资源简介

主题五 电与磁及其应用
第三节 磁场 磁感应强度 教学设计案例
课程内容 第三节 磁场 磁感应强度
课程类型 启发讲授课 课时 2 学时
教材内容分析 本节主要让学生了解古今中外科学家对磁现象的研究过程，了解我国古代科学家在磁学方面取得的伟大成就。了解磁场，知道磁场是一种特殊形态的物质。知道磁感线是一种物理模型，能用磁感线描述常见的磁场。知道磁感应强度的定义方法和物理意义。知道匀强磁场也是一种理想化的物理模型。了解磁通量的定义方法和物理意义，能进行简单的计算。通过实验，知道电流的周围存在磁场；能用安培定则（右手螺旋定则）判断通电直导线和通电线圈周围的磁场方向。
学情分析 学生在初中时已经了解了基本的磁现象，知道了“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”的基本性质，建构了磁场的概念，初步了解了用磁感线描述磁场的方法、电流的磁效应、安培定则等。因此，在中职物理教学中，就应在此基础上，让学生更深入地了解磁场的性质，了解相关研究磁场的方法，了解我国古代和现代在磁学方面的研究与应用等。
教学目标 1．建构磁场、安培力、磁感应强度、磁通量等概念，巩固和形成磁场也是特殊形态的物质、磁场可以用磁感线来描绘、磁场也有强弱的不同、电流能够产生磁场等物理观念，并了解其在生产、生活中的应用。
2．了解建构磁感线、匀强磁场等物理模型的方法和磁感应强度、磁通量的定义方法。了解通过实验得出右手螺旋定则的归纳方法、用分子电流假说解释各种磁现象的假设推理方法。
3．通过观察实验、总结规律，提高实验观察的核心素养。通过制作电磁起重机等实践活动提高操作技能，发展技术运用、探究设计等核心素养。
4．了解我国古代在磁学方面的研究与应用，提高科技传承的核心素养。了解我国现代在强磁场研究、磁悬浮列车等方面取得的伟大成就，增强民族自豪感和家国情怀。
教学重点 让学生建构磁感应强度、磁通量等概念，建构匀强磁场模型，更全面了解安培定则。
教学难点 建构磁感应强度的概念，利用安培定则判断电流周围磁场的方向。
教学策略 让学生通过自主学习与合作学习了解新知识，形成新观念，提高实验观察能力，受到科学方法熏陶。
主要教法 启发式讲授、演示实验、组织合作学习
主要学法 自主学习、观察实验、思考讨论、合作学习
教学资源 多媒体课件展示系统、普通玻璃板（30 cm×30 cm以上）1块、条形磁铁1个、U形磁铁1个、细铁屑1瓶、白纸1张、铁架台1个（附大试管夹1个、带衬试管夹1个、十字夹2个）、学生电源1台、长约30 cm铜导体棒1根、滑动变阻器（5 Ω 3 A）1个、开关1个、导线若干、带底座的小磁针5个、薄木板1个（20 cm×20 cm）、用粗导线制成的直径约10 cm的单匝圆形线圈、用粗导线绕制的直径约10 cm、长约20 cm的10匝左右的螺线管等。
课堂实施
教学 环节 教学内容 教师活动 学生活动 设计意图
课前 准备 1.磁场是什么？ 2.建构磁感线物理模型的实验依据是什么？ 3.什么是磁感线？ 4.磁感线的特点是什么？ 5.我国古代有哪些磁学方面的重大发现和发明？ 6.什么是安培力？什么是磁感应强度？ 7.什么是匀强磁场？ 8.什么是磁通量？ 9.谁最早发现了电流的磁效应？ 10.如何判断电流周围的磁场方向？ 11.什么是假说法？ 1. 安排学生进行预习（阅读教材、观看老师提供的微课视频）。 2. 就学生提出的问题进行有针对性地备课，准备在课堂上学生讨论时给予指导。 对教材和教学视频进行学习和思考，并与同学讨论其中发现的问题，将疑问反馈给老师。 让学生通过课前自主学习，发现自己不理解的问题，准备到课堂上与同学讨论，与老师交流，解决疑问。
课堂 实施 新课引入 创设情境： 在钢铁产品生产车间或废钢铁回收部门，经常可以见到这样一种机器，它运行到钢铁制品上方，不用捆扎，也不用挂钩，直接就可以将数吨的钢铁制品提起运走，运到目的地后，又可以轻松地放下，十分快捷方便。 展示图片、提问： 这种机器为什么有如此高强的本领呢？ 观看、思考 激发学生学习动力，明确学习目标
新课教学 我们在初中已经学过，磁体总有两个磁极：北（N）极和南（S）极。磁极之间会产生相互作用：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。跟电荷周围存在电场相似，磁体周围也存在一种看不见、摸不着，但可测量的特殊形态的物质，称为磁场。磁极之间的相互作用是通过磁场发生的。 展示图片、讲述 倾听 让学生巩固有关磁场的概念及性质，与初中知识衔接。
演示实验：观察磁体周围的模拟磁场 将一块玻璃板水平地放在条形磁铁或U形磁铁上，在板面上均匀地撒一些细铁屑，然后轻敲玻璃板，细铁屑会由于震动而移动，最终呈现出一定的形状。 进行演示实验是，提问： 本实验为什么要用细铁屑？使用细木屑行不行？ 观看实验、合作学习、回答： 细铁屑能被磁化，而细木屑不行。 帮助学生增加对磁场的感性认识，为建构磁感线打基础。
把一些可以自由转动的小磁针放在条形磁铁的周围，在磁场力的作用下，小磁针将发生偏转，静止时，小磁针的指向如图所示。 磁铁周围不同位置的小磁针，N极所指的方向是不同的。物理学中规定，在磁场中的任何一点，可以自由转动的小磁针静止时N极所指的方向，就是该点的磁场方向。 展示图片、讲解 观看、倾听、理解、记忆 对磁场的性质进一步地讲解，让学生了解磁场的方向。
为了形象直观地描述磁体周围的磁场，法拉第提出了与电场线类似的方法，即用磁感线来描述磁场。 在磁场中画出一系列带箭头的曲线，使曲线上每一点的切线方向都和该点的磁场方向相同，如图所示，这些曲线就称为磁感线。 磁感线的特点：磁铁外部的磁感线都是从N极发出，进入到S极，在空间不相交。 展示图片、讲述 倾听 帮助学生建构磁感线物理模型，了解基本特点。
我国早在公元前3世纪的战国时代就已认识到磁石的指极性。《韩非子》中提到“先王立司南以端朝夕”。公元1世纪初东汉王充在《论衡》中记载：“司南之杓，投之于地，其柢指南。”这些文献表明司南是最早的指南针。 公元1044年的北宋时期，我国已发明了人工磁化方法，并造出了可以浮在水面上自由转动的指南鱼。我国著名科学家沈括在《梦溪笔谈》中描述了制作指南工具的四种基本方法：水浮、置指爪、置碗唇、缕悬，其中以缕悬法的指向效果最好。沈括在研究指南工具过程中还发现了地磁偏角，他指出：磁针“常微偏东，不全南也”。这是磁学史上一个极其重要的发现，领先欧洲约400年。 讲述我国古代磁学方面的科学成就。 倾听 增强学生的民族自豪感和家国情怀。
磁场的强弱如何描述呢？法国物理学家安培最早发现，磁场对电流有力的作用。为了纪念他，人们把磁场对电流的作用力称为安培力。 人们通过大量实验发现：在磁场中的某一点，当一小段通电导线跟磁场垂直时（如图所示），安培力F跟电流I和通电导线的长度l的乘积成正比，而比值恒定不变。在磁场中的不同点，这个比值一般不同。这表明，比值是一个与磁场中的位置有关的物理量，它反映了磁场的一种力的性质。 在物理学中，把磁场中垂直于磁场方向的通电导线所受的安培力F与电流I和导线长度l乘积的比值，称为通电导线所在处的磁感应强度。如果用B表示磁感应强度，那么 磁感应强度的国际单位制单位是T（特）。 展示图片，讲解磁感应强度概念及科学方法等。 观看、倾听、理解、记忆 帮助学生建构磁感应强度的概念。
磁感应强度B的大小反映了磁场的强弱程度。现今生活中常见的磁性最强的永久磁铁是钕铁硼磁铁，主要应用在电机和变压器的铁芯中，其磁极附近磁感应强度可达1.38 T。医院使用的核磁共振仪中，磁感应强度可达3 T。2017年2月13日，中国科学院合肥物质科学研究院的混合磁体实现了40 T的世界第二高的稳态磁场，标志着我国跻身世界强磁场研究强国的行列。地面附近地磁场的磁感应强度大约只有5×10－5 T。人的心脏工作时产生的磁场约为5×10－10 T，人脑神经活动产生的磁场更微弱。 讲述 倾听 让学生了解磁感应强度概念在生产生活中的应用。
【应用与拓展】 地磁探矿 出现地磁异常的区域，地下一定蕴藏着丰富的磁铁矿。我们可以根据地磁异常现象来探测磁铁矿区。 组织学生自主学习、巡视、指导、答疑 自主学习、阅读、质疑 让学生了解磁感应强度概念在生产中的实际应用。
同电场线类似，从磁感线的疏密也可以看出磁感应强度的相对大小。磁感应强度大的地方，磁感线就密集；磁感应强度小的地方，磁感线就稀疏。如果在磁场的某一区域内，各点的磁感应强度的大小和方向都相同，那么我们就把这个区域内的磁场称为匀强磁场。显然，匀强磁场的磁感线是一些疏密均匀、互相平行的直线，如图所示。 匀强磁场也是一种物理模型，在现实生活中是不存在的。距离很近的两个异名磁极之间的磁场，除边缘部分外，可近似认为是匀强磁场。匀强磁场在生产与科研中有着广泛及重要的应用。 展示图片，讲解 观看、倾听、理解 帮助学生建构匀强磁场物理模型。
在电磁学中，经常要讨论某一区域内的磁场和它的变化情况，为此我们引入一个新的物理量——磁通量。设在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面，面积为S，我们把B与S的乘积称为穿过该平面的磁通量，如图所示。磁通量简称磁通，用符号Φ 表示。 磁通量用公式表示为 Φ = BS 磁通量是标量，它的国际单位制单位是Wb（韦）。 此处定义磁通量的方法是 定义法。 当一个平面与磁场的方向垂直时，通过它的磁通量最大；当该平面与磁场方向平行时，穿过它的磁通量最小，为零。 由公式Φ =BS ，可以得出 上式表明，磁感应强度在数值上等于单位面积上的磁通量，因此，工程技术人员常把磁感应强度称为磁通密度。 展示图片，讲解 观看、倾听、理解、记忆 帮助学生建构磁通量的概念。
示例 在磁感应强度为0.5 T的匀强磁场中，有一个面积为0.01 m2的矩形线圈。当线圈的平面分别转到与磁场方向垂直和平行时，穿过该线圈的磁通量各是多少？ 分析 本题可在了解磁通量物理意义的基础上，利用其定义公式直接求出。 解 当线圈平面与磁场方向垂直时，穿过线圈的磁通量为 Φ = BS = 0.5×0.01 Wb = 0.005 Wb 展示图片、讲解例题 观看、倾听、理解、记忆 让学生了解应用磁通量概念解决实际问题的方法。
人类虽然很早以前就认识了电现象和磁现象，但在很长一段时间里，却把它们看成两种彼此独立的自然现象。直到奥斯特发现了电流的磁效应之后，人们才认识到电和磁之间的内在联系。 1820年，丹麦物理学家奥斯特偶然把导线沿南北方向放置，把小磁针放在导线的下方，与导线平行，如图所示。接通电源后，发现小磁针转向垂直于导线方向，如图所示。 展示图片、讲述 观看、倾听 让学生了解电流磁效应的发现过程。
演示实验：观察通电直导线周围的磁场方向 按照如图所示的装置进行实验，将一根直导线竖直穿过水平放置的硬纸板，在纸板上放置几个小磁针，观察通电后小磁针N极所指的方向；改变导线中电流的方向，观察小磁针N极指向的变化。 进行演示实验，组织学生合作学习，提问： 尝试归纳小磁针N极的指向与电流方向的关系是什么？ 观看实验、记录数据、合作学习、回答： （可能回答不出来） 引导学生尝试通过现象归纳规律。
安培通过实验归纳出：直线电流的磁感线是一系列与导线垂直且以导线上的各点为圆心的同心圆。磁感线的方向跟电流方向的关系可以这样来判定：用右手握住导线，让伸直的大拇指指向电流的方向，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。这就是安培定则，也叫右手螺旋定则，如图所示。 展示图片、讲解 观看、倾听、理解、记忆 让学生理解安培定则（右手螺旋定则）。
演示实验：观察环形电流中心的磁场方向 如图所示，将一根导线弯成圆环，并竖直穿过水平放置的硬纸板，使圆环的上半部分在纸板上方。在环形电流中心轴线处的纸板上放置一个小磁针，观察通电后小磁针N极所指的方向；改变导线中电流的方向，观察小磁针N极指向的变化。 进行演示实验，组织学生合作学习： 利用安培定则分析环形电流在中心轴线上产生的磁场方向是什么？ 观看实验、记录数据、合作学习、回答： 运用右手握导线，大拇指指向电流方向，四指的方向就是磁场方向。 引导学生应用所学规律解决问题。
安培通过实验归纳出，环形电流中心轴线上的磁场方向，还可以这样判定：使右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形导线中心轴线上 磁场的方向，如图所示。 展示图片、讲解 观看、倾听、理解、记忆 让学生理解安培定则（右手螺旋定则）在解决环形电流时的用法。
演示实验：观察通电螺线管内外的磁场方向 如图所示，将一根导线弯成螺旋状，竖直穿过水平放置的硬纸板，使其一半在纸板上，一半在纸板下。在纸板上螺线管内外放置几个小磁针，观察通电后小磁针N极所指的方向；改变通过螺线管的电流方向，观察小磁针N极指向的变化。 进行演示实验，组织学生合作学习，提问： 根据螺线管中电流方向判断其内部磁场方向的方法是什么？ 观看实验、记录数据、合作学习、回答： 就是用安培定则（右手螺旋定则）在解决环形电流的方法。 引导学生分析现象，归纳规律。
安培通过实验归纳出，通电螺线管产生的磁场方向可以这样判定：让右手弯曲的四指沿着电流方向，那么伸直的大拇指所指的一端就是通电螺线管的北极。通电螺线管外的磁感线是由N极指向S极，在管内则是由S极指向N极，形成闭合曲线，如图所示。 展示图片、讲解 观看、倾听、理解、记忆 让学生理解安培定则（右手螺旋定则）在解决通电螺线管问题的用法。
安培为了解释磁铁为什么具有磁性的问题，根据环形电流及通电螺线管与条形磁铁的磁场相似这一特点，提出了分子电流假说：在铁分子内部存在一种环形电流——分子电流。分子电流使分子成为一个小磁体，分子两侧相当于两个磁极。 分子电流假说可以解释一些磁现象。例如，当一根铁棒未被磁化时，内部小磁体的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外界不显磁性，如图所示；当铁棒受到外界磁场作用时，小磁体的取向变得跟外界磁场基本相同，使铁棒显示出磁性，即被磁化了，如图所示；当铁棒受到高温或者猛烈敲击时，剧烈的热运动或机械振动使分子的磁性紊乱，磁场互相抵消，铁棒磁性消失。 展示图片、讲解 观看、倾听、理解 帮助学生理解安培利用假设推理解释未知现象的科学方法。
【思维与方法】 假说法 假说法就是在观察和实验的基础上，根据科学原理和事实进行理性思维，对未知的自然现象和规律所作的假定性解释和说明的方法。假说内容的正确与否，还需要等待实验的检验或实践的证明。 这是物理学中的一种重要的科学方法，虽然利用假说提出的理论不一定正确，但依然对科学研究有着促进作用，人类就是在不断地质疑、假设、推理、创新中不断进步的。 讲述 倾听 让学生了解科学方法。
在钢铁产品生产车间或废钢铁回收部门，经常可以见到的机器就是电磁起重机。它在接近钢铁制品时，接通电路，产生强大磁场，将钢铁吸起。运到目的地后，断开电路，磁场消失，将钢铁放下。 回应“情境与问题”中的问题。 倾听、理解 让学生了解通电螺线管在生产中的应用。
【应用与拓展】 贴地飞行的磁悬浮列车 磁悬浮列车是依靠电磁吸引力或排斥力悬浮在轨道上，利用线性电机驱动列车运行的列车，速度可达500 km/h以上，并具有节能环保、稳定性好、安全系数高等优点，是一种新兴的高速交通工具。 组织学生自主学习、巡视、指导、答疑 阅读、质疑 让学生了解我国最新的磁学成果，增强家国情怀。
自由讨论 本节的主要内容讲完了，同学还有哪些疑问，自由提问，小组讨论，自由抢答。 组织学生自由提问、讨论，或回答问题。 向老师提出自己的疑问、回答同学的问题。 通过思想的碰撞，发展学生质疑创新的核心素养。
归纳总结 本节学习了磁场、磁感应强度、磁通量等概念、了解了安培定则等规律及其应用，同时了解了比值定义法、归纳、假说等科学方法，受到了爱国主义教育等。 归纳总结本节所学内容。 倾听、记忆 帮助学生巩固所学。
课后 提升 书面作业
实践活动
板书 设计 略。
评价 反馈 本节课堂上学生回答问题得到的分数、批改学生作业后将评语及时反馈给学生。
教学 反思 反思本节课是否让学生通过自主学习进行了预习？授课过程中是否考虑到新旧知识的衔接？是否注意由浅入深地进行引导？教学难点的处理方法是否恰当？是否调动了全体学生的学习积极性？是否采用了合作学习、探究学习的教学策略？是否给学生提供了思维方法指导？学生是否进行了动手实践活动？是否注重了学生正确价值观、爱国主义思想等的培养？思考自己的讲授、启发、提问、组织、指导、回答等方面有哪些需要改进的地方。
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