【物理 】磁場對通電導線的作用力實驗說課文稿-2023-2024學年高二下人教版（2019）選擇性必修第二冊

《磁場對通電導線的作用力——利用自制教具改進安培力的探究實驗》本節(jié)內(nèi)容對應2019人教版高中物理選擇性必修第二冊第一章第一節(jié)，磁場對通電導線的作用力。本節(jié)主要涉及兩方面的探究，即安培力的方向和大小。一、教材與學情分析：（一）學情：(1).學生在必修三中已經(jīng)學習了磁感應強度的概念，在電流與磁場方向垂直的情況下，初步了解了磁場對通電導線的安培力。具備基本的實驗素養(yǎng)。(2)誤區(qū)：學生經(jīng)常認為安培力、電流和磁感應強度三者方向一定兩兩垂直。(3)高階思維能力和實驗素養(yǎng)仍需要提升。（二）課標分析：通過實驗，認識安培力。能判斷安培力的方向，會計算安培力的大小。了解安培力在生產(chǎn)生活中的應用。（三）教材分析：教材引導學生利用先定性再定量的方式進行科學探究，注重加強前后知識的聯(lián)系，注重突出結(jié)論的形成過程。引導學生設計實驗，觀察安培力方向，歸納安培力方向與磁場方向，電流方向之間的關(guān)系。二、教學目標：物理觀念：1.掌握安培力概念及其大小的計算公式2.會判定安培力的方向科學思維：1.能從定性和定量兩個方面進行科學推理2.體會控制變量思想3.體會從特殊到一般的研究思想科學探究：1.能夠利用實驗探究安培力的方向2.能夠理論與實驗結(jié)合對安培力大小的影響因素進行探究科學態(tài)度與責任：1.能與他人合作探究2.具有嚴謹求實的科學態(tài)度三、實驗教學內(nèi)容：組織引導學生開展自主探究、合作交流活動，利用自制實驗教具，讓學生通過實驗探究來理解安培力方向與電流、磁場方向空間關(guān)系，讓學生參與定量探究安培力大小的實驗活動，在參與實驗探究的過程中能發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，設計創(chuàng)新方案解決問題，全方位的參與到深度學習中，提高批判性思維能力和創(chuàng)新能力。四、實驗設計與改進：（一）安培力的方向（1）讓學生能明確安培力方向非常關(guān)鍵。如果教師根據(jù)教材實驗中導體棒運動方向就直接得出受安培力方向與之相同，是缺乏科學性和嚴密性的。（2）教材沒有安排當通電導線和磁場方向不垂直時的實驗方案。在實際教學中，正確理解安培力、電流、磁感應強度三個量方向的空間關(guān)系（左手定則）是難點，學生經(jīng)常誤認為三者方向需要兩兩垂直，對此，我作出如下改進：實驗一：利用微力傳感器定量判定安培力方向首先利用教材實驗情境，在學生觀察到通電后導體棒運動的現(xiàn)象之后，提出：問題一：如何判斷導體棒所受安培力的方向？我們能否根據(jù)銅棒的運動水平就判定所受安培力也水平呢？引導學生利用運動和相互作用觀，分析出此時運動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。以水平向右運動為例，安培力有這樣三種可能。然后提出問題二，你能設計實驗來驗證安培力方向嗎？如何驗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。還有一對平行正對的強磁鐵，可以幫我們提供范圍更大，更強的近似的勻強磁場。先啟發(fā)學生設計方案，教師指導。然后介紹裝置，如圖1所示，我們把銅棒垂直放在導軌上，利用紙板制作的吊籃，一起固定到微力傳感器上，保持導軌面水平，整個支架系統(tǒng)懸吊不觸碰磁鐵，利用學生電源供電，這樣，通電之前，微力傳感器就測量出了導軌支架這個整體的重力，通電之后，如果銅棒所受外界磁場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，可以在通電前將傳感器調(diào)零，此時引導學生預測力傳感器數(shù)值的正負情況，填在記錄單中。請一名學生上來輔助教師開展實驗，調(diào)零完畢后，提醒學生觀察通電后微力傳感器示數(shù)的正負情況。當閉合開關(guān)后，可以發(fā)現(xiàn)在導體棒通電后向右運動的過程中，微力傳感器示數(shù)幾乎一直為零，說明導體棒所受安培力方向應為水平向右。這樣就判定清楚了安培力的具體方向，為后續(xù)開展影響因素的探究做好有說服力的鋪墊。圖1定量判定安培力方向裝置圖2鋁箔棒起跳實驗裝置實驗二：鋁箔棒起跳實驗在學生探究完磁場和電流垂直時安培力的影響因素后，我設計了由特殊到一般的對比實驗。如圖2所示，將上一實驗中的磁鐵旋轉(zhuǎn)90度，磁場變?yōu)樗椒较颍驯′X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回路。利用3.7V，750F的超級電容器作為電源來提供瞬時的大電流，以獲得更大的安培力。通過豎直的標尺作為參考，提醒學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。這說明鋁箔棒受安培力方向如何？引導學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，那么說明安培力方向此時與運動方向一致，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，使鋁箔棒與磁場方向有夾角但不垂直，重復實驗。可以觀察到，通電后鋁箔棒仍豎直向上起跳。對比實驗能說明什么？引導學生在記錄單中畫出三者方向，從而歸納發(fā)現(xiàn)安培力是垂直于磁場和電流方向構(gòu)成的平面，而磁場和電流可以成任意角度。實驗設計意圖：創(chuàng)設以上實驗活動，符合學生從特殊到一般的認知規(guī)律，既深化對力和運動關(guān)系的理解，又突破對安培力、磁場、電流方向間關(guān)系的認知誤區(qū)，還培養(yǎng)問題意識，訓練批判性思維能力和創(chuàng)造性解決問題等高階思維能力。（二）安培力的大小在安培力的大小教學中，教材的裝置只能定性探究安培力與各因素關(guān)系，無法實現(xiàn)定量探究，且只是利用矢量分解的思想推導安培力大小表達式，缺乏實驗佐證。對此，我進行了改進。利用自制的安培力定量探究實驗儀，如圖3所示，實現(xiàn)了對安培力與四個變量關(guān)系的全面探究。圖3安培力定量探究實驗儀（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。通過稱量豎直施加在秤盤上的彈力對應的質(zhì)量來反映線圈上底邊在磁場中所受的安培力。通電前將電子秤調(diào)零，那么通電后，若示數(shù)為正，則導線受安培力方向向下。示數(shù)為負，則表示安培力的方向向上。這樣實現(xiàn)了對安培力的精確測量。家用電子秤精度比微力傳感器更高，量程更大，取材更方便。通過導線的電流我們就用滑動變阻器和電流傳感器來控制測量。（2）磁場應強度B如何定量控制呢？——如果采用永磁鐵提供磁場，強弱不能定量連續(xù)調(diào)節(jié)，且邊緣效應會導致磁場分布不均。亥姆霍茲線圈磁場較微弱，所以我用0.8mm的漆包線，絕緣膠布，90mm乘40mm乘30mm的鐵芯，（對比了永磁鐵和亥姆霍茲線圈提供磁場的弊端，）我自制了一對電磁鐵，平行正對放置，提供水平方向的勻強磁場。利用電磁鐵的磁感應強度和電流有非常好的正比關(guān)系，連接學生電源，通過滑動變阻器調(diào)節(jié)電磁鐵中電流強弱，從而實現(xiàn)對磁感應強度B的定量測量。（3）長度L的定量控制？如果利用帶抽頭的線圈，通過對同一線圈換匝數(shù)的辦法控制長度，對L的改變不夠直觀，學生不易理解。我利用背板上端掛鉤和用泡沫制成的卡扣，可以方便的實現(xiàn)線圈的更換和固定。用4個100匝的正方形線圈，制作成4個不同寬度的線圈，從而實現(xiàn)對長度的定量控制。（4）如何定量控制電流和磁場間夾角呢？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，從而實現(xiàn)對夾角的控制和測量。通過旋緊旋鈕，又可以固定位置。避免左右兩側(cè)的導線受力旋轉(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單的旋轉(zhuǎn)磁場的方法呢？因為根據(jù)控制變量的思想，在改變夾角時，需保證導線所在位置處的磁感應強度為定值。為避免線圈旋轉(zhuǎn)時導線牽動對電子秤測量產(chǎn)生較大影響，我在支架下方單獨引出兩接線柱給線圈接線。課前我們已經(jīng)利用小磁針來幫忙確定好導線所在處的磁場方向了，角度盤和指針已經(jīng)調(diào)整為與0度夾角刻度對齊。下面，我們利用控制變量思想來進行探究。=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)導線長度/cm角度θ/°磁場電流IB線圈電流I/A安培力/9.8×10?31234567結(jié)論：通電導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強度大小的關(guān)系控制I大小,L大小,θ大小一定，改變磁場中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強度大小的關(guān)系次數(shù)導線長度/cm角度θ/°磁場電流IB線圈電流I/A安培力/9.8×10?31234567結(jié)論：通電導線受到安培力大小與磁感應強度大小成正比。=3\*GB3③探究安培力與導線長度的關(guān)系控制I大小,IB

大小,θ大小一定，改變導線長度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探究安培力與導線長度大小的關(guān)系次數(shù)導線長度/cm角度θ/°磁場電流IB線圈電流I/A安培力/9.8×10?31234567結(jié)論：通電導線受到安培力大小與長度大小成正比。=4\*GB3④探究安培力與磁場及導線方向夾角θ的關(guān)系控制I大小,IB

大小,L大小一定，改變磁場與導線方向的夾角θ，利用數(shù)據(jù)單中表4和方格紙，表4探究安培力與磁場及導線方向夾角θ的關(guān)系次數(shù)導線長度/cm角度θ/°sin磁場電流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：通電導線受安培力大小與磁場及導線夾角的正弦值成正比。同學們可以在課后調(diào)整所控制變量的參數(shù)進行實驗，結(jié)論應該是相同的。根據(jù)實驗所測數(shù)據(jù)作安培力與磁場電流，線圈電流，導線長度，夾角正弦值間的關(guān)系圖，均得到正比