Магнитное поле и силы, действующие на проводники с током и заряженные частицы
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока систематизировать и применить знания о магнитном поле, векторе магнитной индукции, силах Ампера и Лоренца, взаимодействии проводников с током и принципе суперпозиции при решении качественных и расчётных задач.
- Систематизировать определения магнитного поля, магнитной индукции, силы Ампера и силы Лоренца, а также правила определения их направлений.
- Закрепить умение выбирать физическую модель, записывать формулу, определять направление векторов и выполнять расчёты в задачах по магнитному полю.
- Развивать умение анализировать экспериментальные ситуации, сравнивать действие магнитного поля на проводник и заряженную частицу, аргументировать решение в группе.
- Формировать ответственное отношение к точности физических рассуждений, самоконтролю и подготовке к решению сложных задач, включая задания экзаменационного типа.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают значение изучения магнитных явлений для понимания работы электродвигателей, измерительных приборов, ускорителей и современных технологий.
- Проявляют готовность проверять собственные рассуждения и корректировать ошибки при определении направления сил.
- Связывают освоенные способы решения задач с дальнейшим профессиональным и образовательным выбором.
- Сохраняют познавательный интерес к экспериментальному исследованию физических явлений.
Метапредметные
- Выделяют существенные условия задачи и выбирают соответствующую физическую модель.
- Работают с формулами, рисунками, векторными схемами и экспериментальными данными.
- Планируют решение, осуществляют взаимопроверку по критериям и исправляют обнаруженные ошибки.
- Аргументированно представляют решение и участвуют в обсуждении физической модели явления.
Предметные
- Знать определение магнитного поля, вектора магнитной индукции, линий магнитной индукции и принципа суперпозиции магнитных полей.
- Знать формулы модуля силы Ампера F= BIl sin α и силы Лоренца F= |q|vB sin α.
- Уметь определять направление силы Ампера и силы Лоренца по соответствующим правилам.
- Уметь объяснять опыт Эрстеда, магнитное поле проводника с током и взаимодействие постоянных магнитов и параллельных проводников с током.
- Уметь решать качественные и расчётные задачи на действие магнитного поля и суперпозицию магнитных полей.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный уровень готовности к решению задач по магнитному полю.
- Осознают необходимость точного соблюдения знаков, направлений и единиц измерения.
- Проявляют самостоятельность при выборе способа решения.
- Формулируют личную учебную цель на урок.
Регулятивные УУД
- Ставят цель повторения и планируют последовательность решения задачи.
- Контролируют соответствие формулы условию и размерность полученного ответа.
- Сопоставляют собственное решение с эталоном и выявляют место ошибки.
- Оценивают степень достижения цели и намечают способ устранения затруднения.
Познавательные УУД
- Классифицируют задачи по действующему объекту: проводник с током или заряженная частица.
- Устанавливают причинно-следственную связь между током и магнитным полем.
- Строят векторные схемы и используют принцип суперпозиции.
- Анализируют предельные случаи: параллельное и перпендикулярное движение заряда относительно поля.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли при групповой работе и договариваются о едином решении.
- Формулируют вопросы к решению другой группы.
- Аргументируют направление вектора силы и корректно указывают на ошибку.
- Представляют решение в краткой устной форме с использованием физической терминологии.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию или изображения опыта Эрстеда, проводника с током, постоянных магнитов и линий магнитной индукции.
- Подготовить демонстрационные магнит, компас, прямой проводник, источник постоянного тока и соединительные провода; при наличии — датчик магнитного поля.
- Распечатать карточки трёх уровней сложности: по одной карточке на каждого ученика, всего по числу учащихся.
- Подготовить для групп наборы схем с направлениями тока, скорости частицы и магнитной индукции — по одному набору на группу.
- Вывести на доску шпаргалку-напоминание: F_A=BIl sin α; F_Л=|q|vB sin α; B=ΣB_i; правила левой руки и правой руки.
- Подготовить листы самооценки и эталонные решения для взаимопроверки — по одному на каждого ученика.
- Проверить исправность проектора, ноутбука, интерактивной доски и оборудования для безопасной демонстрации действия тока.
- Разместить на доске проблемный вопрос: «Как по одной векторной схеме определить, какая сила действует и куда она направлена?»
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в учебную деятельность и обозначить практическую значимость систематизации знаний.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране изображение электродвигателя и движущегося заряда в магнитном поле: "Сегодня мы не будем изучать отдельную формулу. Нам нужно собрать единую систему: от опыта Эрстеда и магнитного поля проводника до сил Ампера и Лоренца. Посмотрите на изображения. В обоих случаях магнитное поле приводит к направленному движению, но объекты действия различаются. Подготовьте тетради и лист самооценки." | Проверяют готовность, записывают дату и тему урока, рассматривают изображения. |
2 мин | Учитель использует приём «Проблемный вопрос»: "Как по рисунку понять, действует ли сила на проводник или на заряженную частицу? Какие три направления нужно сравнить? В конце урока вы должны будете объяснить это без подсказки и решить задачу, где потребуется суперпозиция полей." | Формулируют ответы: "Нужно определить объект, направление тока или скорости и направление магнитной индукции"; записывают личную цель урока. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы определили общую задачу урока — научиться видеть физическую модель за рисунком и формулой. Теперь восстановим опорные знания, без которых дальнейшее решение будет случайным."
Этап 2. Актуализация знаний. Приём «Светофор» (6 мин)
Цель этапа: быстро диагностировать понимание основных понятий, формул и правил направления.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает по очереди утверждения: "Магнитное поле создаётся движущимися зарядами. Линии магнитной индукции нигде не пересекаются. На неподвижный заряд магнитное поле действует с максимальной силой. Сила Ампера зависит от длины проводника. При движении заряда вдоль линий магнитного поля сила Лоренца равна нулю. Взаимодействие двух параллельных токов объясняется действием магнитного поля одного проводника на другой." Просит поднять зелёную, жёлтую или красную карточку и кратко обосновать выбор. | Показывают карточки, отмечают верные и неверные утверждения, исправляют ошибочные: "На неподвижный заряд магнитное поле не действует"; "при движении вдоль поля угол равен нулю, поэтому сила равна нулю". |
3 мин | Учитель записывает на доске формулы и спрашивает: "Назовите физический смысл каждого множителя. В каком случае сила Ампера максимальна? В каком случае сила Лоренца максимальна? Как изменится сила, если угол между направлением движения и полем станет равен 90 градусам?" | Называют величины и единицы измерения, отвечают: "При перпендикулярном расположении направления тока или скорости и магнитного поля"; формулируют зависимость через синус угла. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили формулы и увидели типичную ловушку: недостаточно знать модуль силы, нужно учитывать угол и направление. Следующий шаг — выяснить, как выбрать правильную формулу в незнакомой ситуации."
Этап 3. Постановка проблемы и классификация моделей (5 мин)
Цель этапа: научить различать силу Ампера и силу Лоренца по объекту действия и условиям задачи.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт парам карточки с четырьмя ситуациями: проводник с током в поле, электрон в поле, два параллельных проводника с током, стрелка компаса рядом с проводом. "Подумайте 30 секунд, затем обсудите в паре. Для каждой ситуации назовите источник поля, объект действия и силу. Не начинайте с формулы — сначала определите модель." | Работают по приёму «Подумай — обсуди в паре», заполняют три графы карточки: источник поля, объект действия, сила. |
3 мин | Учитель организует обсуждение: "Какая сила действует на проводник? Почему взаимодействие проводников можно рассматривать через два этапа? Что показывает опыт Эрстеда? Почему компас отклоняется?" Фиксирует на доске схему: ток → магнитное поле → действие поля. | Представляют ответы: "На проводник действует сила Ампера"; "ток первого проводника создаёт поле, которое действует на второй проводник"; "опыт Эрстеда показывает действие тока на магнитную стрелку". |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы классифицировали ситуации по объекту действия. Теперь применим эту схему к векторным рисункам и восстановим способы определения направлений."
Этап 4. Систематизация нового материала и векторных правил (8 мин)
Цель этапа: обобщить связи между магнитным полем, линиями магнитной индукции, постоянными магнитами, силами Ампера и Лоренца.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель показывает схему магнитного поля прямого проводника и постоянного магнита: "Сравните картины линий магнитной индукции. У прямого проводника линии замкнуты вокруг проводника, у магнита поле выходит из северного полюса и входит в южный снаружи магнита. В каждой точке магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции B. Если полей несколько, результирующий вектор равен векторной сумме: B=ΣB_i. Объясните, почему складывать нужно именно векторы, а не модули во всех случаях." | Сравнивают рисунки, формулируют: "Направления полей могут совпадать или быть противоположными, поэтому нужно учитывать направление каждого вектора"; изображают два сонаправленных и противоположно направленных вектора. |
4 мин | Учитель демонстрирует три схемы и проговаривает алгоритм: "Первый шаг — определить направление B. Второй — записать направление тока I или скорости v. Третий — применить правило левой руки для силы Ампера или силы Лоренца, учитывая знак заряда. Для отрицательного заряда направление силы противоположно результату, полученному для положительного. Проверьте себя: если v параллельна B, чему равна сила Лоренца?" | По схемам определяют направления, проговаривают алгоритм, отвечают: "При v, параллельной B, sin 0°=0, поэтому сила Лоренца равна нулю"; записывают формулы и алгоритм в тетрадь. |
Запись в тетрадях
Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции B. Принцип суперпозиции: B= B₁+B₂+…+Bₙ. Сила Ампера: F_A=BIl sin α. Сила Лоренца: F_Л=|q|vB sin α. Направление силы определяется правилом левой руки; для отрицательного заряда направление противоположно полученному для положительного.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Теперь у нас есть единый алгоритм: объект — формула — угол — направление — проверка результата. Перейдём к задачам, где этот алгоритм нужно проговорить вслух и применить без пропусков."
Этап 5. Первичное закрепление. Работа в группах (8 мин)
Цель этапа: закрепить применение формул и правил направления в качественных и расчётных задачах.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель делит класс на группы и раздаёт задания. Группа 1: "Проводник длиной 0,20 м находится в однородном поле B=0,50 Тл. Ток I=4,0 А направлен перпендикулярно линиям поля. Найдите силу Ампера." Группа 2: "Протон движется со скоростью 2,0·10⁶ м/с перпендикулярно полю B=0,30 Тл. Заряд протона 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Найдите силу Лоренца." Группа 3: "Два параллельных проводника имеют токи одного направления. Как изменится расстояние между ними? Обоснуйте через магнитные поля и силу Ампера." | Распределяют роли: вычислитель, чертёжник, докладчик, контролёр. Записывают дано, формулу, подстановку и ответ с единицами; строят схемы направлений. |
4 мин | Учитель предлагает каждой группе кратко представить решение и задаёт вопросы: "Почему выбран именно этот закон? Какой угол подставлен? Как вы проверили направление? Что изменится, если токи будут противоположными?" | Представляют решения, задают вопросы, дополняют записи. Формулируют: "Однонаправленные токи притягиваются, противоположно направленные отталкиваются". |
Эталон решения
Задача 1: F_A=BIl sin α=0,50·4,0·0,20·sin90°=0,40 Н. Задача 2: F_Л=|q|vB sin90°=1,6·10⁻¹⁹·2,0·10⁶·0,30=9,6·10⁻¹⁴ Н. Для параллельных проводников с одинаковым направлением токов магнитное поле каждого проводника действует на другой так, что проводники притягиваются; при противоположных направлениях токов они отталкиваются.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы применили обе формулы и проверили физический смысл результата. Теперь каждый индивидуально решит задачу, чтобы выяснить, насколько уверенно владеет алгоритмом без помощи группы."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (10 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное освоение формул, направления сил и принципа суперпозиции.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
6 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней. Базовый вариант: определить силу Ампера при B=0,40 Тл, I=3 А, l=0,50 м, α=90°. Средний вариант: электрон движется перпендикулярно однородному полю; определить модуль силы по данным q, v и B. Повышенный вариант: в точке действуют два взаимно перпендикулярных поля B₁=3 мТл и B₂=4 мТл; определить модуль результирующего поля и указать направление относительно B₁. | Индивидуально решают выбранный или назначенный вариант, обязательно записывают модель, формулу, вычисления и направление результирующего вектора. |
4 мин | Учитель выводит эталон на экран: "Сверьте не только ответ, но и ход решения. Отметьте зелёным верный шаг, жёлтым — шаг, требующий уточнения, красным — место ошибки. Если ответ отличается, найдите причину: формула, угол, единицы или арифметика." | Проводят самопроверку, исправляют ошибки, ставят отметку в листе самооценки. Для повышенного задания используют B=√(B₁²+B₂²)=5 мТл и строят прямоугольный векторный треугольник. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Индивидуальная работа показала, что формула становится рабочим инструментом только после анализа условия. Осталось связать отдельные знания в общую систему и сформулировать, что именно вы теперь умеете делать."
Этап 7. Включение знаний в систему и рефлексия (5 мин)
Цель этапа: обобщить знания, выявить затруднения и определить дальнейший шаг подготовки.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит приём «Снежный ком»: "Сначала каждый за 30 секунд завершите фразу: ‘Чтобы решить задачу на магнитное поле, я…’. Затем объединитесь в пары, выберите наиболее полный алгоритм и представьте его классу." | Индивидуально записывают продолжение, в парах объединяют ответы, формулируют алгоритм: "Определяю объект, направление B, выбираю силу, нахожу угол, считаю модуль, определяю направление и проверяю единицы". |
3 мин | Учитель просит заполнить «Билет на выход»: "Ответьте письменно на три вопроса: чем сила Ампера отличается от силы Лоренца; когда сила Лоренца равна нулю; как складываются магнитные поля? Поставьте рядом цвет самооценки: зелёный, жёлтый или красный." | Пишут ответы: "Сила Ампера действует на проводник с током, сила Лоренца — на движущийся заряд"; "при v параллельной B или при v=0"; "поля складываются векторно". Заполняют цвет самооценки. |
Запись в тетрадях
Алгоритм решения задач: 1) определить объект действия; 2) установить направление магнитной индукции; 3) выбрать формулу; 4) определить угол α; 5) вычислить модуль силы; 6) определить направление силы; 7) проверить единицы и физический смысл ответа.
Этап 8. Подведение итогов и домашнее задание (3 мин)
Цель этапа: зафиксировать достигнутый результат и дать дифференцированное задание для закрепления.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель обращается к классу: "Сегодня вы связали опыт Эрстеда, поле проводника, постоянные магниты, силы Ампера и Лоренца в единую модель. Вспомните, какая ошибка встречалась чаще всего: неверный объект, неправильный угол или направление?" | Называют типичные ошибки, записывают индивидуальный способ их предупреждения. |
2 мин | Учитель объясняет домашнее задание: "Выберите уровень с учётом результата самостоятельной работы. В каждом решении обязательны схема, формула, единицы и пояснение направления силы. На следующем уроке начнём с разбора вопросов, которые вы отметили в билетах на выход." | Записывают выбранный уровень и контрольные вопросы, уточняют условия выполнения. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно решены все задания выбранной карточки, правильно выбраны формулы силы Ампера, силы Лоренца или суперпозиции, направление силы обосновано, единицы измерения указаны.
- «4» — решены все основные задания, но допущена одна неточность в вычислениях, оформлении или пояснении направления, не повлиявшая на выбор физической модели.
- «3» — правильно определён хотя бы один физический закон и получен частично верный результат, но допущены ошибки в угле, направлении, единицах или вычислениях.
- Ниже базового уровня — физическая модель выбрана неверно или отсутствуют формулы и объяснение направления силы; результат требует доработки по листу самооценки.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Чем сила Ампера отличается от силы Лоренца по объекту действия? | Проверка различения двух физических моделей. |
Какой шаг алгоритма решения задач на магнитное поле оказался для вас самым трудным? | Выявление точек затруднения и планирование коррекции. |
Почему магнитные поля складываются векторно? | Проверка понимания принципа суперпозиции и направлений векторов. |
Какой уровень домашнего задания вы выбираете и почему? | Осознание собственного уровня освоения темы и развитие самооценки. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы систематизировали представления о магнитном поле и увидели, что разные явления объясняются одной векторной логикой. Самая частая ошибка — подставить числа в формулу, не определив объект действия, угол и направление магнитной индукции. Поэтому при решении всегда начинайте со схемы и физического смысла, а не с вычислений. На следующем уроке мы разберём ваши затруднения и продолжим применять магнитные силы к движению заряженных частиц и работе технических устройств.»
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 4 задачи: две на силу Ампера и две на силу Лоренца при перпендикулярном и наклонном движении; в каждой задаче выполнить схему и указать направление силы. | Закрепляет выбор формулы, работу с углом и запись единиц; при проверке обратить внимание на физическую модель и направление. |
Средний (повышающий) | Решить 3 задачи на взаимодействие параллельных проводников и принцип суперпозиции магнитных полей, включая случай противоположных направлений токов и взаимно перпендикулярных векторов поля. | Развивает векторное сложение и умение объяснять взаимодействие проводников через магнитное поле; проверить рисунки и обоснование знаков. |
Продвинутый (дополнительный) | Составить и решить собственную задачу, связанную с движением заряженной частицы в магнитном поле или действием силы Ампера в техническом устройстве; представить условие, модель, решение и анализ изменения ответа при изменении одного параметра. | Развивает создание физической модели и исследовательское мышление; оценить корректность условия, реалистичность данных и полноту анализа. |
Контрольные вопросы перед выходом: «На какой объект действует сила Ампера? На какой объект действует сила Лоренца? При каком условии магнитная сила равна нулю? Как определить направление магнитного поля прямого проводника с током? Как сформулировать принцип суперпозиции магнитных полей?»
