資源簡介

《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系的理解，又突破對安培力、磁場、電流方向間關系的認知誤區(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探究安培力與電流大小的關系
控制大小, L大小, θ大小一定，改變線圈中電流I大小
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系
次數(shù) 導線長度/cm 角度θ/° 磁場電流/A 線圈電流I/A 安培力/9.8×N
1
2
3
4
5
6
7
結論：通電導線受到安培力與電流大小成正比。
②探究安培力與磁感應強度大小的關系
控制I大小, L大小, θ大小一定，改變磁場中大小，利用記錄單中的表2和方格紙，觀察，記錄，擬合數(shù)據(jù)，分析擬合圖線。
表2 探究安培力與磁感應強度大小的關系
次數(shù) 導線長度/cm 角度θ/° 磁場電流/A 線圈電流I/A 安培力/9.8×N
1
2
3
4
5
6
7
結論：通電導線受到安培力大小與磁感應強度大小成正比。
③探究安培力與導線長度的關系
控制大小,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)，分析擬合圖線。
表3 探究安培力與導線長度大小的關系
次數(shù) 導線長度/cm 角度θ/° 磁場電流/A 線圈電流I/A 安培力/9.8×N
1
2
3
4
5
6
7
結論：通電導線受到安培力大小與長度大小成正比。
④探究安培力與磁場及導線方向夾角θ的關系
控制大小,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，觀察，記錄，擬合數(shù)據(jù)。分析擬合圖線。
表4 探究安培力與磁場及導線方向夾角θ的關系
次數(shù) 導線長度/cm 角度θ/° 磁場電流/A 線圈電流I/A 安培力/9.8×N
1 0 0.00
2 30 0.50
3 60 0.87
4 90 1.00
5 120 0.87
6 150 0.50
7 180 0.00
8 210 -0.50
9 240 -0.87
10 270 -1.00
11 300 -0.87
12 330 -0.50
13 360 0.00
結論：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，夾角正弦值間的關系圖，均得到正比例圖線，說明安培力與所探究物理量均為正比關系，即符合理論推導得出的表達式。
五、實驗效果評價：
1. 自主設計制作的——安培力定量探究演示儀，變量測量全面，取材方便，測量精度高，數(shù)據(jù)準確，操作方便，設計新穎，誤差小。使課堂上定量探究安培力大小成為可能。
2.實驗探究過程中通過創(chuàng)設問題情境，引導學生全方位的參與到深度學習中，很好的訓練了學生的批判性思維能力和創(chuàng)新能力。同時取材方便，現(xiàn)象直觀，設計精巧，突破認知誤區(qū)和教學難點。

展開更多......

收起↑