“運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力”教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)探研

韓先煌，寧榮鎖

（1.安徽省廣德中學(xué)，安徽 廣德 242200；2.安徽省廣德縣教育體育局，安徽 廣德 242200）

【教學(xué)用具】感應(yīng)圈、低壓直流電源（學(xué)生電源或蓄電池）、陰極射線管，蹄形永久磁鐵、導(dǎo)線若干。

【教法】實(shí)驗(yàn)演示、多媒體輔助教學(xué)。

【教學(xué)過(guò)程】

一、引入新課

教師在課前播放地磁場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)粒子作用的視頻及圖片。

教師：大家看到的現(xiàn)象是什么？學(xué)生：極光。教師：極光美嗎？學(xué)生：美！教師：在什么地方才能看到極光？學(xué)生：南北極。教師：為什么只能在南北兩極看到極光？學(xué)生感到為難。教師：那我們一起在教室里做一個(gè)極光好嗎？教師安裝好陰極射線管。教師：今天老師給同學(xué)們介紹一個(gè)乖寶寶——陰極射線管，還從哈利·波特那里借來(lái)了魔術(shù)棒，陰極射線會(huì)在魔術(shù)棒的指揮下，翩然起舞。教師演示，學(xué)生興趣盎然。教師：老師不用魔術(shù)棒，用老師的手指揮也可以。教師用帶著強(qiáng)磁鐵戒指的手指指揮陰極射線，效果依然。教師：想知道什么原因嗎？學(xué)生：想！接下來(lái)，教師展示了魔法棒和手指上的磁鐵戒指，學(xué)生恍然大悟。教師：同學(xué)們想體驗(yàn)一下嗎？?jī)蓚€(gè)學(xué)生上臺(tái)體驗(yàn)……教師引導(dǎo)：建立模型（磁場(chǎng)對(duì)陰極射線的偏轉(zhuǎn)作用），進(jìn)行研究。

二、新課教學(xué)

1.運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力——洛倫茲力

學(xué)生探究一：觀察磁場(chǎng)對(duì)陰極射線的偏轉(zhuǎn)作用（課本P95圖3.5-1）（幻燈片展示探究步驟）。一是不加磁場(chǎng)，觀察電子束的形狀；二是拿一個(gè)條形磁鐵或蹄形磁鐵靠近電子束，觀察電子束形狀的變化。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行歸納：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的電子有力的作用，該力使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)?？偨Y(jié)：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用，該力用荷蘭物理學(xué)家洛倫茲的名字來(lái)命名——洛倫茲力（展示洛倫茲的相關(guān)資料）。教師引導(dǎo)過(guò)渡：認(rèn)識(shí)一種新的力應(yīng)研究力的三要素。

2.洛倫茲力的方向

提出猜想：洛倫茲力的方向可能與哪些因素有關(guān)？學(xué)生探究二：觀察磁場(chǎng)對(duì)陰極射線的偏轉(zhuǎn)作用（課本P95圖3.5-2）（幻燈片展示探究步驟）。用一個(gè)蹄形磁鐵在電子束的路徑上加磁場(chǎng)，改變磁場(chǎng)方向，觀察電子束偏轉(zhuǎn)方向，判斷運(yùn)動(dòng)的電子在各種方向的磁場(chǎng)中的受力方向。比較洛倫茲力的方向與電子的運(yùn)動(dòng)方向及磁場(chǎng)的方向，思考并討論：該力的方向有什么特點(diǎn)？它跟我們?cè)?jīng)學(xué)過(guò)的什么力相似？你認(rèn)為這兩個(gè)力是否有關(guān)系？若有關(guān)系，有怎樣的關(guān)系？選取一個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示并引導(dǎo)討論：能否也用安培力的判斷方法（左手定則）來(lái)判定洛倫茲力的方向？（注意提醒學(xué)生，電荷有正負(fù)之分）教師總結(jié)：運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向，與運(yùn)動(dòng)（速度）方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向都垂直，它的指向同樣可以依照“左手定則”來(lái)判定（幻燈片展示“左手定則”的內(nèi)容并帶領(lǐng)學(xué)生動(dòng)手演示）幻燈片展示問(wèn)題：（1）若運(yùn)動(dòng)電荷帶負(fù)電，如何判斷洛倫茲力方向？（2）若v與B垂直，洛倫茲力方向怎樣？（3）若v與B平行，洛倫茲力方向怎樣？（4）若v與B既不垂直也不平行，洛倫茲力方向怎樣？教師總結(jié)：洛倫茲力總是垂直于v與B構(gòu)成的平面。（幻燈片展示F洛與v、B方向的關(guān)系）

練習(xí)：課本P98“問(wèn)題與練習(xí)”第1題。補(bǔ)充：教師講解：回顧我們發(fā)現(xiàn)用“左手定則”判定洛倫茲力方向的過(guò)程，與伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究時(shí)創(chuàng)造出的核心方法相同，都是把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理和諧地結(jié)合起來(lái)，體現(xiàn)出了物理學(xué)的“邏輯美”。請(qǐng)將這種“美”持續(xù)下去，繼續(xù)通過(guò)邏輯推理尋找洛倫茲力的大小與v和B的定量關(guān)系。

3.洛倫茲力的大小

學(xué)生探究三：課本P96“思考與討論”（幻燈片展示思維引導(dǎo)）。（1）時(shí)間t內(nèi)通過(guò)橫截面a的粒子數(shù)（N）是多少？（2）電流I與每個(gè)粒子電荷量q的定量關(guān)系是什么？（3）這段長(zhǎng)為vt的導(dǎo)線所受安培力F安是多少？（4）每個(gè)粒子受到的力（即洛倫茲力）是多少？（5）如此推導(dǎo)，v和B在方向上有什么要求？

小組代表展示討論結(jié)果，教師總結(jié)：電荷量為q的粒子以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，那么粒子受到的洛倫茲力為F洛=qvB，式中F洛、q、v、B的單位分別為N、C、m/s、T。

練習(xí)：電子的速率v=3.0×106m/s，沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入B=0.1 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，它受到的洛倫茲力是多大？電子的質(zhì)量m=9.1×10-31kg，它受到的重力是多大？（答案：F洛=4.8×10-14N，G=9.1×10-30N）

展示學(xué)生的解答，強(qiáng)調(diào)答題規(guī)范，并引導(dǎo)學(xué)生分析體會(huì)前面實(shí)驗(yàn)中忽略重力的原因。提問(wèn)：當(dāng)電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，是否受洛倫茲力呢？學(xué)生回答，教師總結(jié)：當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，受到的洛侖茲力等于零。提問(wèn)：當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向成θ角時(shí)，受到的洛倫茲力多大？學(xué)生討論，教師引導(dǎo)提示——分解速度v或磁感應(yīng)強(qiáng)度B。教師總結(jié)三種情況

4.洛倫茲力的作用效果

提問(wèn)：洛倫茲力的作用效果是什么？引導(dǎo)討論：課本P97“思考與討論”。總結(jié)：洛倫茲力的方向總是與電荷的速度方向垂直，因而它對(duì)電荷不做功，它不能改變速度大小，只能改變速度方向，即只能產(chǎn)生向心加速度。

5.洛倫茲力的應(yīng)用

教師引導(dǎo)學(xué)生詳細(xì)解釋極光現(xiàn)象的成因。教師講解：若將電子射線管中電子束打到的位置的玻璃管內(nèi)壁涂上熒光粉，并將管內(nèi)抽成真空，那么電子在屏上的落點(diǎn)就會(huì)發(fā)光。若再在電子運(yùn)動(dòng)的路徑上通過(guò)通電線圈加上適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，就可以使屏上各點(diǎn)都發(fā)光，電視顯像管就是應(yīng)用這個(gè)原理制成的。學(xué)生小組討論：課本P97“思考與討論”，小組代表展示討論結(jié)果。（幻燈片展示偏轉(zhuǎn)線圈的照片）教師對(duì)照偏轉(zhuǎn)線圈原理圖講解說(shuō)明電視顯像管中的掃描。

三、小結(jié)新課

提問(wèn)：本節(jié)課你學(xué)到了哪些知識(shí)？學(xué)到了哪些思維方法？還有哪些收獲？結(jié)課：物理無(wú)處不在，物理學(xué)的思維方法無(wú)處不在，物理學(xué)的美無(wú)處不在，愿每位同學(xué)多觀察、多思考、多動(dòng)手，在今后的學(xué)習(xí)中學(xué)有所成。

【課后鞏固】課本P98“問(wèn)題與練習(xí)”第3題、第4題

【教學(xué)反思】該教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)引入部分花的時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)別出心裁，能夠體現(xiàn)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。教師從激光現(xiàn)象引入，從《哈利·波特》故事引入，激光是美麗的大自然現(xiàn)象，《哈利·波特》是學(xué)生喜歡的電影，反映了物理與大自然、與文化生活的關(guān)系，所以我們說(shuō)物理離不開(kāi)生活，要從生活走向物理。有意思的是老師先用魔法棒指揮，后用手指揮，從而揭示魔法現(xiàn)象背后的本質(zhì)問(wèn)題。讓學(xué)生上講臺(tái)進(jìn)行體驗(yàn)，體現(xiàn)了教師尊重學(xué)生和教育教學(xué)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。該設(shè)計(jì)新穎別致，學(xué)生感到親切，探究知識(shí)和規(guī)律的欲望被點(diǎn)燃，后面再進(jìn)行探究或互動(dòng)，學(xué)生就比較主動(dòng)。

由實(shí)驗(yàn)引入新課后，讓學(xué)生猜測(cè)把磁鐵靠近時(shí)可能出現(xiàn)的情況，學(xué)生既容易完成，又培養(yǎng)了物理意識(shí)，還可以巧妙地利用磁場(chǎng)對(duì)電流的作用知識(shí)形成遷移，在不經(jīng)意間將判斷運(yùn)動(dòng)負(fù)電荷受洛倫茲力方向的問(wèn)題解決了。

對(duì)于公式的推導(dǎo)，可以根據(jù)實(shí)際情況決定是由學(xué)生自己推導(dǎo)還是由老師引導(dǎo)推導(dǎo)。教學(xué)設(shè)計(jì)中，對(duì)于計(jì)算洛倫茲力、洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷是否做功讓學(xué)生討論比老師講解效果要好。