【物理 】磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力實(shí)驗(yàn)說(shuō)課文稿-2023-2024學(xué)年高二下人教版（2019）選擇性必修第二冊(cè)

《磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力——利用自制教具改進(jìn)安培力的探究實(shí)驗(yàn)》本節(jié)內(nèi)容對(duì)應(yīng)2019人教版高中物理選擇性必修第二冊(cè)第一章第一節(jié)，磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力。本節(jié)主要涉及兩方面的探究，即安培力的方向和大小。一、教材與學(xué)情分析：（一）學(xué)情：(1).學(xué)生在必修三中已經(jīng)學(xué)習(xí)了磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念，在電流與磁場(chǎng)方向垂直的情況下，初步了解了磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的安培力。具備基本的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。(2)誤區(qū)：學(xué)生經(jīng)常認(rèn)為安培力、電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度三者方向一定兩兩垂直。(3)高階思維能力和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)仍需要提升。（二）課標(biāo)分析：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)安培力。能判斷安培力的方向，會(huì)計(jì)算安培力的大小。了解安培力在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。（三）教材分析：教材引導(dǎo)學(xué)生利用先定性再定量的方式進(jìn)行科學(xué)探究，注重加強(qiáng)前后知識(shí)的聯(lián)系，注重突出結(jié)論的形成過(guò)程。引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，觀察安培力方向，歸納安培力方向與磁場(chǎng)方向，電流方向之間的關(guān)系。二、教學(xué)目標(biāo)：物理觀念：1.掌握安培力概念及其大小的計(jì)算公式2.會(huì)判定安培力的方向科學(xué)思維：1.能從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理2.體會(huì)控制變量思想3.體會(huì)從特殊到一般的研究思想科學(xué)探究：1.能夠利用實(shí)驗(yàn)探究安培力的方向2.能夠理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合對(duì)安培力大小的影響因素進(jìn)行探究科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：1.能與他人合作探究2.具有嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容：組織引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展自主探究、合作交流活動(dòng)，利用自制實(shí)驗(yàn)教具，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究來(lái)理解安培力方向與電流、磁場(chǎng)方向空間關(guān)系，讓學(xué)生參與定量探究安培力大小的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，在參與實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題，設(shè)計(jì)創(chuàng)新方案解決問(wèn)題，全方位的參與到深度學(xué)習(xí)中，提高批判性思維能力和創(chuàng)新能力。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)：（一）安培力的方向（1）讓學(xué)生能明確安培力方向非常關(guān)鍵。如果教師根據(jù)教材實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)方向就直接得出受安培力方向與之相同，是缺乏科學(xué)性和嚴(yán)密性的。（2）教材沒(méi)有安排當(dāng)通電導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向不垂直時(shí)的實(shí)驗(yàn)方案。在實(shí)際教學(xué)中，正確理解安培力、電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度三個(gè)量方向的空間關(guān)系（左手定則）是難點(diǎn)，學(xué)生經(jīng)常誤認(rèn)為三者方向需要兩兩垂直，對(duì)此，我作出如下改進(jìn)：實(shí)驗(yàn)一：利用微力傳感器定量判定安培力方向首先利用教材實(shí)驗(yàn)情境，在學(xué)生觀察到通電后導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象之后，提出：?jiǎn)栴}一：如何判斷導(dǎo)體棒所受安培力的方向？我們能否根據(jù)銅棒的運(yùn)動(dòng)水平就判定所受安培力也水平呢？引導(dǎo)學(xué)生利用運(yùn)動(dòng)和相互作用觀，分析出此時(shí)運(yùn)動(dòng)方向與合外力方向一致，但不一定與所受的安培力方向一致。以水平向右運(yùn)動(dòng)為例，安培力有這樣三種可能。然后提出問(wèn)題二，你能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證安培力方向嗎？如何驗(yàn)證是否存在豎直分量呢？可以先提供一些器材：微力傳感器，示數(shù)可以顯示到0.001N。還有一對(duì)平行正對(duì)的強(qiáng)磁鐵，可以幫我們提供范圍更大，更強(qiáng)的近似的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。先啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)方案，教師指導(dǎo)。然后介紹裝置，如圖1所示，我們把銅棒垂直放在導(dǎo)軌上，利用紙板制作的吊籃，一起固定到微力傳感器上，保持導(dǎo)軌面水平，整個(gè)支架系統(tǒng)懸吊不觸碰磁鐵，利用學(xué)生電源供電，這樣，通電之前，微力傳感器就測(cè)量出了導(dǎo)軌支架這個(gè)整體的重力，通電之后，如果銅棒所受外界磁場(chǎng)所給的安培力有豎直方向的分量，那么，示數(shù)將有明顯變化，為了更便于觀測(cè)，可以在通電前將傳感器調(diào)零，此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測(cè)力傳感器數(shù)值的正負(fù)情況，填在記錄單中。請(qǐng)一名學(xué)生上來(lái)輔助教師開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，調(diào)零完畢后，提醒學(xué)生觀察通電后微力傳感器示數(shù)的正負(fù)情況。當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)后，可以發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)體棒通電后向右運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，微力傳感器示數(shù)幾乎一直為零，說(shuō)明導(dǎo)體棒所受安培力方向應(yīng)為水平向右。這樣就判定清楚了安培力的具體方向，為后續(xù)開(kāi)展影響因素的探究做好有說(shuō)服力的鋪墊。圖1定量判定安培力方向裝置圖2鋁箔棒起跳實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)二：鋁箔棒起跳實(shí)驗(yàn)在學(xué)生探究完磁場(chǎng)和電流垂直時(shí)安培力的影響因素后，我設(shè)計(jì)了由特殊到一般的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，將上一實(shí)驗(yàn)中的磁鐵旋轉(zhuǎn)90度，磁場(chǎng)變?yōu)樗椒较?，把薄鋁箔紙卷成的鋁箔棒放在水平放置的亞克力支架上，用銅皮接線柱與電源連接就組成一個(gè)回路。利用3.7V，750F的超級(jí)電容器作為電源來(lái)提供瞬時(shí)的大電流，以獲得更大的安培力。通過(guò)豎直的標(biāo)尺作為參考，提醒學(xué)生觀察通電后鋁箔棒起跳的方向，發(fā)現(xiàn)起跳方向豎直向上。這說(shuō)明鋁箔棒受安培力方向如何？引導(dǎo)學(xué)生利用相互作用觀分析，起跳的方向豎直向上能得出合外力豎直向上，而重力豎直向下，那么說(shuō)明安培力方向此時(shí)與運(yùn)動(dòng)方向一致，為豎直向上。確定了安培力方向后，我們水平旋轉(zhuǎn)亞克力板，使鋁箔棒與磁場(chǎng)方向有夾角但不垂直，重復(fù)實(shí)驗(yàn)?？梢杂^察到，通電后鋁箔棒仍豎直向上起跳。對(duì)比實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f(shuō)明什么？引導(dǎo)學(xué)生在記錄單中畫(huà)出三者方向，從而歸納發(fā)現(xiàn)安培力是垂直于磁場(chǎng)和電流方向構(gòu)成的平面，而磁場(chǎng)和電流可以成任意角度。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)以上實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，符合學(xué)生從特殊到一般的認(rèn)知規(guī)律，既深化對(duì)力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的理解，又突破對(duì)安培力、磁場(chǎng)、電流方向間關(guān)系的認(rèn)知誤區(qū)，還培養(yǎng)問(wèn)題意識(shí)，訓(xùn)練批判性思維能力和創(chuàng)造性解決問(wèn)題等高階思維能力。（二）安培力的大小在安培力的大小教學(xué)中，教材的裝置只能定性探究安培力與各因素關(guān)系，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量探究，且只是利用矢量分解的思想推導(dǎo)安培力大小表達(dá)式，缺乏實(shí)驗(yàn)佐證。對(duì)此，我進(jìn)行了改進(jìn)。利用自制的安培力定量探究實(shí)驗(yàn)儀，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)安培力與四個(gè)變量關(guān)系的全面探究。圖3安培力定量探究實(shí)驗(yàn)儀（1）由于安培力比較微弱，我采用放大法，將匝數(shù)為100匝的線圈懸掛在亞克力板制作的背板上，連同外面的支架一起放在電子秤上。通過(guò)稱量豎直施加在秤盤上的彈力對(duì)應(yīng)的質(zhì)量來(lái)反映線圈上底邊在磁場(chǎng)中所受的安培力。通電前將電子秤調(diào)零，那么通電后，若示數(shù)為正，則導(dǎo)線受安培力方向向下。示數(shù)為負(fù)，則表示安培力的方向向上。這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)安培力的精確測(cè)量。家用電子秤精度比微力傳感器更高，量程更大，取材更方便。通過(guò)導(dǎo)線的電流我們就用滑動(dòng)變阻器和電流傳感器來(lái)控制測(cè)量。（2）磁場(chǎng)應(yīng)強(qiáng)度B如何定量控制呢？——如果采用永磁鐵提供磁場(chǎng)，強(qiáng)弱不能定量連續(xù)調(diào)節(jié)，且邊緣效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)分布不均。亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)較微弱，所以我用0.8mm的漆包線，絕緣膠布，90mm乘40mm乘30mm的鐵芯，（對(duì)比了永磁鐵和亥姆霍茲線圈提供磁場(chǎng)的弊端，）我自制了一對(duì)電磁鐵，平行正對(duì)放置，提供水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。利用電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流有非常好的正比關(guān)系，連接學(xué)生電源，通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)電磁鐵中電流強(qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定量測(cè)量。（3）長(zhǎng)度L的定量控制？如果利用帶抽頭的線圈，通過(guò)對(duì)同一線圈換匝數(shù)的辦法控制長(zhǎng)度，對(duì)L的改變不夠直觀，學(xué)生不易理解。我利用背板上端掛鉤和用泡沫制成的卡扣，可以方便的實(shí)現(xiàn)線圈的更換和固定。用4個(gè)100匝的正方形線圈，制作成4個(gè)不同寬度的線圈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)度的定量控制。（4）如何定量控制電流和磁場(chǎng)間夾角呢？線圈的背板可以在支架內(nèi)繞軸旋轉(zhuǎn)，結(jié)合上方的角度盤，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)夾角的控制和測(cè)量。通過(guò)旋緊旋鈕，又可以固定位置。避免左右兩側(cè)的導(dǎo)線受力旋轉(zhuǎn)而不穩(wěn)定的情況。為什么要旋轉(zhuǎn)線圈而不是采用更簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法呢？因?yàn)楦鶕?jù)控制變量的思想，在改變夾角時(shí)，需保證導(dǎo)線所在位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為定值。為避免線圈旋轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)線牽動(dòng)對(duì)電子秤測(cè)量產(chǎn)生較大影響，我在支架下方單獨(dú)引出兩接線柱給線圈接線。課前我們已經(jīng)利用小磁針來(lái)幫忙確定好導(dǎo)線所在處的磁場(chǎng)方向了，角度盤和指針已經(jīng)調(diào)整為與0度夾角刻度對(duì)齊。下面，我們利用控制變量思想來(lái)進(jìn)行探究。=1\*GB3①探究安培力與電流大小的關(guān)系控制IB大小,L大小,θ大小一定，改變線圈中電流I利用記錄單中表1和方格紙，觀察，記錄，擬合數(shù)據(jù)，分析擬合圖線。表1探究安培力與電流大小的關(guān)系次數(shù)導(dǎo)線長(zhǎng)度/cm角度θ/°磁場(chǎng)電流IB線圈電流I/A安培力/9.8×10?31234567結(jié)論：通電導(dǎo)線受到安培力與電流大小成正比。=2\*GB3②探究安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的關(guān)系控制I大小,L大小,θ大小一定，改變磁場(chǎng)中IB大小，利用記錄單中的表2和方格紙，觀察，記錄，擬合數(shù)據(jù)，表2探究安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的關(guān)系次數(shù)導(dǎo)線長(zhǎng)度/cm角度θ/°磁場(chǎng)電流IB線圈電流I/A安培力/9.8×10?31234567結(jié)論：通電導(dǎo)線受到安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小成正比。=3\*GB3③探究安培力與導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系控制I大小,IB

大小,θ大小一定，改變導(dǎo)線長(zhǎng)度L，利用記錄單中的表3和方格紙，觀察，記錄，擬合數(shù)據(jù)表3探究安培力與導(dǎo)線長(zhǎng)度大小的關(guān)系次數(shù)導(dǎo)線長(zhǎng)度/cm角度θ/°磁場(chǎng)電流IB線圈電流I/A安培力/9.8×10?31234567結(jié)論：通電導(dǎo)線受到安培力大小與長(zhǎng)度大小成正比。=4\*GB3④探究安培力與磁場(chǎng)及導(dǎo)線方向夾角θ的關(guān)系控制I大小,IB

大小,L大小一定，改變磁場(chǎng)與導(dǎo)線方向的夾角θ，利用數(shù)據(jù)單中表4和方格紙，表4探究安培力與磁場(chǎng)及導(dǎo)線方向夾角θ的關(guān)系次數(shù)導(dǎo)線長(zhǎng)度/cm角度θ/°sin磁場(chǎng)電流IB線圈電流I/A安培力/9.8×10?3100.002300.503600.874901.0051200.8761500.5071800.008210-0.509240-0.8710270-1.0011300-0.8712330-0.50133600.00結(jié)論：通電導(dǎo)線受安培力大小與磁場(chǎng)及導(dǎo)線夾角的正弦值成正比。同學(xué)們可以在課后調(diào)整所控制變量的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)論應(yīng)該是相同的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)作安培力與磁場(chǎng)電流，線圈電流，導(dǎo)線長(zhǎng)度，夾角正弦值間的關(guān)系圖，均得到正比