2022年高二物理電流表的工作原理 人教版(I)

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1、2022年高二物理電流表的工作原理 人教版(I) 教學(xué)目標(biāo)： 一、知識(shí)目標(biāo) 1、知道電流表的構(gòu)造. 2、知道電流表的內(nèi)部磁場(chǎng)的分布特點(diǎn). 3、能準(zhǔn)確判定線圈各邊所受磁場(chǎng)力的方向. 4、會(huì)推導(dǎo)線圈所受安培力的力矩，理解電流表的刻度為什么是均勻的. 二、能力目標(biāo) 1、通過(guò)學(xué)習(xí)電流表的原理，學(xué)會(huì)將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力 2、培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力. 三、德育目標(biāo) 培養(yǎng)學(xué)生形成積極思維，善于推理的思維品質(zhì). 教學(xué)重點(diǎn) 1.電流表的構(gòu)造及表內(nèi)的磁場(chǎng)分布特點(diǎn). 2.通電線圈所受安培力矩的計(jì)算. 教學(xué)難點(diǎn) 1.表內(nèi)的磁場(chǎng)分布特點(diǎn). 2.

2、安培力的力矩與彈簧的扭轉(zhuǎn)力矩平衡． 教 學(xué) 過(guò) 程 教學(xué)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)意圖 復(fù)習(xí)提問(wèn)，引入新課 ［提問(wèn)］什么是安培力？ ［學(xué)生答］磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力叫安培力. ［提問(wèn)］安培力的大小如何計(jì)算？ ［學(xué)生答］在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在通電直導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向垂直的情況下，電流所受的安培力F等于磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度B，電流I和導(dǎo)線長(zhǎng)度L三者的乘積，即F=BIL. ［提問(wèn)］安培力的方向如何判斷？ ［學(xué)生答］通電直導(dǎo)線所受安培力的方向和磁場(chǎng)方向、電流方向之間的關(guān)系，可以用左手定則來(lái)判定：伸開(kāi)右手，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直，并且都跟手掌在一個(gè)平面內(nèi)，把手放入磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿入手心，并使

3、伸開(kāi)的四指指向電流的方向，那么大拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向. ［教師講述］在日常生產(chǎn)生活以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，處處都用到一種測(cè)量電流強(qiáng)弱和方向的儀表——電流表.這節(jié)課我們就一起研究電流表的工作原理. §15--3 電流表的工作原理 一、電流表的組成及磁場(chǎng)分布 請(qǐng)同學(xué)們閱讀課文，然后回答.電流表主要由哪幾部分組成的？ 數(shù)分鐘后，教師出示實(shí)物投影并課件演示。 ［學(xué)生答］電流表由永久磁鐵、鐵芯、線圈、螺旋彈簧、指針、刻度盤(pán)等六部分組成. 電流表的組成：永久磁鐵、鐵芯、線圈、螺旋彈簧、指針、刻度盤(pán). 教師提示注意點(diǎn)：a、鐵芯、線圈和指針是一個(gè)整體；b、蹄形磁鐵內(nèi)置軟鐵

4、是為了（和鐵芯一起）造就輻向磁場(chǎng)；c、觀察——鐵芯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺旋彈簧會(huì)形變。 復(fù)習(xí)提問(wèn)、引入新課 電流表的組成 ［實(shí)物投影課本圖15-21］ ［問(wèn)題］電流表中磁場(chǎng)分布有何特點(diǎn)呢？ ［教師講解］電流表中磁鐵與鐵芯之間是均勻輻向分布的. ［問(wèn)題］什么是均勻輻向分布呢？ ［教師進(jìn)一步講解］所謂均勻輻向分布，就是說(shuō)所有磁感線的延長(zhǎng)線都通過(guò)鐵芯的中心，不管線圈處于什么位置，線圈平面與磁感線之間的夾角都是零度.該磁場(chǎng)并非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，但在以鐵芯為中心的圓圈上，各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小是相等的. ［問(wèn)題］假如線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵和鐵芯

5、之間的兩個(gè)邊所經(jīng)過(guò)的位置其磁場(chǎng)強(qiáng)弱怎樣？ ［學(xué)生思考后回答］假如線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，磁極和鐵芯之間的兩個(gè)邊所經(jīng)過(guò)的位置其磁場(chǎng)強(qiáng)弱是相同的. 二、電流表的工作原理 1、線框在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的磁力矩. ［投影片出示例題］ 如圖所示，單匝矩形線圈的邊長(zhǎng)分別為ab=cd=L1,bc=ad=L2,它可以繞對(duì)稱(chēng)軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈中的電流強(qiáng)度為I，線圈處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)平行時(shí)，求線圈所受的安培力的總力矩. 解析：線圈平面與磁場(chǎng)平行時(shí)，所受力如圖所示，兩邊安培力的大小為F=BIL1，這一對(duì)力偶的力偶臂為L(zhǎng)2，所受安培力的總力矩M=BIL1L2=BIS. 教師在此基礎(chǔ)上又提問(wèn)

6、兩個(gè)問(wèn)題： ［問(wèn)題1］在上題的基礎(chǔ)上，如果是n匝線圈，則線圈所受安培力的力矩為多大？ ［學(xué)生答］如果是n匝線圈，則線圈所受安培力的力矩為M=nBIS. ［問(wèn)題2］如果是n匝線圈，當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)方向成α角時(shí)，線圈所受安培力的力矩又為多大？ 電流表的工作原理 ［一個(gè)學(xué)生上黑板解答如下］ 當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)方向成α角時(shí)，ab、cd邊受力情況如圖所示.若為n匝線圈，ab、cd邊受的安培力仍為平面與β平行時(shí)的大小，但這一對(duì)力的力偶臂變?yōu)長(zhǎng)2cosα，則線圈所

7、受安培力的力矩為M=nBIScosα. 說(shuō)明： 在①勻強(qiáng)磁場(chǎng)②轉(zhuǎn)軸OO′⊥B的條件下，M與轉(zhuǎn)軸的位置及線圈的形狀無(wú)關(guān). ［投影片出示例題］ 如圖所示，一正三角形線圈，放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)與線圈平面平行，設(shè)I=5 A,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0 T，三角形邊長(zhǎng)L=30 cm.求線圈所受磁力矩的大小及轉(zhuǎn)動(dòng)方向.（電流方向?yàn)閍cba） ［解答一］因?yàn)樵趧驈?qiáng)磁場(chǎng)中，在轉(zhuǎn)軸OO′和B相垂直的條件下，M與轉(zhuǎn)軸的位置和線圈的形狀無(wú)關(guān). 所以M=BIS=1.0 T×5 A××0.3 m×0.3 m×sin60°=0.2 N·m. 根據(jù)左手定則ab邊受的安培力方向垂直于ab邊向下，ac邊受的安培力方向垂

8、直于ac邊向上，所以線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)椋簭纳贤驴礊轫槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng). ［解答二］bc邊不受安培力；ab、ac受力等大反向，可認(rèn)為安培力作用在它們的中點(diǎn)，磁力矩為 M=2F··sin30° F=BILcos30° 由以上二式求出M=0.2 N·m 從上往下看轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较? 2、電流表的工作原理 ［實(shí)物投影課本圖15—21］ ［教師結(jié)合圖進(jìn)行講解］ 如圖，矩形線框兩條邊所受安培力大小相等，方向相反，大小為F=BIL，但兩力不在一條直線上，兩個(gè)力形成一對(duì)力偶，設(shè)兩力間距為d，則安培力矩M=F·d=BIL· d=BIS(其中S為線圈面積).由于線圈由n匝串聯(lián)而成，所以線框所受力矩應(yīng)為

9、M1=NBI·S,電流表內(nèi)的彈簧產(chǎn)生一個(gè)阻礙線圈偏轉(zhuǎn)的力矩，已知彈簧產(chǎn)生的彈性力矩M2與指針的偏轉(zhuǎn)角度θ成正比，即M2=kθ，（其中k由彈簧決定）當(dāng)M1=M2時(shí)，線圈就停在某一偏角θ上，固定在轉(zhuǎn)軸上的指針也轉(zhuǎn)過(guò)同樣的偏角θ，并指示刻度盤(pán)上的某一刻度，從刻度的指示數(shù)就可以測(cè)得電流強(qiáng)度. 由M1=M2可得NBIS=kθ，θ=·I 從公式中可以看出： （1）對(duì)于同一電流表N、B、S和k為不變量，所以θ∝I,可見(jiàn)θ與I一一對(duì)應(yīng)，從而用指針的偏角來(lái)測(cè)量電流強(qiáng)度

10、I的值； （2）因θ∝I,θ隨I的變化是線性的，所以表盤(pán)的刻度是均勻的. ［問(wèn)題］對(duì)比F=kx，你能說(shuō)出M′=kθ中k的決定因素及意義嗎？ ［學(xué)生答］M=kθ中k決定于彈簧的材料，金屬絲的粗細(xì)、形狀、螺旋半徑等；由k=M′/θ知k的物理意義為彈簧扭轉(zhuǎn)單位角度所產(chǎn)生的力矩. 3、電流表的特點(diǎn) 通過(guò)對(duì)電流表工作原理的學(xué)習(xí)，我們還可以對(duì)電流表的特點(diǎn)進(jìn)行一些總結(jié) A、刻度均勻 B、存在滿(mǎn)偏電流、固定的內(nèi)電阻 過(guò)渡：請(qǐng)大家對(duì)輻向磁場(chǎng)進(jìn)行一個(gè)細(xì)致的了解，它的邊界部分還真正是輻向的嗎？ 學(xué)生討論… C、示數(shù)太大或太小時(shí)，讀數(shù)不是很準(zhǔn)確 讓同學(xué)們閱讀課文，回答以下兩個(gè)問(wèn)題. ［

11、投影片出示問(wèn)題］ 1.為什么電流表可測(cè)出電流的強(qiáng)弱和方向？ 2.磁電式儀表的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？ ［學(xué)生答］磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力和電流成正比，因而線圈中的電流越大，安培力產(chǎn)生的力矩也越大，線圈和指針偏轉(zhuǎn)的角度也越大，因此，根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)角度的大小，可以知道被測(cè)電流的強(qiáng)弱.當(dāng)線圈中的電流方向改變時(shí)，安培力的方向隨著改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨著改變，所以，根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測(cè)電流的方向. ［學(xué)生答］磁電式儀表的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，可以測(cè)出很弱的電流；缺點(diǎn)是繞制線圈的導(dǎo)線很細(xì)，允許通過(guò)的電流很弱（幾十微安到幾毫安）.如果通過(guò)的電流超過(guò)允許值，很容易把它燒壞. 小結(jié) 本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了電流表的構(gòu)造、工作原理以及電流表的特點(diǎn)。對(duì)于原理的定量分析，教材沒(méi)有展示，這意味著這部分內(nèi)容的要求并不是很高，大家能夠有一個(gè)印象、記住角度與電流的正比關(guān)系就行了。特點(diǎn)和構(gòu)造則是不能含糊的，因?yàn)樵诮窈蟮膶?shí)驗(yàn)題中，我們還會(huì)經(jīng)常照應(yīng)到它們。 ` 電流表的特點(diǎn) 小結(jié)