鄧放明老師自制“磁場(chǎng)中不同點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度”演示探究?jī)x
發(fā)布：物理教研組 來(lái)源：物理教研組 日期：2017-06-01 人氣：
這是一臺(tái)全新自制教學(xué)儀器，能演示測(cè)量磁體對(duì)通電導(dǎo)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的規(guī)律，對(duì)我們認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)分布圖中各磁場(chǎng)強(qiáng)弱實(shí)際的理解。該實(shí)驗(yàn)儀是利用電流元放大的特點(diǎn)，制作螺線形線圈，由于螺線管形在非均勻磁場(chǎng)中，線圈上各電流元所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，受力不同，其合力矩不為零，合力也就不為零，因此載流線圈在非均勻場(chǎng)中除了轉(zhuǎn)動(dòng)外還有平動(dòng)，但是當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到與磁矩與磁場(chǎng)方向一致時(shí)合力矩為零，但合力不會(huì)為零，而且指向磁場(chǎng)方向的反方向，因此就是利用相互作用，作用力的方向磁場(chǎng)的反方向，其表現(xiàn)就是異性相吸的原理，制作的<磁場(chǎng)中不同點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度>教學(xué)演示探究?jī)x用來(lái)測(cè)量非均勻磁場(chǎng)強(qiáng)度。名稱(chēng)解釋
1.磁體:嵌入式圓柱形體磁體，外層用塑料層保護(hù)磁體。
2.受力左右調(diào)節(jié)器:用于調(diào)節(jié)L形狀活動(dòng)滑塊使電流元受力體可在磁場(chǎng)中左右移動(dòng)。
3.電流傳感器: 是用來(lái)測(cè)量磁體用的電流元探測(cè)器中的電流變化。
4.電源: 采用6節(jié)1.5伏干電池作為直流9v電源。也可以用9v開(kāi)關(guān)直流電源。
5.數(shù)據(jù)采集器:用于將采集到的數(shù)據(jù)傳入到計(jì)算機(jī)。
6.電流調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器: 是通過(guò)滑動(dòng)改變電阻大小來(lái)限制電流大小的作用。線圈導(dǎo)線:采用兩根長(zhǎng)度基本一致的銅線繞成環(huán)形線圈，用于實(shí)驗(yàn)中改變導(dǎo)線長(zhǎng)度。
7.力傳感器:用于直接測(cè)量通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力情況。
8.實(shí)驗(yàn)平臺(tái):用于支承各個(gè)部件構(gòu)成一臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置。
9.電流源探測(cè)器:用于探測(cè)圓柱體磁場(chǎng)中的磁場(chǎng)不同點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化。
10.支架主體:是整臺(tái)器材的聯(lián)結(jié)主體，使圓柱體磁體與電流元探測(cè)器相互作用力之間支承架。
11.上下調(diào)節(jié)器:通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕可使電流元上下移動(dòng)，改變與磁體之間的距離。
實(shí)驗(yàn)工作原理:
如圖，這是一個(gè)很理想的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置圖。磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，一直以來(lái)沒(méi)有理想的實(shí)驗(yàn)器材，主要是孤立的電流元是不存在的，而用較短的導(dǎo)線視為電流元來(lái)做實(shí)驗(yàn)，其所受的力太小不易測(cè)出。在此，我們把電流元換成較小的通電線圈，通過(guò)線圈來(lái)放大電流元的所受作用力。磁體采用薄圓柱形超強(qiáng)磁體，通電線圈放置在其正下方且與其平行，線圈在通電的情況下可產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，這樣通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生相互吸引或相互排斥力，這個(gè)力F用傳感器可以測(cè)量出來(lái)。通過(guò)增減線圈的匝數(shù)來(lái)改變L的長(zhǎng)短，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變壓器來(lái)改變電流I的大小。通過(guò)移動(dòng)磁體來(lái)檢驗(yàn)在不同位置磁場(chǎng)B的作用。實(shí)驗(yàn)中采用控制變量法來(lái)測(cè)量多組I、L、F，通過(guò)比較F/IL的比值關(guān)系，來(lái)引出磁感應(yīng)強(qiáng)度B的概念。
磁體采用圓柱薄形超強(qiáng)磁體，磁體磁場(chǎng)磁力線N磁極中心最強(qiáng)且向下，由于環(huán)形線圈與磁力線為垂直的導(dǎo)線，線圈在通電的情況下可產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)之間就會(huì)產(chǎn)生相互吸引或相互排斥力，這個(gè)力用力傳感器測(cè)出來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在這里只能把線圈看作是一個(gè)受力體，通電線圈在磁場(chǎng)中會(huì)受到磁力的作用，也可以定性的分析線圈的受力情況。
當(dāng)電流I線圈長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)測(cè)出力為F
當(dāng)電流2I線圈長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)測(cè)出力為2F
當(dāng)電流I線圈長(zhǎng)度為2L時(shí)測(cè)出力為2F
當(dāng)電流I或2I線圈為L(zhǎng)或2L時(shí)可以測(cè)出磁體中不同位置的不同點(diǎn)（A、B、C）F力來(lái)。
操作步驟:
- 連接各器件，打開(kāi)計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)整數(shù)據(jù)顯示如下圖所示:接通電路電源可直接在9v上，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變壓器并調(diào)節(jié)線圈與磁體之間距離，得到有一定的受力顯示。
2. 驗(yàn)證線圈L與2L的關(guān)系，首先斷開(kāi)電源將力傳感器清零，第一步測(cè)量0—L線圈導(dǎo)線的受力并記錄，第二步測(cè)量L—2L線圈導(dǎo)線的受力并記錄，如上圖所示:比較兩個(gè)線圈導(dǎo)線受力情況，根據(jù)計(jì)算表格中數(shù)據(jù)說(shuō)明兩個(gè)線圈導(dǎo)線長(zhǎng)度基本相等。
科教版教材中分析安培力實(shí)驗(yàn)有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，在磁場(chǎng)中某一點(diǎn)（如B點(diǎn)），安培力與電流和導(dǎo)線乘積的比值是一個(gè)定值，與導(dǎo)線的長(zhǎng)度、通過(guò)導(dǎo)線的電流無(wú)關(guān)；而在磁場(chǎng)中的不同點(diǎn)（A、B、C點(diǎn)），安培力與電流和導(dǎo)線長(zhǎng)度乘積的比值不相等，與所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)，因此，我們可以用這個(gè)比值來(lái)描述磁場(chǎng)的性質(zhì)，把它稱(chēng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度（magnetic induction），用符號(hào)B表示，寫(xiě)成公式是實(shí)驗(yàn)探究:
1.根據(jù)上圖確定電流I與導(dǎo)線L不變，通過(guò)受力上下調(diào)節(jié)器上的旋扭上下移動(dòng)距離，分別測(cè)量記錄3F、F、0.5F所受的力，進(jìn)行分析，（力也不一定要是倍數(shù)關(guān)系）。
分析數(shù)據(jù): 電流保持不變，改變導(dǎo)線與磁體距離，在磁場(chǎng)中的不同點(diǎn)（1、2、3分別代表A、B、C）點(diǎn)的力就可說(shuō)明力與電流和導(dǎo)線長(zhǎng)度乘積的比值不相等，與所在位置磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。
2.在磁場(chǎng)中某一點(diǎn)（如B點(diǎn)）的導(dǎo)線所受的力實(shí)驗(yàn)，如下圖數(shù)據(jù)得來(lái)，第一步;當(dāng)電源連接在（0—2L）導(dǎo)線中電流在0.5A時(shí)顯示0.19N的力，當(dāng)然0.19的力，是電流I導(dǎo)線2L時(shí)測(cè)得的。第二步; 保持B點(diǎn)位置不變，當(dāng)電源連在（0—L）導(dǎo)線中調(diào)節(jié)電流為2I數(shù)據(jù)顯示力仍然不變。當(dāng)然以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)也可直接測(cè)量計(jì)算出磁場(chǎng)中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，在計(jì)算表格中輸入變量，輸入公式，就可以直接由數(shù)據(jù)采集器計(jì)算出磁感應(yīng)強(qiáng)度。
基于中學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)與教具研發(fā)第三部分繼續(xù)稿
用自制教學(xué)儀器對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行教學(xué)
這是另一種磁感應(yīng)強(qiáng)度演示儀，是在第一種基礎(chǔ)上改進(jìn)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)儀，該實(shí)驗(yàn)儀特點(diǎn)采用2 cm長(zhǎng)的線段，實(shí)際由100匝200匝即2m和4m線長(zhǎng)組成，線圈的工藝制作采用Φ0.33mm的漆包線，兩根并繞100匝，原后線圈首尾相連為中間抽頭就行成了放大的電流源，磁體直徑為30mm，并嵌入在Φ40mm塑料棒中，磁體的實(shí)際磁力線分布還是比較大，因此導(dǎo)線長(zhǎng)度完全在磁場(chǎng)中, 通過(guò)對(duì)導(dǎo)線通電就能反應(yīng)導(dǎo)線受到安培力。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻組可改變導(dǎo)線電流的變化，受到安培力也隨著變化。
儀器結(jié)構(gòu)
1.導(dǎo)線
2.力傳感器: 測(cè)量通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力大小。
3.旋轉(zhuǎn)平臺(tái): 使導(dǎo)線與磁場(chǎng)形成0-90度旋轉(zhuǎn)變化反應(yīng)受力大小的變化規(guī)律。
4.左右或者前后滑動(dòng)體: 通過(guò)滑動(dòng)體可改變導(dǎo)線與磁長(zhǎng)距離0-60mm的變動(dòng)。
5.圓型滑動(dòng)變阻器: 通過(guò)旋鈕可改變電阻0-220
6.旋轉(zhuǎn)平臺(tái)座: 通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)座可方便使整臺(tái)儀器與底座360度任意轉(zhuǎn)動(dòng)。
7.電流傳感器: 測(cè)量通電導(dǎo)體的電流大小。
8.上下升降旋鈕: 用來(lái)改變導(dǎo)線上下高度，改變距離范圍50mm。
用自制創(chuàng)新磁場(chǎng)中不同點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行<磁感應(yīng)強(qiáng)度>教學(xué)設(shè)計(jì)
一、教材分析
1．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求：了解磁場(chǎng)，知道磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量。
2．本節(jié)內(nèi)容在物理知識(shí)體系中的地位與作用
本節(jié)內(nèi)容是人民教育出版社高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-1第三章第二節(jié)。在第一節(jié)中,學(xué)生對(duì)生活中常見(jiàn)的磁現(xiàn)象有了初步的了解;接受了磁場(chǎng)的概念:磁體或通電導(dǎo)線周?chē)嬖诘目陀^物質(zhì);理解了磁場(chǎng)的基本性質(zhì):對(duì)放入磁場(chǎng)的其他磁體或通電導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)力的作用。本節(jié)內(nèi)容為磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度是電磁學(xué)基本概念之一，是本章的重點(diǎn)。磁感應(yīng)強(qiáng)度與許多日常生活現(xiàn)象中有關(guān)，教材將這節(jié)內(nèi)容安排在磁現(xiàn)象和磁場(chǎng)之后，是學(xué)生對(duì)于磁現(xiàn)象知識(shí)能力的提升，讓學(xué)生明白磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向和大小可以用磁體和通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受到的力來(lái)描述。學(xué)生要通過(guò)對(duì)本節(jié)的學(xué)習(xí)理解描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量（磁感應(yīng)強(qiáng)度）是如何定義的，理解根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)放入其中的磁體北極的作用力方向來(lái)規(guī)定磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向；根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)放入其中的電流元的作用力大小來(lái)定義磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。
3．教材內(nèi)容與流程安排
教材的本節(jié)內(nèi)容遵循“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的新課程理念。教材對(duì)于本節(jié)內(nèi)容的設(shè)計(jì)流程是：
①.通過(guò)日常生活中的磁現(xiàn)象說(shuō)明磁場(chǎng)有強(qiáng)弱之分、磁場(chǎng)的強(qiáng)弱表現(xiàn)為對(duì)磁性物質(zhì)和通電導(dǎo)線作用力的強(qiáng)弱。
②.類(lèi)比電場(chǎng)強(qiáng)度的定義引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分析磁體或通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受的力找出表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量。
③.用放入磁場(chǎng)的小磁針受到的磁場(chǎng)力來(lái)定義磁場(chǎng)方向：規(guī)定小磁針北極受力方向?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度的方向
④.實(shí)驗(yàn)探究放入磁場(chǎng)的電流元受到的磁場(chǎng)力的決定因素，得到：
F ∝ I , F ∝ L 即 F ∝ IL 寫(xiě)成F=BIL，其中B為比例系數(shù)
⑤.在不同的磁場(chǎng)中，或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)的不同位置，B值不同。B值就是表征磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量—磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小：
4.教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)分析
教學(xué)重點(diǎn)在磁感應(yīng)強(qiáng)度方向和大小的定義及實(shí)驗(yàn)探究電流元在磁場(chǎng)中的受到的磁場(chǎng)力的決定因素
教學(xué)難點(diǎn)在理解“電流元”理想模型、為什么不用磁針受到的磁場(chǎng)力大小定義磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小、為什么不用電流元的受到的磁場(chǎng)力方向定義磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向
二、學(xué)生學(xué)情分析
1．認(rèn)知層面
初中課本只簡(jiǎn)單的介紹了電生磁、磁生電的基本關(guān)系，并沒(méi)有說(shuō)明磁場(chǎng)的描述方法，學(xué)生在日常生活中對(duì)一些有關(guān)磁場(chǎng)強(qiáng)弱的現(xiàn)象只是有了感性的認(rèn)識(shí)，沒(méi)有理性分析，可能已經(jīng)忘記用磁感應(yīng)線粗略描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的方法，在第一章，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了描述電場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量——電場(chǎng)強(qiáng)度，可以類(lèi)比學(xué)習(xí)描述磁場(chǎng)的物理量。
2．能力層面
電磁學(xué)對(duì)于中學(xué)學(xué)生來(lái)說(shuō)總體感覺(jué)太過(guò)于抽象，很多原理不能有直觀的感受，本節(jié)內(nèi)容磁感應(yīng)強(qiáng)度概念抽象、理解困難，挑戰(zhàn)學(xué)生抽象思維能力和理解能力。
三、教學(xué)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新
1. 教學(xué)思路設(shè)計(jì)
磁場(chǎng)對(duì)磁極和電流的作用力（本質(zhì)上是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力）遠(yuǎn)比電場(chǎng)對(duì)電荷的作用力復(fù)雜，如何尋找描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量是全章教學(xué)的難點(diǎn)，教材上用小磁針在磁場(chǎng)中受力方向定義磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向、用電流元在磁場(chǎng)中受力大小定義磁感應(yīng)強(qiáng)度大小是符合中學(xué)生認(rèn)知水平的。在教學(xué)中應(yīng)重點(diǎn)思考和關(guān)注如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和求知欲望、怎樣減低學(xué)生理解難度，把抽象的概念具體化。考慮設(shè)計(jì)引人入勝的引入小實(shí)驗(yàn)來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，在概念的理解上類(lèi)比電場(chǎng)強(qiáng)度的定義方法來(lái)突破難點(diǎn)，在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的定義上通過(guò)精心設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)來(lái)探究電流元在磁場(chǎng)中受力的決定因素。演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)注重應(yīng)用傳感器提高實(shí)驗(yàn)精度，使實(shí)驗(yàn)操作快速準(zhǔn)確，學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)注重訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，和對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的體會(huì)。引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
2．創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
①引入實(shí)驗(yàn)
引人入勝、對(duì)比效果明顯的引入實(shí)驗(yàn)會(huì)極大的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到同一個(gè)磁場(chǎng)中的不同位置，磁性強(qiáng)弱不同的磁體激發(fā)的磁場(chǎng)中的同一位置，磁場(chǎng)強(qiáng)弱都不同，從而引入課題：尋找描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量
②學(xué)生實(shí)驗(yàn)
旨在說(shuō)明磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力與電流大小成正比與導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比。我設(shè)計(jì)了一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)，采用寬度較小的線圈代表電流元，利用多匝線圈放大安培力，通過(guò)改變?cè)褦?shù)來(lái)改變導(dǎo)線長(zhǎng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)改變電流大小。學(xué)生實(shí)驗(yàn)中刻意沒(méi)有使用朗威DISLab軟件采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，而是使用顯示模塊顯示電流大小讀數(shù)和安培力大小讀數(shù)，主要是為了培養(yǎng)學(xué)生自行采集數(shù)據(jù)，自行設(shè)計(jì)表格記錄數(shù)據(jù)，自行分析數(shù)據(jù)的能力。
③演示實(shí)驗(yàn)
磁感應(yīng)強(qiáng)度這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，一直以來(lái)沒(méi)有理想的定量實(shí)驗(yàn)器材，主要是孤立的電流元是不存在的，而用較短的導(dǎo)線視為電流元來(lái)做實(shí)驗(yàn)，其所受的力太小不易測(cè)出。我設(shè)計(jì)制作了這樣的演示實(shí)驗(yàn)：采用寬度較小的通電線圈代表電流元，通過(guò)增加線圈匝數(shù)來(lái)放大電流元的所受作用力。磁體采用釹鐵硼強(qiáng)磁鐵片疊加，其磁場(chǎng)類(lèi)似條形磁鐵，通電線圈放置在其正前方，采用穩(wěn)壓電源，線圈在通以穩(wěn)定電流后受到磁場(chǎng)的穩(wěn)定作用力，把這個(gè)力F用微力傳感器測(cè)量出來(lái)。通過(guò)增減線圈的匝數(shù)來(lái)改變L的長(zhǎng)短，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變壓器來(lái)改變電流I的大小。我們利用朗威DISLab軟件采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單便利，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)效果很好。
3.預(yù)期效果
從生活小實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移，用電場(chǎng)強(qiáng)度的定義方法作類(lèi)比來(lái)引導(dǎo)學(xué)生尋找描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量。鼓勵(lì)學(xué)生觀察思考，勤于提問(wèn)，培養(yǎng)科學(xué)精神，以學(xué)生為本，通過(guò)交流討論和實(shí)驗(yàn)探究的方式，使學(xué)生在做中學(xué)、學(xué)中玩，玩中思。有效攻破難點(diǎn)，突出重點(diǎn)，應(yīng)能很好完成本堂課預(yù)定的三維教學(xué)目標(biāo)。
一、教學(xué)三維目標(biāo)：
1．知識(shí)與技能
⑴知道并理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義，知道其方向、大小、定義式和單位
⑵知道磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與激發(fā)磁場(chǎng)的磁體和在磁場(chǎng)中的位置有關(guān)，與通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度、電流、和所受的力無(wú)關(guān)。
2．過(guò)程與方法
⑴體驗(yàn)科學(xué)探究的一般方法（觀察、猜想、驗(yàn)證），尋找描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量---磁感應(yīng)強(qiáng)度
⑵進(jìn)一步體會(huì)通過(guò)比值定義法定義物理量的方法；
3．情感態(tài)度與價(jià)值觀
⑴通過(guò)演示性探究實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生求知欲，經(jīng)歷探究過(guò)程，體會(huì)物理學(xué)研究的科學(xué)性；
⑵通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)之美，體驗(yàn)合作的重要性。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中大量使用傳感器，體會(huì)科技進(jìn)步給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的便利，體現(xiàn)科學(xué)理論與科學(xué)技術(shù)共同發(fā)展
二、重點(diǎn)、難點(diǎn)：
教學(xué)重點(diǎn)：1. 實(shí)驗(yàn)探究電流元在磁場(chǎng)中的受到的磁場(chǎng)力的決定因素
2. 磁感應(yīng)強(qiáng)度方向和大小的定義
教學(xué)難點(diǎn)：1. 實(shí)驗(yàn)探究電流元在磁場(chǎng)中的受到的磁場(chǎng)力的決定因素
2. 理解“電流元”理想模型
三、教學(xué)用具
1．實(shí)驗(yàn)儀器：
自制《磁感應(yīng)強(qiáng)度》演示探究?jī)x1套（含：電流元探測(cè)器、力傳感器、電流傳感器、滑動(dòng)變阻器、底座、磁體、電源、數(shù)據(jù)采集器等）。
學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)安培力實(shí)驗(yàn)器Ⅱ4套（含微力傳感器、電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、滑動(dòng)變阻器、學(xué)生電源、開(kāi)關(guān)等）
自制引入實(shí)驗(yàn)儀器：磁鐵手套、磁鐵和大頭針
2．多媒體：PPT，DISLab8.0軟件、電腦。
四、教學(xué)過(guò)程
| 教學(xué)環(huán)節(jié) | 教師活動(dòng) | 學(xué)生活動(dòng) | 設(shè)計(jì)意圖 |
|---|---|---|---|
|
【一 創(chuàng) 設(shè) 情 境 導(dǎo) 入 新 課】 |
【新課引入】 通過(guò)磁鐵吸引大頭針的數(shù)量讓學(xué)生定性觀察磁場(chǎng)強(qiáng)弱引入新課。 同學(xué)們觀察實(shí)驗(yàn)，三次實(shí)驗(yàn)有什么不一樣呢？  同一磁體周?chē)煌嚯x磁場(chǎng)強(qiáng)弱不同，距離越遠(yuǎn)磁場(chǎng)越強(qiáng)。相同距離,磁性越強(qiáng)的磁體激發(fā)的磁場(chǎng)越強(qiáng)。 我們需要尋找一個(gè)物理量來(lái)描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱 |
【回答】 第一次沒(méi)有吸起來(lái)，第二次吸的大頭針少，第三次將大頭針全部吸起來(lái)了。 【引發(fā)思考】 同學(xué)們觀察實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)規(guī)律并進(jìn)行思考。 |
用簡(jiǎn)單情景設(shè)置激發(fā)學(xué)生的好奇心，符合高中生的認(rèn)知規(guī)律，確定本節(jié)課的主線：尋找描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量。 |
|
【二類(lèi) 比 猜 想】 【三 探 究 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 的 方 向】 【四 探 究 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 的 大 小】 【四 探 究 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 的 大 小】 【五 拓 展 小 結(jié) 與 練 習(xí)】 |
類(lèi)比電場(chǎng)提出猜想 【提問(wèn)】 電場(chǎng)的基本性質(zhì)是什么？ 我們通過(guò)研究檢驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中的受力，定義了一個(gè)物理量用來(lái)描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向，叫做電場(chǎng)強(qiáng)度。 【提問(wèn)】 與電場(chǎng)類(lèi)似，磁場(chǎng)的基本性質(zhì)是什么？ 【引導(dǎo)思考】 我們是否可以通過(guò)分析次磁體或通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受的力來(lái)找出表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量呢？ 【板書(shū)標(biāo)題】 磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的描述： 【引導(dǎo)思考】 與電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，我們先給描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量取個(gè)中文名 【講述】 物理學(xué)歷史上磁場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)用來(lái)表示另一個(gè)物理量，所以這里就取名為磁感應(yīng)強(qiáng)度（magnetic induction）至于磁場(chǎng)強(qiáng)度是什么，同學(xué)們課后可以自己查閱相關(guān)資料 【板書(shū)標(biāo)題】 磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的描述：磁感應(yīng)強(qiáng)度 【提問(wèn)】 為了研究磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向，我們可以先選用比較簡(jiǎn)單的檢驗(yàn)磁體：一枚可以轉(zhuǎn)動(dòng)的小磁針，把它放入磁場(chǎng)中某一點(diǎn)來(lái)觀察它的受力。大家注意，看到了什么？ 【講述】 小磁針轉(zhuǎn)動(dòng)是因?yàn)樗艿搅舜艌?chǎng)力的作用，小磁針靜止后的指向顯示出磁場(chǎng)對(duì)小磁針N極和S極作用力的方向，反映出磁場(chǎng)的方向 物理學(xué)中規(guī)定：小磁針靜止時(shí)N極所指方向?yàn)樵擖c(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 【板書(shū)】 一、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向： 小磁針靜止時(shí)N極所指的方向 【提問(wèn)】 那小磁針S極受力的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向是什么關(guān)系？ 【引導(dǎo)思考】 沒(méi)有磁單極子的存在，所以不能通過(guò)測(cè)量N極受力的大小來(lái)確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。怎么辦呢？ 我們可以用很小一段通電導(dǎo)線來(lái)檢驗(yàn)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。 【類(lèi)比檢驗(yàn)電荷概念講述】 為了反映電場(chǎng)強(qiáng)弱我們可以放入一個(gè)很小的點(diǎn)電荷成為檢驗(yàn)電荷。在物理學(xué)中，把很短一段通電導(dǎo)線中的電流I與導(dǎo)線長(zhǎng)度L的乘積叫做電流元。和檢驗(yàn)電荷一樣，電流元也是一個(gè)理想模型。 把一段可以看做電流元的通電導(dǎo)線放入磁場(chǎng)中，通電導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力會(huì)與哪些因素有關(guān)？具體是什么關(guān)系呢？下面我們用實(shí)驗(yàn)來(lái)探究 【板書(shū)】 實(shí)驗(yàn)探究1： 【引導(dǎo)學(xué)生探討實(shí)驗(yàn)原理】 要分析通電導(dǎo)線受力與電流大小和導(dǎo)線長(zhǎng)度兩個(gè)因素的關(guān)系，應(yīng)該采用什么樣的實(shí)驗(yàn)方法？ 【介紹學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)裝置】 說(shuō)明：電流元是個(gè) 理想模型，實(shí)驗(yàn)中 采用的一小段通電 導(dǎo)線可以近似看成 電流元。  【組織學(xué)生按控制變量法要求分步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】1. 保持導(dǎo)線長(zhǎng)度（匝數(shù)）不變，改變電流，分析通電導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力與電流的變化關(guān)系 2. 保持電流不變，改變導(dǎo)線長(zhǎng)度（匝數(shù)），分析通電導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力與電流的變化關(guān)系 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，要求學(xué)生斷開(kāi)電源 【引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論】 分析了很多實(shí)驗(yàn)事實(shí)后我們認(rèn)識(shí)到： 1.導(dǎo)線長(zhǎng)度不變時(shí)，通電導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力與電流的成正比。 【板書(shū)】 I不變 F ∝ I 2. 電流不變時(shí)，通電導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力與導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比 【板書(shū)】 L不變 F ∝ L 綜合起來(lái)就是磁場(chǎng)力與電流和導(dǎo)線長(zhǎng)度的乘積成正比 【板書(shū)】即 F ∝ IL 寫(xiě)成F=BIL， 其中B為比例系數(shù) 【引入演示實(shí)驗(yàn)】 在同一個(gè)磁場(chǎng)中的同一位置，磁場(chǎng)強(qiáng)弱是確定的，B值是恒定的，它與導(dǎo)線長(zhǎng)度和電流的大小都沒(méi)有關(guān)系，那么在同一磁場(chǎng)的不同位置或不同磁場(chǎng)中的同一位置，磁場(chǎng)強(qiáng)弱一般會(huì)不同，B值還是恒定的嗎？我用同樣的原理設(shè)計(jì)了一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，我們一起來(lái)探究吧 【板書(shū)】 實(shí)驗(yàn)探究2： 搬上演示實(shí)驗(yàn)儀器，切換課件頁(yè)面 【介紹演示實(shí)驗(yàn)裝置和使用方法】 【分三步進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)操作、組織學(xué)生討論：】
2.同一磁場(chǎng)不同位置：B不同 3.不同磁場(chǎng)同一位置：B不同 【提問(wèn)】 通過(guò)剛才的實(shí)驗(yàn)，大家是否找到了表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量？ 它就是---------F與IL的比值 我們稱(chēng)之為磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小 再一次運(yùn)用比值定義法，我們定義： 【板書(shū)】 二、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小單位由F、I、L的單位決定，在國(guó)際單位制中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是特斯拉（tesla），簡(jiǎn)稱(chēng)特，符號(hào)是T 【板書(shū)】 單位：1T=1N/A·m 【拓展實(shí)驗(yàn)】 在前面的實(shí)驗(yàn)中，我們的通電導(dǎo)線都是與磁場(chǎng)方向垂直的，若改變通電導(dǎo)線的方向，磁場(chǎng)力的大小會(huì)減小甚至可能變成零，大家可以一起來(lái)驗(yàn)證一下 這是怎么回事呢？  這個(gè)問(wèn)題我們留到第四節(jié)再來(lái)學(xué)習(xí)撤下演示實(shí)驗(yàn)儀器，切換課件頁(yè)面。要求學(xué)生整理好實(shí)驗(yàn)器材 特斯拉是一個(gè)比較大的單位，常見(jiàn)磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度大家可以參考一下教材第84頁(yè)的表格。 至于特斯拉何許人也，請(qǐng)大家課后自行查閱相關(guān)資料 【課堂小結(jié)】 本節(jié)課我們學(xué)到了什么？ 1.磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向可以用磁體或通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力來(lái)表示 2.描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度 3.磁感應(yīng)強(qiáng)度方向規(guī)定為小磁針N極受到的磁場(chǎng)力方向 4.在通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)： 磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小用F與IL的比值來(lái)定義 【課堂練習(xí)】 根據(jù)今天所學(xué)的內(nèi)容,我們來(lái)解決一些實(shí)際問(wèn)題 【例題】在赤道上，地球表面附近的地磁場(chǎng)可看成是沿南北方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如果赤道上有一根沿東西方向架在跨度20m的電線桿間的直導(dǎo)線，此時(shí)通有大小為30A、方向由西向東的電流。若測(cè)得地磁場(chǎng)對(duì)這根導(dǎo)線施加的磁場(chǎng)力為3×10-2N。則赤道表面地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小是多少？方向如何？ |
【回答】 電場(chǎng)的基本性質(zhì)是對(duì)放入其中的電荷產(chǎn)生電場(chǎng)力的作 【回答】 磁場(chǎng)的基本性質(zhì)是對(duì)放入其中的磁體或通電導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)力的作用 【思考】 怎樣通過(guò)分析磁體或通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力來(lái)尋找表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量 【回答】 可以叫做磁場(chǎng)強(qiáng)度？ 【觀察實(shí)驗(yàn)，回答】 小磁針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后靜止了 【回答】 相反 【思考討論】 磁場(chǎng)除了對(duì)磁體有作用力之外，還對(duì)通電導(dǎo)線有力的作用 【回答】 控制變量法 【觀察與思考】 觀察實(shí)驗(yàn)儀器，并思考如何進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)。 【實(shí)驗(yàn)操作、 設(shè)計(jì)表格、 記錄數(shù)據(jù)】 【總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論】 1. 導(dǎo)線長(zhǎng)度不變時(shí)，通電導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力與電流的成正比。 2. 電流不變時(shí)，通電導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力與導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比 【引發(fā)學(xué)生思考】 磁場(chǎng)強(qiáng)弱與B值有什么聯(lián)系？ 【觀察與思考】 觀察演示實(shí)驗(yàn)儀器并思考應(yīng)該分幾步進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn) 【觀察、思考與討論】 觀察演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程，討論磁場(chǎng)強(qiáng)弱與B值得對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)思考F與IL的比值的物理意義 【回答】 找到了，就是F與IL的比值 【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】 轉(zhuǎn)動(dòng)通電導(dǎo)線，觀察通電導(dǎo)線受力變化 查看常見(jiàn)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度表，體會(huì)特斯拉單位大小 【討論與總結(jié)】 【學(xué)生練習(xí)】 學(xué)生分組計(jì)算例題，若時(shí)間允許，選部分學(xué)生上臺(tái)展示。 |
引導(dǎo)學(xué)生采用類(lèi)比法進(jìn)行問(wèn)題思考，提高學(xué)生知識(shí)遷移能力和類(lèi)比分析能力。 確定描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量的名稱(chēng)，引導(dǎo)學(xué)生了解物理學(xué)史。 在演示實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致的觀察能力 說(shuō)明研究磁場(chǎng)方向時(shí)以小磁針為對(duì)象比較方便；研究磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)以電流元為對(duì)象比較方便 體現(xiàn)控制變量法要求 訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、合作探究、數(shù)據(jù)分析的能力 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生實(shí)實(shí)仔在在的看到：磁場(chǎng)強(qiáng)弱相同時(shí)F與IL的比值就相同；磁場(chǎng)強(qiáng)弱不同時(shí)F與IL的比值就不同。所以，用F與IL的比值來(lái)表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱是理所當(dāng)然。 拓展到通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)不垂直時(shí)的情況，為第四節(jié)的學(xué)習(xí)打下伏筆，激發(fā)學(xué)生探究熱情。 引導(dǎo)學(xué)生了解實(shí)際生活中常見(jiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱，了解相關(guān)物理學(xué)史 加深學(xué)生理解，練習(xí)運(yùn)用相關(guān)原理解決實(shí)際問(wèn)題 |
