“判實(shí)驗(yàn)之美,格物以致知”

張凱

摘要：本文作者在剛結(jié)束的重慶市中學(xué)物理青年教師優(yōu)質(zhì)課大賽決賽中獲得一等獎(jiǎng)。比賽題目是司南版選修3－2中《磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用》，本文系作者參賽時(shí)所用的教學(xué)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)注重實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)科中的獨(dú)特作用，強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究時(shí)思想與方法的滲透。為我們展現(xiàn)了一節(jié)新課程理念下的規(guī)律探究課。同時(shí)，本文也是江津中學(xué)在課改中探索物理教學(xué)模式的成果之一。

關(guān)鍵詞：洛倫茲力：磁場(chǎng)；左手定則

中圖分類(lèi)號(hào)：G633，7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-6148(2012)1(S)-0004-3

司南版選修3－2第六章第2節(jié)：《磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用》。

知識(shí)與技能：(1)認(rèn)識(shí)洛倫茲力的產(chǎn)生條件；(2)能夠計(jì)算洛倫茲力的大?。?3)掌握洛倫茲力方向的判斷方法——左手定則。

過(guò)程與方法：(1)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，加深對(duì)洛倫茲力產(chǎn)生條件、研究方法的認(rèn)識(shí)與理解；(2)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)新物理知識(shí)的學(xué)習(xí)能力，從方法論的角度體味研究物理問(wèn)題的途徑。

情感、態(tài)度與價(jià)值觀：(1)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理規(guī)律客觀性和科學(xué)性的認(rèn)識(shí)；(2)在研究物理問(wèn)題中體會(huì)物理學(xué)研究思想的價(jià)值；(3)體會(huì)物理學(xué)與現(xiàn)實(shí)生活、自然社會(huì)的聯(lián)系；(4)認(rèn)識(shí)交流、合作的重要性，有主動(dòng)與他人合作的精神。

重點(diǎn)：洛倫茲力的大小、方向

難點(diǎn)：洛倫茲力大小的理論推導(dǎo)、左手定則

教具：陰極射線(xiàn)管、低壓氣體發(fā)光管、高壓感應(yīng)圈、學(xué)生電源、高強(qiáng)磁鐵、靜電感應(yīng)起電機(jī)、亥姆霍茲線(xiàn)圈、絕緣棒、錫箔小球、細(xì)銅絲、鐵架臺(tái)等

新課引入

“判天地之美，格物以致知”，很高興同大家繼續(xù)探索電與磁的世界。

1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特在一次偶然的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：通電導(dǎo)線(xiàn)可以對(duì)附近的小磁針產(chǎn)生力的作用。受此啟發(fā)，法國(guó)物理學(xué)家安培研究后證實(shí)：磁場(chǎng)對(duì)放入其中的通電導(dǎo)線(xiàn)有力的作用。不妨讓我們從電與磁相互作用的角度進(jìn)行一下推想：既然磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用，那么，磁場(chǎng)對(duì)電荷是否也有力的作用呢?

1洛倫茲力產(chǎn)生的條件

(師)先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：一根細(xì)長(zhǎng)的金屬絲跨過(guò)絕緣棒，一端懸掛一個(gè)錫箔紙做的輕質(zhì)小球，另一端連接靜電感應(yīng)起電機(jī)(如圖1)。搖動(dòng)起電機(jī)：小球下方的金屬箔片張開(kāi)，小球帶了電。

再看，絕緣棒上還懸有另一個(gè)相同的錫箔小球，也同感應(yīng)起電機(jī)相連并帶了電。將一根條形磁鐵輕輕地靠近帶電小球，大家觀察：小球依然靜止。據(jù)此，大家能夠得到什么結(jié)論?

(生)磁場(chǎng)對(duì)靜止的電荷沒(méi)有力的作用。

(師)既然磁場(chǎng)對(duì)靜止的電荷沒(méi)有力的作用，那么，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的電荷呢?

大家看，展示平臺(tái)上的儀器叫做球形陰極射線(xiàn)管。玻璃泡抽成真空。內(nèi)置一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的小風(fēng)車(chē)。射線(xiàn)管兩極的連線(xiàn)上總會(huì)出現(xiàn)風(fēng)車(chē)的風(fēng)葉。射線(xiàn)管接上高壓電源后，電子沿直線(xiàn)從陰極運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極。

打開(kāi)電源，大家觀察：風(fēng)車(chē)的葉片發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)(如圖2(a))。什么原因使風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)?

(生)運(yùn)動(dòng)的電子撞擊葉片時(shí)對(duì)葉片產(chǎn)生了力的作用。

(師)分析得很好。再看，我們?cè)谏渚€(xiàn)管的陰極加上一塊高強(qiáng)磁鐵。大家再觀察，風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否發(fā)生了變化?

(生)風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生改變(如圖2(b))。

(師)風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)向?yàn)楹螘?huì)發(fā)生變化?

(生)可能是由于磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子產(chǎn)生了力的作用，使粒子運(yùn)動(dòng)的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

(師)對(duì)。磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的電荷可以產(chǎn)生力的作用，我們把這種力稱(chēng)為洛倫茲力，以紀(jì)念荷蘭著名物理學(xué)家洛倫茲(展示洛倫茲照片)。洛倫茲是上世紀(jì)著名的物理學(xué)家，不僅在經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域中有卓越建樹(shù)，在相對(duì)論的創(chuàng)建過(guò)程中亦起到了非常重要的作用。同其它的力一樣，洛倫茲力也有三個(gè)要素：大小、方向和作用點(diǎn)。接下來(lái)就讓我們研究洛倫茲力的大小和方向。

2洛倫茲力的大小及研究方法

(師)在我們研究洛倫茲力之前，大家能否根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)，大膽地推測(cè)一下：洛倫茲力可能同哪些因素有關(guān)?

(生)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、電子束的長(zhǎng)度、電子的運(yùn)動(dòng)速度……

(師)大家的猜想很好?？墒牵捎谥袑W(xué)階段實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們無(wú)法用實(shí)驗(yàn)的方法將大家的猜想一一進(jìn)行驗(yàn)證。物理學(xué)上，除了實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)于物理規(guī)律的研究還有另一種方法：理論推導(dǎo)。

著名物理學(xué)家費(fèi)曼講：科學(xué)是一種方法。前面學(xué)過(guò)一種研究磁場(chǎng)力的方法：用電流元研究安培力。如果找到了電流同運(yùn)動(dòng)電荷的關(guān)系，是不是就可以用研究安培力的方法來(lái)研究洛倫茲力?那么，電流同運(yùn)動(dòng)電荷有關(guān)系嗎?

(生)運(yùn)動(dòng)的電荷形成電流。

(師)對(duì)。電流形成的本質(zhì)是電荷的定向移動(dòng)，為了研究的方便，我們都把電流的形成看成是正電荷的移動(dòng)。那么，這些定向移動(dòng)的電荷受到的洛倫茲力是否都相同呢?說(shuō)說(shuō)你的看法。

(生)應(yīng)該相同，因?yàn)檫@些運(yùn)動(dòng)的電荷電荷量相同，磁場(chǎng)相同，運(yùn)動(dòng)的速度也相同。

(師)分析得很透徹。微觀電荷的集體定向移動(dòng)形成電流，它在宏觀上受到安培力的作用。而微觀的層面，運(yùn)動(dòng)的電荷只受到洛倫茲力的作用。我們可以說(shuō)：安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，洛倫茲力是安培力的微觀解釋(演示FLASH)。這種關(guān)系猶如：一本書(shū)的重力是每頁(yè)紙重力的宏觀表現(xiàn)，每頁(yè)紙的重力是整本書(shū)重力的微觀解釋。那么，你能根據(jù)這種關(guān)系，找出安培力和洛倫茲力的定量關(guān)系嗎?

(生)一段導(dǎo)體受到的安培力等于洛倫茲力乘上電荷的總數(shù)。

(師)對(duì)。接下來(lái)，大家就以各小組為單位，用這種方法推導(dǎo)一下洛倫茲力的大小。

(學(xué)生討論后，用展示平臺(tái)展示結(jié)果)

f_洛=qυB。

(師)大家推導(dǎo)得很好?，F(xiàn)在大家看，我們推導(dǎo)的時(shí)候有一個(gè)隱含的條件：速度同磁場(chǎng)的方向相互垂直。那么，是不是運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場(chǎng)中一定會(huì)受到洛倫茲力的作用呢?

(生)……

(展示平臺(tái)上展示亥姆霍茲線(xiàn)圈)

(師)大家看到的這套裝置有兩個(gè)平行的大圓環(huán)。它們實(shí)際上是兩組線(xiàn)圈，通以相同方向的電流，線(xiàn)圈間會(huì)形成一個(gè)平行于軸線(xiàn)方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可以通過(guò)電流旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。

將陰極射線(xiàn)管沿垂直于磁場(chǎng)的方向放人磁場(chǎng)，大家看：電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，線(xiàn)圈間有磁場(chǎng)(如圖3(a))。接下來(lái)，調(diào)節(jié)陰極射線(xiàn)管的位置：將陰極射線(xiàn)管沿磁場(chǎng)方向放置(如圖3(b))。不斷調(diào)節(jié)電流控制旋鈕，大家觀察：電子束還會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)嗎?由此，你又能夠得到什么結(jié)論呢?

(生)當(dāng)電荷的運(yùn)動(dòng)方向同磁場(chǎng)平行時(shí)，電荷不受洛倫茲力。

(師)我們學(xué)到了：電荷運(yùn)動(dòng)方向同磁場(chǎng)平行時(shí)不受洛倫茲力，同其垂直時(shí)所受洛倫茲力大小為f_洛=qυB。那么一般情形下的狀況(如圖4)，大家如何進(jìn)行分析呢?

(生)將電荷的速度在平行和垂直于磁場(chǎng)兩個(gè)方向上進(jìn)行分解，只有垂直的速度分量能夠產(chǎn)生洛倫茲力，最后的結(jié)果應(yīng)該是廠f_洛=qυBsinθ。

(師)分析得很好，我們接下來(lái)看洛倫茲力的

方向。

3洛倫茲力的方向

(師)我們繼續(xù)用研究安培力的方法來(lái)研究洛倫茲力。已知通電電流和磁場(chǎng)的方向，我們能否用具體的方法判斷出安培力的方向，說(shuō)說(shuō)看?

(生)用左手定則。讓磁感線(xiàn)垂直穿過(guò)手心，四指指向電流的方向，大拇指的指向就是安培力的方向。

(師)很好。那我們比較一下洛倫茲力同安培力吧(如圖5)。電流的方向同正電荷定向移動(dòng)的方向是一樣的，安培力同洛倫茲力的方向一樣，相同的磁場(chǎng)。大家觀察，能否也用左手定則來(lái)判斷濟(jì)倫茲力的方向?

(生)可以。

(師)那四指的指向表示什么?

(生)正電荷移動(dòng)的方向。

(師)很好，如果是負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)呢?

(生)四指指向正電荷的運(yùn)動(dòng)方向，同負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的方向相反。

4洛倫茲力的應(yīng)用

(師)最后，讓我們看一下洛倫茲力同我們生活的聯(lián)系吧(展示電視機(jī)顯像管的原理圖)。日常生活中的電視機(jī)中，電子束通過(guò)一個(gè)通電的線(xiàn)圈，線(xiàn)圈形成磁場(chǎng)，電子在洛倫茲力的作用下進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，這才有了我們看到的電視畫(huà)面。

再有，地球有把“磁保護(hù)傘”。我們的“鄰居”太陽(yáng)很不安分，不斷地向四周發(fā)射大量的高能帶電粒子。而日常生活中，我們卻極少受到這些高能帶電粒子的影響。原因就是：地球自身有個(gè)磁場(chǎng)，當(dāng)帶電粒子進(jìn)入地球的磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)受到洛倫茲力的作用，從而向偏離地球的方向運(yùn)動(dòng)。很多藝術(shù)家受此啟發(fā)，拍攝了很多科幻電影(展示電影《地心末日》劇照，如圖6)，用來(lái)描述地磁場(chǎng)消失后對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生的災(zāi)難性后果。

不僅如此，地磁場(chǎng)和高能帶電粒子一起還為我們奉獻(xiàn)了地球上的一種自然奇觀：極光。少量的帶電粒子進(jìn)入地磁場(chǎng)后，在洛倫茲力作用下偏向南北兩極，同空氣發(fā)生劇烈作用后產(chǎn)生這夢(mèng)幻的景色。下面，老師就通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)給大家演示一下極光。

(挑選兩名同學(xué)戴上絕緣手套。一名同學(xué)將高壓電源的一級(jí)接到低壓放電管的一端，另一極接上放電針后接觸放電管的另一端。)

(師)我們通過(guò)低壓氣體放電來(lái)模擬高能太陽(yáng)粒子與大氣發(fā)生劇烈作用時(shí)的發(fā)光現(xiàn)象。再請(qǐng)另一位同學(xué)將磁鐵放在放電管上，大家觀察到什么現(xiàn)象?

(生)磁極附近發(fā)光強(qiáng)度更亮。(如圖7)

(師)很好，磁極附近的磁場(chǎng)最強(qiáng)，洛倫茲力就會(huì)使帶電粒子更多地聚集在磁場(chǎng)比較強(qiáng)的區(qū)域。大家再看一下地球的磁場(chǎng)(展示地磁場(chǎng))，能夠解釋極光為什么只出現(xiàn)在南、北兩極附近嗎?

(生)南北兩極附近磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)。

(師)大家分析得很細(xì)致。

課堂小結(jié)：

(師)本節(jié)課，我們學(xué)習(xí)了一種新的力——洛倫茲力，一種磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的力；采用了一種方法——類(lèi)比法，利用安培力的研究方法來(lái)研究洛倫茲力；使用了一對(duì)互補(bǔ)的研究方式——實(shí)驗(yàn)研究同理論推導(dǎo)相結(jié)合：體會(huì)到一種理念——理論同實(shí)際相結(jié)合。物理學(xué)總是以其特有的美感影響著我們，期待同大家的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

(本案例在設(shè)計(jì)時(shí)，得到了備課組陳剛、張華、王建等老師的支持與幫助，在此一并致謝。)