章节分析学习目标
1、了解磁场对载流导体的影响。了解安培力的方向和大小，能利用左手定则判断安培力的方向，能计算安培力的大小。了解安培力在生产生活中的应用，体会物理知识与科学技术的关系。
2.理解磁场对运动电荷的作用。理解洛伦兹力的方向和大小，能利用左手定则判断洛伦兹力的方向，并能计算洛伦兹力的大小。
3.理解带电粒子在均匀磁场中运动的原因。能用洛伦兹力分析带电粒子在均匀磁场中的圆周运动，能计算出带电粒子在均匀磁场中圆周运动的半径和周期。经过实验验证，进一步体会实验观察、数学推导等学习物理的基本方法，理解物理理论需要通过实验来检验的科学规范。
4.了解质谱仪、回旋加速器的工作原理，了解带电粒子在均匀磁场中的偏转及其应用，体会科学与技术的密切关系，感受科学知识的巨大力量。
写作意图
课程标准对本章节内容的要求是：
2.1.1 通过实验认识安培力，能确定安培力的方向，计算安培力的大小，了解安培力在生产、生活中的应用。
2.1.2 通过实验了解洛伦兹力，能确定洛伦兹力的方向，计算洛伦兹力的大小。
2.1.3 能利用洛伦兹力分析带电粒子在均匀磁场中的圆周运动，了解带电粒子在均匀磁场中的偏转及其应用。
在必修第三卷中，学生已经学习了静电场对电荷和磁场的影响。本章进一步介绍了磁场对载流导体和运动电荷的影响，并通过对安培力和洛伦兹力的学习，引导学生进一步理解场的概念。在学习安培力和洛伦兹力时，学生首先通过自主活动定性地观察力的方向，然后定量分析力的大小，使学生了解研究问题的总体思路。学习本章内容，学生要综合运用所学的力学、电磁学知识，进一步培养学生关于磁场的材料概念、运动和相互作用概念、能量概念。高中物理课程标准要求课程内容注重与生产生活、现代社会、科技发展的联系，本章内容与实际生产生活紧密相关，有助于学生培养科学思维、科学探究等核心素养。
本章内容是电磁感应定律的基础，为后续学习除机械知识、电学知识外的综合电磁问题打下基础，准备实验技能，引导学生深入思考，提高解决实际问题的能力。通过本章的学习，进一步建立磁场与载流导体及运动电荷相互作用的概念，引导学生应用所学知识解决实际问题，培养运用知识的创新能力。
完成本章的学习需要7课时，其中第一课2课时，第二课2课时，第三课3课时。
本节的写作思路
本部分以科技馆“电磁枪”情景为切入点，通过初中、高中必修课三的学习，在初步了解磁场对电流的强作用的基础上，首先通过实验证实通电导体在磁场中受力。其次通过“自主活动”，让学生体验推导安培力、磁感应强度与电流方向关系的过程，总结左手定则。然后通过DIS实验定量探究安培力的大小，创设情景引导学生积极思考，引导学生从探究实验中得出安培力的大小与磁场中电流大小和载流导线的长度成正比。最后通过本节开头对电流秤、磁电表、动圈喇叭、电磁枪等原理的分析，了解安培力在生产生活中的广泛应用。
通过本部分的学习，将进一步理解磁场的物质概念、运动和相互作用概念，体验归纳推理的方法，感受到现代技术在物理测量方面的重要作用，感受到科学技术对社会发展的重要意义。
文本解释
这项自主活动安排学生分组进行实验，探索磁场对载流导体的影响。目的是：
（1）通过实验了解安培力。
（2）通过对磁场对载流导体影响的实验，我们可以增强磁场的材料和相互作用视角。
安排学生分组进行实验，探究安培力、磁场和电流方向之间的关系。目的是：
（1）能用立体图正确表示安培力、磁场、电流方向的关系，并通过实验分析得出安培力方向垂直于磁场与电流所确定的平面的结论。
（2）体验寻找安培力、磁场和电流方向关系的过程，了解归纳推理的方法，能判断安培力的方向。
从实验现象分析可以得出，安培力的方向既垂直于磁场方向，也垂直于电流方向，安培力的方向垂直于磁场与电流所确定的平面。
本次活动定量论证了安培力的大小（有条件的学校尽量安排学生小组实验）。目的是：
（1）当载流导体垂直于磁场方向时，我们可以通过观察安培力的大小与电流成正比，安培力的大小与载流导体在磁场中的长度成正比来理解安培力。
（2）通过DIS实验，可以定量地探究安培力的大小，感受到现代科技在物理测量方面的重要作用，感受到科技对社会发展的重要意义。
本实验装置还可以通过调节带有刻度的圆盘来观察安培力的大小与磁场和电流方向的夹角的关系。可以观察到，当电流垂直于磁场方向时，安培力F最大；当电流方向平行于磁场方向时，安培力为零。
计算安培力大小时，对于电流元不垂直于磁场的情况磁场方向，可以用磁感应强度等效值或等效电流元法来解释或解决，是否展开，可根据学生的学习能力决定。
设磁感应强度B的方向与电流I的夹角为θ，则作用在电流元件上的安培力的大小为F=θ。
通过例1，引导学生利用左手定则判断安培力的方向，计算安培力的大小，让学生了解电流平衡的原理，并与同学们交流，从而加深对安培力在生产生活中的应用的理解。
2019 年之前，千克的定义基于国际千克原器（简称 IPK 或 Big K）。在考虑了各种替代方案后，国际计量大会（CGPM）决定用基于基布尔天平的普朗克常数 h 值来取代千克的定义，并建立精确标准。
基布尔天平是定义新的国际标准质量的重要设备，该天平的工作原理是基于安培力的作用而设计的（详情见本节资料链接）。
初中生已经能熟练使用磁电式电压表、电流表，但对其工作原理了解甚少，无法解释磁电式仪表正负极接反后指针为何会反转。要解释磁电式仪表的结构和工作原理，需要用安培力进行综合分析。
电磁枪就是电磁弹射器，下面介绍一种常见的——轨道式电磁弹射器的原理。轨道式电磁弹射器主要由两根发射轨道和导电的弹丸组成。如图1所示，强电流从一条轨道流入，穿过弹丸，再从另一条轨道流回。根据右手螺旋定则，可以确定通电直导线周围的磁场分布。电流在弹丸处下轨道和上轨道产生的磁场垂直于纸面向内，在图中用符号“×”表示。可以看出弹丸中间的磁场增大了一倍。当电流流过弹丸时，由于弹丸携带电流，弹丸受到右安培力F，使弹丸沿轨道向右加速运动。 显然，电流I越大，磁感应强度B越大，作用在弹丸上的安培力F也越大，弹丸的初速度也就越大。电磁弹射器的优点是：弹丸初速度大，所以射程远；发射成本低，易于连续发射；由于不用火药，所以没有很大的噪音，使用安全；可以发射质量较大的物体。如果大大增加电磁弹射器的体积和驱动电流，就可以用弹丸牵引飞机从航空母舰上起飞，这就是航空母舰上的电磁弹射器贝语网校，帮助舰载机起飞，它比上一代蒸汽弹射器要优越得多。我国在电磁弹射器方面进行了卓有成效的研究。
问题和想法
1. 参考答案：（a）电流I向右水平流动
（b）安培力F垂直导线向左上方
（c）磁场 B 是水平的，指向左侧
（d）无安培力 F
题目意图：利用左手定则判断安培力的方向。
主要素质和水平：运动和互动概念（II）；科学推理（I）。
2.参考答案：F=BIL
I = (frac{F}{{BL}})= (frac{{1 times {{10}^{ - 2}}}}{{4 times {{10}^{ - 2}} times 8 times {{10}^{ - 2}}}})A = 3.125 A
根据左手定则，导线中电流的方向为b→a
题意：能判断安培力的方向，计算安培力的大小。
主要素质和水平：运动和互动概念（II）；科学论证（II）。
3、参考答案：两根平行直导线有电流通过，它们之间存在相互作用力，同向电流相互吸引，反向电流相互排斥。（虚线：同向电流向内变形，反向电流向外变形，如图2）
题目目的：利用左手定则判断两根载流平行直导线间的相互作用，加深对安培力相关概念的理解。
主要素质和水平：运动和互动概念（II）；科学推理（II）。
4、参考答案：弹簧不变形，两边弹簧对导线ab没有弹力，根据平衡条件可知：F=G；又由F=BIL
我们可以得到 I = (frac{F}{{BL}})=(frac{G}{{BL}}) = (frac{{0.1}}{{0.5 times 0.1}})A = 2 A
安培力的方向是垂直向上的。根据左手定则，可以确定导线中电流的方向为a→b
题意：运用安培力进行综合分析解决问题。
主要素质及水平：科学推理（II）；科学论证（II）。
5、参考答案：若通电后指针P向右偏转，说明圆柱铁芯左侧安培力向上，右侧安培力向下。根据左手定则，可确定线圈中电流的方向，电流从A端流入电表。
题意：了解安培力在生产生活中的应用，运用安培力分析磁电仪器的工作原理。
主要品质及水平：科学推理（II）；科学本质（III）。
6.答：分数可以反映科学思维水平，水平越高，分数越高。
根据匀加速直线运动定律，可增大抛射物所受的加速度，增加其作用时间；由动能定理，可增大抛射物所受的合外力，增加其作用位移；由动量定理，可增大抛射物所受的合外力，增加其作用时间。
BIL − = ma; a = (frac{{BIL}}{m})− (frac{{{}}}{m}); v = (sqrt {2as} )= (sqrt {2left( {frac{{BIL}}{m} - frac{{{}}}{m}} right)s} )=(sqrt {2frac{{(k{I^2}L - {})s}}{m}} )
理论上可以采用的方法有：增加履带和弹丸的宽度L；增加履带的长度s；增大电流I；减小弹丸的质量m；减小弹丸所受到的阻力F阻力。
（学生还可作出其他合理的科学推论与科学论证，如：模型考虑了变化的阻力，抛射物除了受到轨道的阻力外，还受到空气对抛射物的阻力，而空气阻力与速度或速度的平方成正比，因此抛射物在发射前可能已经达到平衡状态，并以终端速度发射。）
第二层次：通过文字描述进行合理分析。
级别 3：建模时不考虑阻力的影响。
级别 4：进行建模以考虑阻力的影响。
题意：运用安培力综合分析实际问题，培养模型构建、科学推理、质疑创新的能力。
主要素质和水平：运动和互动概念（IV）；科学推理（IV）；科学论证（III）。
信息链接
安培
安德烈-马里·安培（1775-1836）是法国物理学家、数学家，古典电磁学的奠基人之一。为了纪念安培对电磁学的贡献，1948年第9届国际计量大会决定采用安培作为国际单位制中电流的单位。安培的名字与其他71位法国科学家的名字一起镌刻在埃菲尔铁塔上。
安培对电磁学的贡献：1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。于是安培开始建立物理理论和数学方程来描述电磁关系。为了进行定量的研究，安培设计了一种检流计，它既能检测电流的方向，又能通过指针的偏转来测量电流的大小。1822年，安培发表了一篇论文，定量地总结了实验现象，发现两根平行的载流导线用它们产生的磁场对另一根导线施加力。安培还通过1820年至1825年间的一系列巧妙的实验，研究了电流间的磁力。后来，法拉第、麦克斯韦等人建立了电磁场理论。根据这个理论，电流在周围的空间产生磁场，磁场作用于其中的电流，产生磁力。 今天我们把安培通过实验得到的结论表达为电流元素对其附近某点磁感应强度的贡献。此后，安培的巨著《关于电动力学现象的数学理论的回忆录，独特经验》出版，“电动力学”一词由此诞生。1827年，安培当选为伦敦皇家学会外籍院士，一年后又当选为瑞典皇家科学院外籍院士。
两根长直电线之间的相互作用
根据毕奥-萨伐尔定律，一根长直电流导体附近某一点的磁感应强度B的大小与电流I成正比，与该点到导体的距离r成反比，即B = (frac{{{mu _0}}}{{2pi }}frac{I}{r})= km (frac{I}{r})，其中比例系数km = (frac{{{mu _0}}}{{2pi }})，μ0为真空磁导率。
两根长度为l的平行直导线，相距距离为r，且r≪l，同时通以相同方向的电流I1和I2。载流直导线I1在其周围产生磁场，除长直载流导线两端附近外，距离r处各点的磁感应强度大小均为B1=km(frac{I_1}{r})。如图3所示，I1右侧的载流直导线I2将受到I1磁场中安培力的影响（忽略两端附近的差异）。可以粗略地认为，载流直导线I2处于同大小同方向的磁场中，它所受到的安培力大小为
F = B1I2l = km (frac{{{I_1}}}{r})I2l = kml(frac{{{I_1}{I_2}}}{r})
方向垂直于导线，指向左边。同理，载流直导线I2在其周围距离r处各点的磁感应强度为B2 = km (frac{{{I_2}}}{r})，左边直导线I1所受的安培力为
F′ = B2I1l = km (frac{{{I_2}}}{r})I1l = kml(frac{{{I_1}{I_2}}}{r})
方向垂直于右边的导线，两根长直电流导线互相吸引。
安培力的应用-直流电机的原理
直流电动机是把直流电能转换成机械能的动力机械。直流电动机最突出的优点就是可以通过改变输入电压来方便地调整它的转速，因此很多需要调速的设备都采用直流电动机。直流电动机的原理如图4（a）、图4（c）所示。当直流电源通过电刷给线圈供电时，左边的导体受到向上的安培力；右边的导体受到向下的安培力。换向器是一对互相绝缘的半圆形接触片，通过电刷与直流电源相联。通过换向器，通电后的线圈可连续地按顺时针方向旋转，把输入的直流电能转换成输出的机械能。
图 4
平衡原理介绍
基布尔天平（图5）有两种工作模式，第一种是称重模式，只使用秤的左侧。如图6所示，在秤的左侧托盘上放置一个未知质量m的块体，它受到垂直向下的重力mg。电流通过下方的线圈，红色部分为永久磁铁，产生恒定的磁场。假设产生的磁场是均匀磁场，磁场方向垂直于电流方向，磁场方向垂直于导线的运动方向。有电流通过的线圈将受到向上的安培力，其大小为F=BIL，其中I为电流，B为磁感应强度，L为线圈长度。可以调节电流，使重力和安培力恰好互相抵消，即mg=BIL。如果能准确测出B、I、L和g磁场方向，就能确定m。 但问题是B和L很难以要求的精度进行测量，因此就有了巧妙的第二种模式：速度模式。在此模式下，将左边的块撤去，线圈不通电，开启右边的电动机，使左边的线圈以匀速v做垂直运动。根据法拉第电磁感应定律，导线在磁场中运动会切割磁通线产生感应电动势E=BLv，所以BL=(frac{E}{v})。这样就不需要知道B和L的具体值，只要将它们的乘积代入mg=BIL消去BL，即可得到mgv=EI。这个等式左边是机械功率（单位是瓦特），右边是电功率（单位也是瓦特），等式两边的功率相等，所以基布尔天平又称为瓦特天平。 于是我们得到质量m = (frac{{EI}}{{gv}})。或者利用欧姆定律I = (frac{E}{R})，将其改写为：m = (frac{{{E^2}}}{R} cdot frac{1}{{gv}})。在今天的技术条件下，等式右边的每一项都可以以极高的精度测量，从而可以以极高的精度确定质量。这是基布尔天平的基本原理。
图 5
图 6
那么质量m和普朗克常数h之间到底有什么关系呢？关键在于电动势E和电阻R。为了达到极高的精度，二者的测量需要借助约瑟夫森效应和量子霍尔效应（二者都获得了诺贝尔物理学奖）。当频率为f的电磁波入射到约瑟夫森结上时，可以测得电位差：E = (frac{{nhf}}{{2e}})，其中n为整数，表示约瑟夫森结的数量，h为普朗克常数，e为基本电荷。同样，电阻R也可以通过量子霍尔效应精确测得：R = (frac{h}{{p{e^2}}})，其中p为整数，e为基本电荷。代入原公式，我们得到质量的最终表达式：m = (frac{{p{n^2}{f^2}}}{{4gv}})h。 现在，普朗克常数 h 已经固定为一个常数，这个最终的质量表达式可以用来测量目前地球上最高精度的质量。
任何拥有相应技术水平的国家都可以建造一个完全类似的基布尔天平实验室，按照上述公式和方法测量物体的质量，并将其作为该国任何其他质量测量的最高标准。即使巴黎的国际千克原器（IPK或Big K）被毁坏或被盗，也不会造成任何影响。各国无需每四十年去巴黎校准一次。从此，国际度量衡局总部地下室里那个覆盖着三层玻璃钟罩的铂铱合金圆筒将正式退出历史舞台。
参考网址：。
磁电式水表的刻度为什么是统一的？
如教材第6页图5-11所示，磁电式仪表的线圈处于径向磁场中。因此，无论它旋转到何处，作用在线圈上的安培力扭矩的大小始终为M=NBIS，式中N为线圈匝数，S为线圈面积。由于线圈在旋转过程中拉紧了螺旋弹簧，因此线圈还要受到螺旋弹簧的阻力扭矩M′=kθ，式中k为螺旋弹簧的扭转系数。当两个扭矩平衡时，线圈就处于平衡位置。根据扭矩平衡条件NBIS=kθ，可得θ=(frac{{NBS}}{k})I。 式中，N、B、S、k均为常数，所以θ∝I，即线圈偏转角度θ与电流I成正比。仪表表盘上圆弧的长度也与θ成正比，所以磁电式仪表的刻度是统一的。