磁场对载流导线的作用

磁场对载流导线的作用

刘利娜

“磁场对载流导线的作用”教学过程设计

一、创设情境、导入新课 —— 物理学家安培的有趣故事

安培定律是由安培总结出来的，我们来了解一下物理学家安培，安德烈·玛丽·安培（André-Marie Ampère，1775-1836），里昂人，法国物理学家、化学家和数学家。安培最主要的成就是1820-1827年对电磁作用的研究，他被麦克斯韦誉为“电学中的牛顿”。他在数学和化学方面也有不少贡献。他曾研究过概率论和积分偏微分方程；他几乎与H戴维同时认识元素氯和碘，导出过阿伏伽德罗定律，论证过恒温下体积和压强之间的关系，还试图寻找各种元素的分类和排列顺序关系。关于安培，有几个有趣的故事，我们一起来了解一下，第一个故事是“怀表变卵石”。安培思考科学问题专心致志，据说有一次，安培正慢慢地向他任教的学校走去，边走边思索着一个电学问题。经过塞纳河的时候，他随手拣起一块鹅卵石装进口袋。过一会儿，又从口袋里掏出来扔到河里。到学校后，他走进教室，习惯地掏怀表看时间，拿出来的却是一块鹅卵石。原来，怀表已被扔进了塞纳河。第二个故事是“安培先生不在家”。在实验中，安培一连十几天闭门不出，埋头工作。为防止客人来访，打扰了他的研究，特意在自己家的门上贴了张字条“安培先生不在家”。这样，来找他的人看到字条便返回了。一天，安培自己外出办事回来，边走边思考，看到了门上的那张字条，便自言自语地说：“啊，原来安培先生不在家！”便转身走了。第三个故事为“会跑的黑板”。还有一次，安培在街上行走，走着走着，想出了一个电学问题的算式，正为没有地方运算而发愁。突然，他见到面前有一块“黑板”，就拿出随身携带的粉笔，在上面运算起来。那“黑板”原来是一辆马车的车厢背面。马车走动了，他也跟着走，边走边写；马车越来越快，他就跑了起来，一心一意要完成他的推导，直到他实在追不上马车了才停下脚步。安培这个失常的行动，使街上的人笑得前仰后合。这些小故事说明安培先生工作时是多么的投入呀。专心致志往往是科学家成功的秘诀。我们要学习安培这种全神贯注、忘我工作的科学精神。

【教学策略】创设情境导入新课时，引入物理学家安培“怀表变卵石”、“安培先生不在家”、“会跑的黑板”等有趣故事，让学生体会这种全神贯注、忘我工作的科学精神。

二、理论推导、探究新知 —— 磁场对载流导线的作用

1.安培定律

磁场对载流导线的作用力称安培力。

电流元的安培力       

写成矢量式为         

载流导线的安培力      ==                   

提到安培力的应用，我们首先想到的是磁悬浮技术，中国高铁技术水平世界领先，那么磁悬浮技术水平如何？

看完西南交通大学高温超导磁悬浮列车的视频，体会到我国也拥有世界领先的高温超导磁悬浮技术，在真空管道理想状态下，这项技术上的创新，可将列车理论时速提高到一千公里以上的更高速度。该技术一经公布，就引起了世界最大的电子电气工程师协会——美国IEEE协会的关注，他们用两个整版的文字报道了中国人的这项科研成果，英国BBC、美国CNN、欧洲公共电视台等媒体，纷纷赶赴西南交通大学展开实地调查报道。这一项科学技术的诞生，在世界众多科学家的眼里，中国人这次干出了几乎是一件革命性的技术创造。

2.均匀磁场对载流线圈的作用

线圈磁矩的方向与磁场的方向成j角(线圈平面与磁场的方向成q角)时，

导线bc受力   =    导线da受力   ==

导线ab受力    =       导线cd受力    =

和， 和方向相反, 线圈在均匀磁场中受合力为零。

=+++=0

但和不在同一直线上，因此，载流线圈所受的磁力矩为

===

如果线圈有N匝     ==

=

讨论：平面载流刚性线圈在均匀磁场中，只发生转动，不会发生整个线圈的平动

(1)当=，与垂直，M_max=NBIS，磁力矩使有减少趋势；

(2)当=0， 与同向，M=0，线圈处于稳定平衡状态；

(3)当=π，与反向，M=0，线圈处于非稳定平衡状态。

电机在我们日常生活中随处可见，如实验室的搅拌器、家里厨房的绞肉机、料理机等，同学们知道电机的工作原理吗？电动机（Motor）是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。所以同学们一定要把所学的物理知识和实际生活联系起来，养成理论联系实际的良好习惯。

3. 磁力的功

（1）载流导线在磁场中运动时磁力所做的功

设均匀磁场中，有一载流的闭合回路abcda，ab长为l，可滑动，则磁力做的功为

载流导线电流保持不变，磁力所做的功等于电流强度乘以磁通量的增量．

（2）载流线圈在磁场中转动时磁力矩所做的功

匀强磁场中, M作正功，使j减少

dW===

==

磁力矩所做的总功为  W=

当电流不变时       W=

【教学策略】引入我国在磁悬浮方面的贡献，激发学生的学习兴趣，培养学生的爱国主义精神；介绍电机的原理及应用，引入生活中的实例，培养学生理论联系实际的良好习惯。

三、应用举例——安培力对直导线的作用和对线圈的作用

例1 载有电流I₁的长直导线旁边有一与长直导线垂直的共面导线，载有电流I₂，其长度为L，近端与长直导线的距离为d，如图所示，求I₁作用在L上的力。

解：在L上取dL，它与长直导线距离为r，电流I₁在此处产生的磁场方向垂直向内、大小为

例2 载有电流I的半圆形闭合线圈，半径为R，放在均匀的外磁场B中，B的方向与线圈平面平行。(1)求此时线圈所受的力矩大小和方向；(2)求在这力矩作用下，当线圈平面转到与磁场B垂直的位置时，磁力矩所做的功。

解：(1)线圈的磁矩：

在图示位置时，线圈磁矩P_m的方向与B垂直，

线圈所受磁力矩大小为：

磁力矩M的方向由P_m×B确定，垂直于B的方向向上。

(2)计算磁力矩做功：

【教学策略】讲练结合，检验学生对物理知识的掌握程度，提高学生观察、分析、归纳、总结等逻辑思维能力，提升学生运用物理知识分析和解决实际问题的综合素养.

四、内容小结、拓展提升

内容小结（1）安培定律：==；

（2）均匀磁场对载流线圈的作用：=；

（3）磁力的功：W=。 

思考提升（学习通发布任务）：请同学们课后查阅文献和网络资源进一步了解安培定理的应用。

拓展阅读（安培的故事）：安培从小就博览群书，这些书不但让他体会到生命崇高的一面，更激发起他对自然科学、数学和哲学的兴趣。安培在学习和研究问题时，思想高度集中专心致志，简直达到了那种忘我的痴迷程度。

【教学策略】①“内容小结”巩固所学知识，培养学生归纳概括能力；②“拓展阅读”引导学生查阅资料，了解物理学家安培的故事，让学生学习安培那种工作时忘我的痴迷程度。

五、教学总结

本节的教学内容磁场对载流导线的作用，其教学重点是安培定律，会利用安培定律求载流导线所受的安培力和载流线圈所受的力矩。

在教学中，在授课时，将物理知识与现代科技前沿以及日常生活相联系，激发学生的学习兴趣，提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，培养学生应用物理的意识，达到“学以致用、用以促学”的目的.教学过程中引入安培的故事，培养学生学习、工作时全神贯注、忘我工作的科学精神。