《人教版選修3—1磁場(chǎng)對(duì)電荷的作用力》教學(xué)設(shè)計(jì)

【摘 要】本文闡述《人教版選修 3-1 磁場(chǎng)對(duì)電荷的作用力》的一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課，講解運(yùn)用示波器、條形磁鐵進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程，通過(guò)“觀(guān)察—猜想—實(shí)驗(yàn)—分析—總結(jié)”的思維方法使學(xué)生總結(jié)出洛倫茲力方向的判斷方法，掌握洛倫茲力的方向特征，順利地完成教學(xué)任務(wù)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

【關(guān)鍵詞】磁場(chǎng) 電荷 洛倫茲力 教學(xué)設(shè)計(jì)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）03B-0101-03

在物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，是科學(xué)育人價(jià)值的重要體現(xiàn)。新課標(biāo)改革的理念之一，就是要求在課堂教學(xué)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，而實(shí)驗(yàn)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要緯度。在物理教學(xué)中，將實(shí)驗(yàn)與科學(xué)探究有效地結(jié)合起來(lái)成了新課改的主旋律。為此在物理教學(xué)中應(yīng)盡可能地將傳統(tǒng)教學(xué)改變?yōu)閷?shí)驗(yàn)探究式的教學(xué)。因此教師應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的教學(xué)情況，選擇合適的探究實(shí)驗(yàn)，并對(duì)探究過(guò)程進(jìn)行合理規(guī)劃，引導(dǎo)學(xué)生順利進(jìn)行科學(xué)探究，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)。本節(jié)課就是基于該思想設(shè)計(jì)的一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課。

〖教學(xué)目標(biāo)〗

一、知識(shí)與技能

1.知道什么是洛倫茲力。

2.能夠應(yīng)用左手定則判斷洛倫茲力的方向。

二、過(guò)程與方法

1.通過(guò)“觀(guān)察—猜想—實(shí)驗(yàn)—分析—總結(jié)”的思維方法使學(xué)生總結(jié)出洛倫茲力方向的判斷方法，掌握洛倫茲力的方向特征。

2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，掌握用左手定則判斷洛倫茲力方向的方法。

三、情感與價(jià)值觀(guān)

1.讓學(xué)生感受和體會(huì)“觀(guān)察—猜想—實(shí)驗(yàn)—分析—總結(jié)”這個(gè)最基本的科學(xué)研究的思維方法。

2.培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

〖教材分析〗

1.教材直接給出結(jié)論：洛倫茲力的方向可以用左手定則進(jìn)行判斷，并直接陳述說(shuō)明實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明結(jié)論是正確的。故本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該是向?qū)W生展示這個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)具體是什么，而探究實(shí)驗(yàn)就是最好的選擇。

2.學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究并驗(yàn)證左手定則，既可以用來(lái)判斷安培力的方向，又可以用來(lái)判斷洛倫茲力的方向，認(rèn)識(shí)和理解洛倫茲力與安培力的內(nèi)在聯(lián)系。

3.本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)放在探究實(shí)驗(yàn)和洛倫茲力的方向規(guī)律，洛倫茲力的大小推導(dǎo)留給學(xué)生課后思考，并作為下一節(jié)課的主要內(nèi)容。

4.本節(jié)課運(yùn)用類(lèi)比方法建立模型：極光現(xiàn)象→陰極射線(xiàn)管（建模過(guò)程）→示波管（建模過(guò)程）。如果能通過(guò)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，找到了示波管中的電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方向的規(guī)律，那么就能解釋極光現(xiàn)象為什么只發(fā)生在極地地區(qū)的原因。

〖教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)〗

一、新課引入

【師】同學(xué)們，你們見(jiàn)過(guò)極光嗎？

【生】沒(méi)有。

【師】好，那我?guī)ьI(lǐng)你們一起去看極光。

【師】播放帶有解說(shuō)詞的《極光》視頻—— 極光是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象，其發(fā)生是由于太陽(yáng)的高能帶電粒子流進(jìn)入地球磁場(chǎng)，在地球南北兩極附近地區(qū)的高空，夜間出現(xiàn)的燦爛美麗光輝的現(xiàn)象。地球的極光是由太陽(yáng)的高能帶電粒子流與高層大氣分子撞擊而產(chǎn)生的。

【師】提出問(wèn)題：

1.極光的產(chǎn)生需要什么條件？

2.極光現(xiàn)象為什么只發(fā)生在極地地區(qū)？

二、實(shí)驗(yàn)器材介紹，提出探究目標(biāo)

【師】同學(xué)們，要想了解極光現(xiàn)象，我們可以從研究下面這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始。地磁場(chǎng)對(duì)高能粒子的作用比較復(fù)雜，但我們可以在實(shí)驗(yàn)室中利用實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，總結(jié)并發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，找出產(chǎn)生極光的原因。

【實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)意圖及思路】運(yùn)用類(lèi)比方法建立模型。高能粒子產(chǎn)生的極光現(xiàn)象與陰極射線(xiàn)管中電子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)類(lèi)似（建模過(guò)程），陰極射線(xiàn)管中電子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)又與示波管中的電子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)類(lèi)似（建模過(guò)程）。如果能通過(guò)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，找到了示波管中的電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方向的規(guī)律，那么就能解釋極光現(xiàn)象為什么只發(fā)生在極地地區(qū)的原因。

【師】介紹陰極射線(xiàn)管：從陰極發(fā)射出來(lái)的電子，在陰陽(yáng)兩極間的高壓作用下，使其加速，形成電子束，轟擊到長(zhǎng)條形的熒光屏上激發(fā)熒光，可以顯示電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡（如圖甲所示）。

【師】同學(xué)們，下面老師用陰極射線(xiàn)管做演示實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)大家注意觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，電子束沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；如果把射線(xiàn)管放在蹄形磁鐵的兩極間，熒光屏上顯示電子束運(yùn)動(dòng)的軌跡就發(fā)生了彎曲（如圖乙、丙所示）。

【師】同學(xué)們，這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么問(wèn)題？

【生】運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到力的作用。

【師】對(duì)，運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到力的作用，這就是我們這節(jié)課要研究的內(nèi)容。

【板書(shū)一】洛倫茲力的定義

磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力叫洛倫茲力。

【師】同學(xué)們，上面的實(shí)驗(yàn)中陰極射線(xiàn)管與示波器中的示波管原理類(lèi)似，我們也可以用波器中的示波管來(lái)做電子的偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)單介紹示波器中的示波管：示波器外殼被打開(kāi)，不加水平和豎直偏轉(zhuǎn)電壓，使電子束打在熒光屏的正中央；用條形磁鐵（外面用白紙包好，防止學(xué)生記住磁場(chǎng)方向和電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)關(guān)系，不利于自主探究）一端分別放在示波管中的上、左、右位置，如圖所示，發(fā)生光斑偏轉(zhuǎn)。

【師】同學(xué)們，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么磁場(chǎng)方向、電荷運(yùn)動(dòng)方向、洛倫茲力方向三者的關(guān)系是怎么的呢？這就是我們接下來(lái)要探究的內(nèi)容。

三、探究實(shí)驗(yàn)，自主學(xué)習(xí)

【實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)】探究磁場(chǎng)方向、電荷運(yùn)動(dòng)方向、洛倫茲力方向三者的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)出規(guī)律。

【實(shí)驗(yàn)器材】（1）條形磁鐵 1 根；（2）示波器 1 個(gè)（沒(méi)有加水平和豎直偏轉(zhuǎn)電壓，且光斑已經(jīng)調(diào)整到熒光屏的正中央，老師課前調(diào)整好），帶有表格的空白實(shí)驗(yàn)記錄紙 1 張。

【分組實(shí)驗(yàn)】2 人一組，自主實(shí)驗(yàn)和探究。

【師】同學(xué)們，現(xiàn)在我們每個(gè)桌子上都放有已經(jīng)調(diào)整好的示波器，且光斑已經(jīng)調(diào)整到熒光屏的正中央，請(qǐng)同學(xué)們不要調(diào)整示波器面板上的調(diào)節(jié)旋鈕。每個(gè)桌子上還有一根條形磁鐵，還有一張帶有表格的白紙。請(qǐng)同學(xué)們用所給的實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，并請(qǐng)同學(xué)們把電子受力方向和條形磁鐵的位置關(guān)系畫(huà)在試驗(yàn)記錄的白紙上。然后找出磁場(chǎng)方向、電荷運(yùn)動(dòng)方向、洛倫茲力方向三者的關(guān)系。下面請(qǐng)每組同學(xué)開(kāi)始通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探究。

【師】在學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究期間，老師來(lái)回巡視。

【師】同學(xué)們，我看到每組同學(xué)差不多都探究完畢，下面找一組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)記錄與大家分享，想和大家一起分享的請(qǐng)舉手。同學(xué)們紛紛舉手，老師找一組實(shí)驗(yàn)記錄用實(shí)物投影儀投影到屏幕上，如圖所示（基本上每個(gè)組都能畫(huà)出類(lèi)似圖形）。

【師】同學(xué)們，通過(guò)實(shí)物投影儀顯示的磁場(chǎng)方向和受力方向，結(jié)合電子運(yùn)動(dòng)方向，誰(shuí)能發(fā)現(xiàn)三者存在的關(guān)系？找到規(guī)律的請(qǐng)舉手示意。

【師】請(qǐng)甲生來(lái)說(shuō)一下你發(fā)現(xiàn)的三者存在的關(guān)系？

【甲生】我通過(guò)分析發(fā)現(xiàn) F 既垂直于 B，又垂直于 v，和上節(jié)安培力方向的判斷類(lèi)似，F(xiàn)、B、v 的關(guān)系也遵守左手定則。

【師】既然也遵守左手定則，請(qǐng)甲同學(xué)說(shuō)一下正、負(fù)電荷如何用左手定則來(lái)判斷受力方向。

【甲生】因?yàn)檎姾傻倪\(yùn)動(dòng)方向是電流方向，負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反向就是電流方向，所以用左手定則時(shí)，如果是正電荷，四指指向與運(yùn)動(dòng)電荷相同，負(fù)電荷時(shí)四指指向與運(yùn)動(dòng)電荷相反，并且 F 既垂直于 B，又垂直于 v，垂直 B 和 v 決定的平面。

【師】這位同學(xué)總結(jié)得非常好，大家給予掌聲鼓勵(lì)。

【師】請(qǐng)同學(xué)們思考一個(gè)問(wèn)題，帶電粒子在什么情況下的磁場(chǎng)中不受洛倫茲力。知道的請(qǐng)回答。

【乙生】老師，探究實(shí)驗(yàn)時(shí)我們組已經(jīng)做過(guò)該實(shí)驗(yàn)了，當(dāng)條形磁鐵垂直熒光屏的斑點(diǎn)時(shí)，斑點(diǎn)基本上不偏轉(zhuǎn)。

【師】是嗎，為什么會(huì)這樣呢？

【乙生】當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)方向沿磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不受力的作用，這也遵守左手定則啊。

【師】回答得非常好。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

【師】同學(xué)們，通過(guò)我們大家探究發(fā)現(xiàn)，洛倫茲力方向也可以用左手定則進(jìn)行判斷。

左手定則：伸開(kāi)左手，使拇指與其余四指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)；讓磁感線(xiàn)從掌心進(jìn)入，并使四指指向正電荷的運(yùn)動(dòng)方向，這時(shí)拇指所指的方向就是運(yùn)動(dòng)的正電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向。

【師】注意用左手定則判斷洛倫茲力方向時(shí)，四指應(yīng)該與正電荷的運(yùn)動(dòng)方向相同或與負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)方向相反。

【板書(shū)二】洛倫茲力的方向

1.判斷方法：左手定則。

（1）手心：讓磁感線(xiàn)穿過(guò)手心；

（2）四指：與正電荷運(yùn)動(dòng)方向同向，與負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向反向；

（3）拇指：與四指垂直，則拇指方向就是洛倫茲力的方向。

2.方向特征：洛倫茲力 F 既垂直于 B，又垂直于 v，垂直 B、v 決定的平面。

五、規(guī)律應(yīng)用

【師】同學(xué)們，哪位同學(xué)愿意到講臺(tái)來(lái)，到講臺(tái)后老師才給你出題，要求該同學(xué)短暫思考后進(jìn)行動(dòng)手操作，判斷出電子束運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)方向，必須一次成功，不允許反復(fù)嘗試（多數(shù)同學(xué)舉手）。

【丙生】上臺(tái)后，老師出題：讓光斑向下偏轉(zhuǎn)。丙生邊思考，邊用左手比畫(huà)，用條形磁鐵操作一次性成功。

【師】同學(xué)們，那么為什么極光現(xiàn)象只發(fā)生在極地地區(qū)？老師解釋開(kāi)頭的極光現(xiàn)象。

六、課堂小結(jié)

【師】同學(xué)們，通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們應(yīng)該掌握以下內(nèi)容：

1.磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力叫洛倫茲力。

2.洛倫茲力的方向可以用左手定則來(lái)判斷。

七、課后作業(yè)

1.思考洛倫茲力和安培力的關(guān)系。

2.洛倫茲力的大小怎么計(jì)算。

這正是我們下節(jié)課要解決的問(wèn)題。

八、板書(shū)設(shè)計(jì)

§5 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力

（一）洛倫茲力的定義

磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力叫——洛倫茲力。

（二）洛倫茲力的方向

1.判斷方法：左手定則。

（1）手心：讓磁感線(xiàn)穿過(guò)手心；

（2）四指：與負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向反向；與正電荷運(yùn)動(dòng)方向同向；

（3）拇指：與四指垂直，則拇指方向既洛倫茲力的方向。

2.方向特征：洛倫茲力 F 既垂直于 B，又垂直于 v。

〖注〗2017 年 10 月 27 日，第五屆西部九省名校聯(lián)盟教學(xué)研討會(huì)在南寧二中舉行。本課是南寧二中全組共同研磨的一節(jié)高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)探究課，這節(jié)課在西部九省名校聯(lián)盟教學(xué)研討會(huì)中作為研討示范課得以展示。該課得到與會(huì)近百位物理老師及專(zhuān)家高度評(píng)價(jià)，本文作者整理后呈現(xiàn)給大家。

【作者簡(jiǎn)介】付同森，中學(xué)物理高級(jí)教師，中學(xué)物理特級(jí)教師，現(xiàn)就業(yè)于南寧市第二中學(xué)，多年任教實(shí)驗(yàn)班，高考成績(jī)非常突出，培養(yǎng)出清華、北大學(xué)生多名，培養(yǎng)出自治區(qū)物理奧林匹克競(jìng)賽一等獎(jiǎng)多名，發(fā)表省級(jí)、國(guó)家級(jí)論文 20 多篇。