唐光善

一、教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本節(jié)是規(guī)律探究課，在教學(xué)方法上，采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法，即以學(xué)生為中心，以任務(wù)為載體，把教學(xué)內(nèi)容巧妙地隱含在一個(gè)個(gè)具體任務(wù)之中，學(xué)生通過獨(dú)立或協(xié)作完成任務(wù)，學(xué)習(xí)新知識(shí)和新技能.主要特色為：

（1）本文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)探究安培力的方向與磁場、電流的方向關(guān)系；理論探究安培力大小的表達(dá)式；揭秘電磁軌道炮和了解磁電式電表的工作原理等學(xué)習(xí)任務(wù)，使學(xué)生在任務(wù)解決中學(xué)習(xí)到新知識(shí)和新技能.

（2）設(shè)計(jì)了分組實(shí)驗(yàn)：觀察通電鋁箔在磁場中的受力情況，用不同顏色的塑料棒分別代表安培力、磁場和電流的方向，用橡皮泥固定塑料棒，得出這三個(gè)方向的立體關(guān)系，學(xué)生體驗(yàn)到空間關(guān)系構(gòu)建方法.

二、教材及前情簡析

本節(jié)教材系人教版物理選修3-1第三章第4節(jié)的內(nèi)容，磁場對(duì)電流的作用——安培力，在教材中起著承上啟下的作用，因?yàn)樗粌H是與上節(jié)知識(shí)（磁場性質(zhì)）的聯(lián)系點(diǎn)，而且是學(xué)習(xí)電流表工作原理和推導(dǎo)洛倫茲力公式的基礎(chǔ).安培力方向與電流、磁場方向的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究是采用控制變量法探究物理基本規(guī)律的一節(jié)課，涵蓋了科學(xué)探究的基本因素，有助于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科的核心素養(yǎng).

學(xué)生在學(xué)習(xí)本章節(jié)之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了磁場，知道了磁體和電流周圍磁場的性質(zhì)及特點(diǎn)，了解到磁體間的相互作用、電流周圍存在著磁場以及電與磁之間有聯(lián)系.另外，學(xué)生通過高一物理“必修”課程的學(xué)習(xí)，經(jīng)歷了牛頓第二定律等實(shí)驗(yàn)探究過程，已經(jīng)掌握了變量控制實(shí)驗(yàn)探究的一些科學(xué)研究方法，為本節(jié)的探究性學(xué)習(xí)做了鋪墊.鑒于大部分學(xué)生基本功扎實(shí)、已有知識(shí)掌握熟練到位，本節(jié)課可以在教師引導(dǎo)下采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法完成教學(xué)內(nèi)容.

三、教學(xué)目標(biāo)

1.知識(shí)與技能

（1） 知道安培力，會(huì)計(jì)算安培力的大小

（2） 知道安培力的方向與電流、磁場方向都垂直，會(huì)用左手定則判斷安培力的方向；

（3） 知道磁電式電表的基本構(gòu)造以及運(yùn)用它測量電流大小和方向的基本原理.

2.過程與方法

（1） 經(jīng)歷推導(dǎo)磁場中安培力的表達(dá)式，感受邏輯的力量；

（2） 通過學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷探究磁場對(duì)電流的作用力的方向和電流方向、磁場方向的關(guān)系這一過程，體驗(yàn)控制變量探究物理規(guī)律的方法.

3.情感、態(tài)度與價(jià)值觀

（1）了解安培力在生產(chǎn)、生活中的作用，培養(yǎng)學(xué)生將科學(xué)技術(shù)服務(wù)于人類社會(huì)的意識(shí)；

（2） 經(jīng)歷磁場對(duì)電流的作用力的方向和電流方向、磁場方向的關(guān)系這一過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)和正確的科學(xué)態(tài)度以及責(zé)任心.

四、教學(xué)準(zhǔn)備

演示器材：安培力演示儀（如圖1）、兩平行的通電直導(dǎo)線安培力演示儀（如圖5）.

分組實(shí)驗(yàn)器材：會(huì)動(dòng)的鋁箔“天橋”（包括：鋁箔紙、1號(hào)電池組、蹄型磁鐵、導(dǎo)線若干，如圖3）、橡皮泥、彩色塑料桿（三色）

五、教學(xué)過程

【活動(dòng)一】創(chuàng)設(shè)情境，提出本節(jié)課的核心任務(wù)

（1）創(chuàng)設(shè)情景 （視頻展示）央視國際頻道的一則電磁軌道炮的新聞.

（2）提出課題電磁軌道炮，是一種新式武器，既安全精準(zhǔn)又威力巨大，各國正在爭相研發(fā)，它與常規(guī)炮彈靠化學(xué)劑的推動(dòng)不同，電磁軌道炮利用的是一種新型的推進(jìn)方式，它的原理是怎樣的呢？這節(jié)課，我們就來揭秘“電磁軌道炮”.

設(shè)計(jì)意圖：以尖端科技（電磁軌道炮）引入新課，學(xué)生感覺很新奇，可以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，將學(xué)生的注意力集中到課堂.

【活動(dòng)二】感受小型“電磁軌道炮”，經(jīng)歷理性分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過程

（1）介紹實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，這也是一個(gè)小型的電磁軌道炮.它是由豎直向下的勻強(qiáng)磁場，金屬軌道和炮彈（金屬棒）組成.

（2）實(shí)驗(yàn)演示將導(dǎo)體棒放在磁場中，接通電源，導(dǎo)體棒就通上電，同學(xué)們觀察到：電磁軌道炮被發(fā)射出去了.

（3）解釋現(xiàn)象提問：通電導(dǎo)體棒為什么會(huì)被發(fā)射出去？說明什么？ （生答：通電導(dǎo)體棒受到力）

追問1：這個(gè)力的施力物體是誰？（生答：施力物是磁場）

追問2：磁場會(huì)對(duì)電流有作用嗎？（引導(dǎo)學(xué)生回顧之前的實(shí)驗(yàn)，并在屏幕上顯示圖2）

追問3：這個(gè)力是磁場對(duì)電流的力，還是對(duì)金屬棒的力？（學(xué)生有的猜測是磁場對(duì)電流的力，有的猜測是磁場對(duì)金屬棒的力）

（4）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證①撤去磁場，其它不變，發(fā)現(xiàn)金屬棒不動(dòng).說明金屬棒受到的力的施力物體確實(shí)是磁場；②切開電源，其它不變，發(fā)現(xiàn)金屬棒不動(dòng).說明這個(gè)力是磁場對(duì)通電導(dǎo)線（電流）的力.

（5）提出概念為了紀(jì)念法國物理學(xué)家安培在電磁學(xué)中做出的卓越貢獻(xiàn)，我們把磁場對(duì)通電導(dǎo)線（電流）的力叫做安培力.

（6）提出探究分任務(wù)一從剛才的實(shí)驗(yàn)中我們看到，安培力就是電磁炮發(fā)射的動(dòng)力，為了有效的發(fā)射電磁軌道炮我們必須知道這個(gè)力的方向是怎樣的，受哪些因素影響，下面我們通過實(shí)驗(yàn)來探究.

設(shè)計(jì)意圖：通過演示實(shí)驗(yàn)，模擬電磁軌道炮的發(fā)射過程，學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，為本課題學(xué)習(xí)提供必要的感性材料.

【活動(dòng)三】 實(shí)驗(yàn)探究安培力的方向與磁場方向和電流方向的關(guān)系

（1）演示實(shí)驗(yàn)改變電流的方向，觀察到通電導(dǎo)體棒向另一方向運(yùn)動(dòng)，說明什么？（生答：安培力的方向發(fā)生了變化）如果電流方向不變改變磁場的方向，觀察到導(dǎo)體棒將向另一方向運(yùn)動(dòng)，說明安培力的方向發(fā)生了變化.

（2） 提出猜測通過剛才的演示，你認(rèn)為安培力的方向跟哪些因素有關(guān)呢？（生答：安培力方向與磁場、電流方向有關(guān)系）

接下來我們通過分組實(shí)驗(yàn)來探究安培力方向與磁場、電流方向之間有怎樣的關(guān)系.

（3）設(shè)計(jì)方案 提問：要研究磁場方向、電流方向?qū)Π才嗔Ψ较虻挠绊?，可以分為幾大步？（生答：采用控制變量法，分兩大步：第一步是保持電流方向不變，探究安培力與磁場的方向關(guān)系；第二步是保持磁場方向不變，探究安培力與電流方向的關(guān)系）

（4）實(shí)驗(yàn)器材介紹如圖3，會(huì)動(dòng)的鋁箔“天橋”.（將一張平整的鋁箔紙，折成“天橋”的形狀，注意離紙面不要太高.讓磁鐵橫跨“天橋”.鋁箔橋的一端與電源的一極連接，電源另一極與鋁箔橋另一端觸碰，觀察鋁箔的運(yùn)動(dòng)（鋁箔會(huì)向上或向下運(yùn)動(dòng)），即可獲知安培力的方向.

為了便于同學(xué)們記錄三者的方向關(guān)系，為每個(gè)小組準(zhǔn)備了紅、黃、綠三色的塑料桿和一小塊橡皮泥，統(tǒng)一用紅色桿代表安培力方向，統(tǒng)一用黃色桿代表磁場的方向，統(tǒng)一用綠色桿代表電流方向.

（5）學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)學(xué)生按照設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并用橡皮泥記錄下三者的方向關(guān)系.

（6）交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果各小組展示自己的記錄結(jié)果（各組做出的結(jié)果都一樣），如圖4所示，安培力的方向與另兩個(gè)量的方向均垂直.

（7）歸納、總結(jié)問1：改變電流方向，安培力方向會(huì)變化，改變磁場方向，電流方向也會(huì)變化，是不是要做出很多個(gè)“雕塑”，為什么？（生答：不需要，不管是哪種情況，三個(gè)量之間的空間位置一樣）

問2：請(qǐng)一位同學(xué)給大家演示一下？（同學(xué)展示他們的“雕塑”）

問3：確實(shí)，雖然電流方向、磁場方向會(huì)影響安培力的方向，但這三個(gè)量方向的相對(duì)位置不變，三個(gè)量的方向關(guān)系是相對(duì)固定的，可以統(tǒng)一用圖4來表示.以后判斷安培力方向時(shí)，只要拿出雕塑比劃一下就可以，是不是？（生答：是的）

問4：每天帶著這個(gè)雕塑方便嗎？（生答：不方便）

問5：有沒有更簡潔的方法表達(dá)這個(gè)關(guān)系呢？最好是什么都不帶就能把它們的關(guān)系表述清楚？（學(xué)生陷入思考中）

（引導(dǎo)）問6：前面我們學(xué)過右手螺旋定則，來表達(dá)電流方向和磁場的關(guān)系，這個(gè)方法很簡潔的，我們能不能也類似的用手來表達(dá)這種關(guān)系呢？

（8）提煉規(guī)律（學(xué)生興奮地用左手在磁場中不斷嘗試）得到左手定則（內(nèi)容略）.

（9）應(yīng)用規(guī)律①判斷以下幾種情況的安培力方向（教師請(qǐng)同學(xué)拿出左手判斷）

②兩條平行的通電直導(dǎo)線之間會(huì)通過磁場發(fā)生相互作用.在什么情況下兩條導(dǎo)線相互吸引，什么情況下相互排斥？

（引導(dǎo)學(xué)生先理論分析，得到同向電流相互吸引，反向電流相互排斥.再用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示）

（10）提出探究分任務(wù)二有了左手定則，我們可以準(zhǔn)確的設(shè)定電磁炮的發(fā)射方向了，我們還需要進(jìn)一步研究怎樣讓電磁炮具有更強(qiáng)的殺傷力，這與它的動(dòng)力系統(tǒng)有著密不可分的聯(lián)系.制約安培力大小的因素有哪些呢？下面我們進(jìn)一步探究.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究，經(jīng)歷規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程，嘗試用“左手”歸納判斷安培力方向的方法，可以讓學(xué)生最大程度的參與課堂；②借助小工具立體展現(xiàn)三個(gè)量的方向關(guān)系，體驗(yàn)空間關(guān)系構(gòu)建方法.

【活動(dòng)四】理論探究安培力大小的表達(dá)式

（1）回顧B的定義提問：磁感應(yīng)強(qiáng)度是怎樣定義的？（生答：B=FIL）

問2：對(duì)導(dǎo)線的放置有什么要求？（生答：要求導(dǎo)線垂直磁場放置）

問3：如果導(dǎo)線平行磁場放置，安培力是多大？（生答：零）

問4：如果導(dǎo)線與磁場既不平行也不垂直，安培力是多大？（介于零和垂直放置之間）

下面，請(qǐng)同學(xué)們推導(dǎo)安培力的表達(dá)式.

（2）理論推導(dǎo)特殊情況問1：如圖6（a），當(dāng)通電導(dǎo)線垂直磁場放置時(shí)，安培力大小？

問2：當(dāng)通電導(dǎo)線平行磁場放置時(shí)，安培力大??？（這兩種情況，學(xué)生一般沒有問題）

（3） 理論推導(dǎo)一般情況如圖6（b），如果磁場與電流成θ角時(shí)，安培力表達(dá)式怎樣？請(qǐng)各小組先討論，并給出結(jié)論？

（學(xué)生討論后給出兩種方法，一種是分解B，另一種分解L，得到相同的結(jié)果F=BILsinθ，并認(rèn)識(shí)到垂直和平行是兩種特殊情況.）

設(shè)計(jì)說明：在定義磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，學(xué)生經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)探究的過程，所以此處只進(jìn)行理論探究，推導(dǎo)出安培力大小的表達(dá)式.

【活動(dòng)五】揭秘電磁軌道炮

（1）設(shè)置情景電磁軌道炮原理如圖7所示，整個(gè)裝置可以把質(zhì)量為20 g彈體（包括金屬桿的質(zhì)量）發(fā)射出去.若軌道寬2m，金屬桿上電流為10 A，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T，經(jīng)過t=2 s的加速，問彈體獲得速度是多大？

（2）學(xué)生獨(dú)立解答a=Fm=BILm=1000 m/s2v=at=2000 m/s，

（3）思考討論如果要提高電磁炮的發(fā)射速度，你認(rèn)為可以怎么辦？

（學(xué)生討論后得到三種方式：①增大電流、 ②增強(qiáng)磁場、 ③減輕質(zhì)量.）

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生經(jīng)歷安培力方向的探究、安培力大小的探究、解決電磁軌道炮的問題，學(xué)生意識(shí)到看似神秘的電磁炮，其實(shí)它的原理并不深?yuàn)W！

【活動(dòng)六】規(guī)律應(yīng)用，探究磁電式電表的工作原理

（1）觀察磁電式電表如圖8，讓學(xué)生觀察磁鐵、鋁框、線圈、螺旋彈簧、極靴、指針、鐵質(zhì)圓柱等構(gòu)件，了解它們之中哪些是固定的，哪些是可以動(dòng)的.

（2）分組討論（屏幕上顯示如下問題）

問1：表中磁場分布有何特點(diǎn)呢？

問2：線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)是怎樣產(chǎn)生的？

問3：線圈為什么不能一直轉(zhuǎn)動(dòng)下去？

問4：為什么指針偏轉(zhuǎn)角度的大小可以說明被測電流的強(qiáng)弱？

問5：如何根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)的方向來確定電路上電流的強(qiáng)弱？

問6：使用時(shí)要注意什么？

（3）交流結(jié)果（組織學(xué)生回答以上問題，定性了解磁電式電表的工作原理）

（4）課外探究請(qǐng)大家課外探究：為什么磁電式電表的表針刻度是均勻的？（針對(duì)有能力的學(xué)生，讓他們?nèi)ミM(jìn)行一步思考、研究）

（5）聯(lián)系生活觀看視頻：安培力在生活中的應(yīng)用.

設(shè)計(jì)意圖：先讓學(xué)生觀察磁電式電表的結(jié)構(gòu)，再分組討論、自學(xué)其工作原理，最后讓學(xué)有余力的同學(xué)進(jìn)一步探究磁電式電表的表針刻度是均勻的，這樣的設(shè)計(jì)能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用.