流的大小I相同的情况下,F越大,比值B越大,表示磁场越强。B反映了磁场的强弱,叫做磁感应强度,它的定义式为。磁感应强度B的单位由安培力F、磁场中通电导体长度L和电流I的单位决定的,在国际单位制中,磁感应强度的单位是特斯拉,简称特,国际符号是T。我们可以得出。
【板书】
二、磁感应强度 B
1、定义式:
2、单位:特斯拉、特 T
地面附近地磁场的磁感应强度只有0.3 × 10-4 ~ 0.7 × 10-4 T,是很弱的磁场。永磁铁附近的磁感应强度为10-3 ~ 1T。在电机和变压器的铁心中,磁感应强度可达0.8 ~ 1.4T。人体心脏工作时产生的磁场约为10-10 T,而人脑神经产生的磁场更微弱。
磁感应强度是个矢量,它不仅有大小,还有方向。我们把磁场中某一点的磁场方向定义为磁感应强度的方向。小磁针N极在磁场中某点受力的方向就是这点磁感应强度的方向。
【板书】3、方向:小磁针N极在磁场中某点受力的方向
我们都知道,力是矢量,通过安培力的求解公式F=BIL,我们可以求出它的大
小,那么我们能不能也从中判断出安培力的方向呢?我们再来看安培力的一些实验。
八、演示实验——观察安培力的方向
器材:垫底木盒、大磁铁、支撑台、细长金属棒、电池四节、导线两根
实验及现象:
①把细长金属棒放到磁场中,当导线中有电流通过时,原来静止的导线发生运动。调转磁
极,当导线中有电流通过时,原来静止的导线发生运动,但是运动方向与之前的相反。说明安培力的方向与磁场方向有关。
②把细长金属棒放到磁场中,当导线中有电流通过时,原来静止的导线发生运动。调转电源正负接线,当导线中有电流通过时,原来静止的导线发生运动,但是运动方向与之前的相反。说明安培力的方向与电流方向有关。
九、归纳总结
科学家们在分析了大量实验结果后发现,安培力的方向既跟磁感应强度的方向垂直,又跟电流的方向垂直;而且三个方向之间的关系可以用左手定则来判定。所谓左手定则,就是伸开左手,使拇指跟其余四指垂直,并且都跟手掌在同一个平面内,让磁感线穿过手心,并使四指指向电流的方向,那么拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向。
【板书】左手定则:
磁感线方向——穿过手心
电流方向——四指指向
安培力方向——拇指指向
大家可以试着伸出手来来验证一下我们刚才所做的实验,用左手定则判断出的方向与实际安培力的方向是不是与一致。
【学生验证,教师指导】
我们可以看到,这两个实验中,左手定则判断出的方向与实际安培力的方向是一致的。现在,同学们学会怎么用左手安培定则来判断安培力的方向了吗?(学会了)
在已经知道磁场方向和电流方向的情况下,我们可以用左手定则来判断安培力的方向,那么,如果我告诉大家磁场的方向和安培力的方向,要求电流的方向,大家能求吗?(能)怎么求?(仍然应用左手定则,四指指向的方向就是电流的方向)很好,那如果我给出的是电流的方向和安培力的方向,要求磁场的方向,大家会不会求?(会)都会求的吧?也是应用左手定则,磁感线穿过手心。现在,大家对于左手定则的应用都会了吗?(会了)好,我们来做几个题目试试看。把课本翻到第36页,大家先把课后习题第一题的题目看一下。【学生看题,教师黑板上板书】
【板书】×表示磁感线垂直于纸面向里
·表示磁感线垂直于纸面向外
表示电流垂直于纸面向里
⊙表示电流垂直于纸面向外。
叉进点出
在做题目之前,我们先来学几个新的符号:×表示磁感线垂直于纸面向里,·表示磁感线垂直于纸面向外,表示电流垂直于纸面向里,⊙表示磁感线垂直于纸面向外。叉进点出,记清楚。下面我请三个同学到黑板上来做一下,第一题***,第二题***,第三题***,其他的同学在自己的做在自己的书本上。【走动,提醒大家动笔动脑】【讲解习题】
习题:见书本
从刚才的练习中我可以看到大家对左手定则应用得还是非常不错的。说明我们同学对新知识的接受能力还是相当不错的。下面我们来看难一点的习题。如果我给出一根已知电流方向的导线,大家先来判断一下导线四周磁场的方向,会判断的吧?我们用右手安培定则。如果我在这根导线的一边再放上一根电流方向跟它相同的导线,大家来判断一下,第二根导线的受力情况会怎样?第二根通电导线同样会产生一个磁场,对第一根导线产生力的作用,大家再来判断一下第一根导线的受力情况。好,我们可以看到如果给两根导线通以方向相同的电流,它们两者之间的作用效果是怎样的?相互吸引的。那如果我给两根导线同一方向相反的电流,它们之间的作用效果又会怎么样呢?分析过程是不是一样的呢?大家自己做做看。
很好,看来大家对左手定则的应用已经相当熟练了。刚才,我们一直在研究的是磁场中的一段导体受到安培力运动的情况,那如果我现在放在磁场中的是一个通电的矩形线圈,大家思考一下,它在安培力的作用下又会怎样运动呢?【教师在黑板上画第34页思考与讨论的图】【学生给出各种答案】
好,我刚才听到有同学说,线圈会转动,没错,线圈的确会转动,答案是正确的,那么线圈为什么会转动呢?它又是怎么转动的呢?有没有同学能告诉我?(如果同学能回答,则让同学回答,不能回答则教师给出解答)(我们把磁场对通电矩形线圈的作用分段来讨论。对于ab段,用左手定则判断出安培力的方向是垂直纸面向外;bc段,导体方向与磁场方向平行,所以安培力为零;cd段,安培力方向是垂直纸面向里。(教师拿书示范)在两个力的作用下,线圈就开始运动起来。如果我们给线圈通以方向合适的电流,线圈就能持续转动下去。其实这就是我们在开头介绍的电动机它的工作原理。电动机在我们的生活中应用是非常广泛,大家回想看看,你周围的哪些电器中有电动机?【同学举例】【PPT】嗯,刚才大家列举了各种各样的电动机,其实它们的构造都是相似的,都是由定子和转子构成,定子指的是电动机中固定不动中的部分,可以是线圈,也可以是磁体;转子是电动机中转动的部分。
【板书】三、电动机:定子和转子
这节课的内容我们已经学完了,下面我们来回顾一下,首先是安培力的概念,通电导体在磁场中受到的力叫做安培力。求解安培力大小的公式是F=BIL,I是电流的大小,L是磁场中通电导体的长度,B是磁感应强度,反映磁场的大小,单位是特斯拉,它是一个矢量,方向就是磁场中小磁针N极的指向。然后就是左手定则判断安培力的方向。左手定则,就是伸开左手,使拇指跟其余四指垂直,并且都跟手掌在同一个平面内,让磁感线穿过手心,并使四指指向电流的方向,那么拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向。这节课我们就上到这里,大家还有没有什么问题不明白的?如果没有的话我们就下课。
【板书设计】
§2.3磁场对通电导线的作用
一、安培力:通电导体在磁场中受到的力
导体方向与磁场方向垂直——安培力F
导体方向与磁场方向平行——受力为0
导体方向与磁场方向斜交——安培力介于F与0之间
影响安培力大小的因素
磁场中通电导体的长度 L
电流的大小 I
控制变量法:
I不变,L变大,F∝L
L不变,I变大,F∝I
F∝IL
F=BIL
二、磁感应强度 B
1、定义式:
2、单位:特斯拉(特) T
3、方向:小磁针N极在磁场中某点受力的方向
左手定则:
磁感线方向——穿过手心
电流方向——四指指向
安培力方向——拇指指向
×表示磁感线垂直于纸面向里
·表示磁感线垂直于纸面向外
表示电流垂直于纸面向里
⊙表示电流垂直于纸面向外。
叉进点出
三、电动机:定子和转子
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