由洛倫茲力演示實(shí)驗(yàn)引發(fā)的教學(xué)資源創(chuàng)新

吳瑋佳

（南京師范大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇 南京 210000）

教學(xué)資源作為課堂教學(xué)中的重要素材，其設(shè)計(jì)、組織與運(yùn)用都圍繞著教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，其中就包括培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).［1，2］以真實(shí)的問(wèn)題情境作為素材運(yùn)用在教學(xué)中，能夠充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，給學(xué)生充足的空間形成猜想，并制訂方案驗(yàn)證猜想，從而開(kāi)展完整、有效的科學(xué)探究，在此過(guò)程中進(jìn)行模型建構(gòu)、科學(xué)推理與論證，培養(yǎng)科學(xué)思維.［3］

1 洛倫茲力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的新發(fā)現(xiàn)

在進(jìn)行“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”一節(jié)的備課時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)原本使用的陰極射線管中射出的電子束，在沒(méi)有外加磁鐵磁場(chǎng)的情況下會(huì)出現(xiàn)天然的彎曲（圖1所示電子束運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樽晕飨驏|）.

圖1 洛倫茲力實(shí)驗(yàn)

筆者猜想，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因可能是：

（1）底座內(nèi)部通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，或射線管金屬外殼被磁鐵磁化，使得電子束受到洛倫茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn).

（2）地磁場(chǎng)使電子束受到洛倫茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn).

針對(duì)上述兩種主要猜想，筆者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證如下.

① 為排除附近磁鐵對(duì)電子束的影響，將裝置移至周?chē)鷽](méi)有磁鐵的空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

② 保持管身不動(dòng)，改變底座的位置.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子束偏轉(zhuǎn)方向不隨管身與底座相對(duì)位置的變化而變化，由此排除猜想（1）.

③ 根據(jù)地磁場(chǎng)的分布情況可知，北半球地磁場(chǎng)的方向大致為自南向北，由上斜向下，結(jié)合電子的運(yùn)動(dòng)方向，由左手定則判斷電子束應(yīng)向南、向下偏轉(zhuǎn)，與電子束實(shí)際偏轉(zhuǎn)方向一致.

④ 將射線管反向放置，改變電子運(yùn)動(dòng)方向（自東向西），電子束向與③中相反的方向偏轉(zhuǎn)，與左手定則判斷的偏轉(zhuǎn)方向一致.

⑤ 調(diào)整電子束出射方向，使其與地磁場(chǎng)方向保持一致.觀察到調(diào)整過(guò)程中電子束的軌跡逐漸趨于直線，當(dāng)調(diào)至大致沿磁感線方向時(shí)，軌跡基本為直線，如圖2所示.

圖2 洛倫茲力實(shí)驗(yàn)

⑥ 結(jié)合數(shù)據(jù)：電子帶電荷量為1.6×10－19C，質(zhì)量約為9×10－31kg，該陰極射線管的最大加速電壓為220 V，南京地區(qū)的磁傾角約為46°，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小約為5×10－5T，則電子在地磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑約為1.3 m，的確在射線管內(nèi)可以看到較為明顯的偏轉(zhuǎn).而外接高壓電源的陰極射線管（圖3）由于加速電壓高，電子出射速度大，軌跡半徑大，加之其是由電子束掠射在熒光板上顯示軌跡，因此觀察到的軌跡近乎直線.

圖3 陰極射線管

雖然上述方案較為簡(jiǎn)略，但綜合實(shí)驗(yàn)及理論分析，可對(duì)猜想（2）進(jìn)行佐證：電子束的偏轉(zhuǎn)原因符合地磁場(chǎng)對(duì)其影響的猜想.

2 結(jié)合實(shí)際現(xiàn)象與學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)資源創(chuàng)新設(shè)計(jì)

本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)為洛倫茲力的方向和大小，因此，新授內(nèi)容之后的課堂練習(xí)應(yīng)該突出這兩方面的內(nèi)容.筆者意圖將上述實(shí)際問(wèn)題設(shè)計(jì)為新的教學(xué)資源，以探究性問(wèn)題的形式在課堂中呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生在猜想與驗(yàn)證中回顧地磁場(chǎng)知識(shí)，分析判斷電子受到的洛倫茲力的方向，并將其編成一道例題，讓學(xué)生對(duì)洛倫茲力大小的計(jì)算進(jìn)行練習(xí).同時(shí)，題目情境又能夠引導(dǎo)教學(xué)自然地過(guò)渡到下一環(huán)節(jié)對(duì)洛倫茲力的應(yīng)用之一——極光的介紹上去.

根據(jù)上述設(shè)想，筆者將題目設(shè)計(jì)為模擬太陽(yáng)向地球發(fā)射高能粒子的情境，使用陰極射線管射出電子束的實(shí)際數(shù)據(jù)，讓學(xué)生判斷電子受到的洛倫茲力的方向，并計(jì)算洛倫茲力的大小.考慮到該例題是學(xué)生當(dāng)堂對(duì)新知識(shí)進(jìn)行的練習(xí)，題目情境應(yīng)清晰明了，意圖直指洛倫茲力的大小與方向兩方面.

例題設(shè)計(jì)如下.

3 創(chuàng)新教學(xué)資源對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的實(shí)踐效果

本節(jié)課按照先方向、后大小的順序?qū)β鍌惼澚M(jìn)行教學(xué)，接著引出該資源.教學(xué)片段如下.

師：請(qǐng)大家來(lái)觀察一個(gè)有意思的現(xiàn)象.老師課前在用這種陰極射線管做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電子束在沒(méi)有外加磁鐵磁場(chǎng)的情況下也會(huì)出現(xiàn)彎曲［展示現(xiàn)象（圖4）］，這是什么原因?qū)е碌模?/p>

圖4

大部分學(xué)生：地磁場(chǎng)影響.

個(gè)別學(xué)生：附近有磁場(chǎng).

師：在不知道磁場(chǎng)分布的情況下如何驗(yàn)證是否是附近磁體的磁場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生了作用？

生：盡可能使磁鐵遠(yuǎn)離射線管，或調(diào)轉(zhuǎn)磁鐵極性，看電子偏轉(zhuǎn)方向是否與之前相反.（演示實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電子偏轉(zhuǎn)情況不變）

師：如何驗(yàn)證是地磁場(chǎng)對(duì)電子的作用？

生：按地磁場(chǎng)方向判斷電子受到的洛倫茲力方向與實(shí)際偏轉(zhuǎn)方向是否一致.

師：一致的話就能說(shuō)明一定是地磁場(chǎng)的影響嗎？

生：好像也不一定.

師：但至少我們可以初步地進(jìn)行佐證.

下面我們將陰極射線管豎直放置，使電子由高處沿豎直方向射向地面，觀察電子束向哪里偏.

生：西.

師：能結(jié)合理論進(jìn)一步說(shuō)明嗎？（作圖5輔助學(xué)生思考）

圖5

生：地磁場(chǎng)在北半球方向由南向北，斜向下，地磁場(chǎng)平行于地面的分量使電子受到向西的洛倫茲力，與實(shí)際偏轉(zhuǎn)情況一致.

師：根據(jù)上述分析，我們至少可以認(rèn)為地磁場(chǎng)作用的猜想與實(shí)際現(xiàn)象不矛盾.老師收集了一些數(shù)據(jù)，請(qǐng)大家計(jì)算一下這種情境下電子受到的洛倫茲力大約有多大.（展示例題）

師：這么小的力為什么會(huì)產(chǎn)生如此明顯的偏轉(zhuǎn)呢？

生：電子質(zhì)量小，加速度很大.

師：請(qǐng)計(jì)算一下加速度是什么數(shù)量級(jí)的.

師：（展示矢量圖）當(dāng)然，如果要對(duì)帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的偏轉(zhuǎn)情況做出進(jìn)一步說(shuō)明，我們還需要用到下節(jié)課學(xué)習(xí)的內(nèi)容.

大家都知道，太陽(yáng)作為一個(gè)高能粒子源，時(shí)刻都在向外發(fā)射高能粒子.這些能量比陰極射線高得多的粒子如果直擊地球，將會(huì)對(duì)地球造成毀滅性的打擊.通過(guò)剛才的題目情境，你能解釋為什么地球沒(méi)有毀滅嗎？

生：粒子受到地磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的洛倫茲力使得運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，繞過(guò)地球.

師：不僅如此，地磁場(chǎng)還有使粒子向兩極匯聚的作用，這就產(chǎn)生了在兩極地區(qū)特有的現(xiàn)象——極光.

4 小結(jié)與思考

實(shí)際生活中的真實(shí)問(wèn)題作為潛在的資源，經(jīng)過(guò)挖掘與開(kāi)發(fā)，在課堂教學(xué)中可以起到多方面的作用.本文以“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”一節(jié)的教學(xué)為例，列舉備課過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，結(jié)合新高考形式和課堂教學(xué)設(shè)計(jì)素材，將問(wèn)題進(jìn)行多層次的應(yīng)用.不僅對(duì)新授知識(shí)進(jìn)行了及時(shí)的練習(xí)與運(yùn)用，還通過(guò)拋出問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究與模型建構(gòu)過(guò)程.自然地銜接了對(duì)洛倫茲力理論與應(yīng)用兩部分內(nèi)容的教學(xué)，同時(shí)引出對(duì)極光的介紹，并為下一節(jié)“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”埋下伏筆，讓學(xué)生有了一定的認(rèn)識(shí).在此過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與探究能力，凸顯物理學(xué)科的核心本質(zhì).