基于高中物理核心素養的教學設計

趙博

課堂教學設計可在分析課標和研讀教材的基礎上，以如何提升學生四個具體物理核心素養為教學設計思路建立的邏輯起點，明確教學內容，設置教學環節，選用教學素材和擇取教學方法。本文以人教版選修3-1第三章第6節“帶電粒子在勻強磁場中的運動”第一課時為例，以提升學生物理學科核心素養為指向進行教學設計。

一、立足經典模型分析，強化運動觀念

本課帶電粒子垂直進入勻強磁場做勻速圓周運動是電磁學教學中的經典物理模型，也是本課的重點。學生在必修二的學習中已經建立起勻速圓周運動的物理觀念，也在之前的學習中獲得了分析洛倫茲力大小和方向的基本知識，因此本課中分析帶電粒子垂直進入勻強磁場的運動情況，實際上是對已有運動觀念的強化和復習鞏固，學生有能力獨立判斷和進行相關推導。教師只需要提出問題，學生對問題獨立的分析，就能夠達到強化已有運動觀念的目的。

【教學片段1】帶電粒子在勻強磁場中的運動性質（兩種特殊情況）

復習回顧：如何判斷洛倫茲力的方向？如何計算洛倫茲力的大小？

學生回答：利用左手定則判斷洛倫茲力方向；洛倫茲力大小需要考慮v與B的方向，兩種比較特殊的情況是，當v∥B 時F=0，當v⊥B時F=qvB。

提出新問題：根據帶電粒子的初速度和受力情況（忽略重力），分析以上兩種情況，帶電粒子在磁場中做怎樣的運動？

學生討論、分析：當v∥B時，帶電粒子在勻強磁場中做勻速直線運動。當v⊥B時，帶電粒子在勻強磁場中做圓周運動（勻速圓周運動）。

實驗驗證：介紹洛倫茲力演示儀結構，說明勵磁電流旋鈕和加速電壓旋鈕的作用，分析兩個大線圈接通勵磁電流后在線圈中間電子槍位置產生的磁場的方向。

①不加磁場時，觀察電子的運動軌跡。

②給勵磁線圈通電，使玻璃泡處于垂直線圈平面向內的磁場中。觀察電子的運動軌跡。

實驗結論：帶電粒子在v⊥B時在勻強磁場中做圓周運動。

追問：這種圓周運動是不是勻速圓周運動？利用已學知識對你的觀點進行論證。

引導學生分別從運動、受力和能量角度論證。

通過理論分析得出結論：帶電粒子垂直進入勻強磁場中做勻速圓周運動。

二、利用演示實驗論證，參與科學探究

本節課中洛倫茲力演示儀的演示實驗可以幫助學生在抽象、微觀的粒子運動的學習中獲得必要的直觀感性認識，為學生的理論推理提供一些實證經驗。為了讓學生在課堂中能獲得更豐富的參與科學探究的體驗，筆者選擇通過“遇到實際問題—猜想問題成因—實驗驗證猜想—尋找理論依據”的方式來完成這部分教學任務。

【教學片段2】帶電粒子在勻強磁場中勻速圓周運動的半徑r與v和B的關系

實際問題（帶電粒子垂直進入勻強磁場中運動的一項實際應用）：在探測粒子衰變等科學研究中會用到氣泡室來看帶電粒子運動的徑跡。簡介氣泡室顯示粒子徑跡的原理。分析教材插圖（100頁圖3.6-3）單獨看某一粒子的徑跡，并不是圓周運動，粒子曲線運動的曲率半徑在逐漸變小，這可能是什么原因造成的？

學生思考、討論。有的學生能給出氣泡室中運動的粒子受阻力動能減小，速度減小，可能使圓周運動半徑變化。

問題猜想：帶電粒子在磁場中勻速圓周運動的半徑可能與哪些因素有關？（學生可能認為與速度大小、磁感應強度、粒子種類有關）

實驗驗證：在現有洛倫茲力演示儀只能提供電子一種帶電粒子的情況下，學生根據自己的猜想小組討論設計實驗方案，寫出實驗條件、具體操作步驟、要觀察的內容。請一組同學分享自己的實驗設計方案，其他組補充和完善方案。完成實驗操作。

得到實驗結論：電子在勻強磁場中的勻速圓周運動（v⊥B），圓周運動半徑r與電子速率v和磁感應強度B有關。B一定時，v越大，r越大；v一定時，B越大，r越小。

尋找理論依據：能否從理論上尋找r與v、B的關系。引導學生從解決勻速圓周運動問題的基本方法角度，分析合力提供向心力，推導r=mv/qB。

驗證猜想：通過實驗和理論兩種方法驗證學生的猜想，解釋氣泡室這個粒子曲線運動曲率半徑減小的問題。

三、創設具體問題情境，促進科學思維

本節課教學的各個環節都是調動學生科學思維的過程，但靈活的建模、推理和解決復雜問題需要規范要求的訓練和思維流程的熟練，也需要教師提供具體的情境和問題，讓學生在問題中將抽象的物理模型具體化。在具體問題的解決過程中，學生的思維得到錘煉，從而能提升學生綜合、應用、推理的能力。

【教學片段3】帶電粒子在勻強磁場中勻速圓周運動的應用

在實際的研究中，往往比較容易通過氣泡室等儀器獲得粒子運動半徑r的信息，也能夠通過控制得到B的大小，根據推出的r=mv/qB定量關系，在已知粒子種類的情況下就可以分析到粒子運動速度v的大小。

應用1：圓形區域內有垂直紙面向內的勻強磁場，三個質量和電荷量都相同的帶電粒子a、b、c，以不同的速率對準圓心O沿著AO方向射入磁場，其運動軌跡如圖。若帶電粒子只受磁場力的作用，下列說法錯誤的是（ ）

A.三個粒子都帶正電荷

B.c粒子速率最小

C.它們做圓周運動的周期Ta =Tb=Tc

D.c粒子在磁場中運動時間最短

學生在分析CD兩個選項時，同時完成了T=2πm/qB的推導，并分析周期T與粒子運動速率無關，為后續回旋加速器原理的學習做鋪墊。

應用2：如圖所示，離子從離子源緩慢飄入電壓U的電場加速，再進入磁感應強度為B的勻強磁場中，沿半圓周運動而到達記錄它的照相底片上，測得它在P點的位置到入口處距離為L，則該離子的荷質比多大？

學生解決問題。教師歸納：粒子圓周運動的半徑是可以通過照相底片、氣泡室等方法測量，直接測得半徑r，通過計算可以間接得到不容易直接測量出的粒子的q/m，本課所進行的推導在科學研究中有實際意義。

四、體會人類進步歷程，激發科學責任

本節課中作為知識應用的質譜儀在地質年代測定、同位素失蹤分析等很多領域有廣泛的應用，通過對質譜儀相關應用和物理學史內容的介紹，能夠讓學生感受物理推動科技與時代的進步，滲透正確的科學態度。質譜儀的巧妙設計也能從一定程度上激發學生的科學責任感。

【教學片段4】質譜儀對人類進步的貢獻

提供質譜儀相關介紹：在應用2中通過照相底片測得半徑r，從而間接測出不容易直接測量出的粒子的q/m，這是真實的微觀粒子研究中的質譜儀的基本原理。歷史上，阿斯頓用質譜儀發現了氖20和氖22，證實了同位素的存在，質譜儀是測量粒子質量和分析同位素的重要工具。其他科學課程學習可以知道，同位素可用于地質年代測定，可作為示蹤原子等，它有很廣泛的應用，質譜儀也因此廣泛應用在這些領域。

激發學生的科學責任：這樣精妙的設計解決了人類微觀粒子研究中對粒子荷質比測量的一些困難，質譜儀的設計和改造將知識轉化為技術推動了人類的進步，這其中需要思考、需要嘗試，也需要堅持。希望同學們也能具有這樣優秀的科學品質，有所學更有所用。

教學小結：當v∥B時，帶電粒子在勻強磁場中做勻速直線運動。當v⊥B時，帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動。

思考問題：v與B既不垂直又不平行時粒子在勻強磁場中將做怎樣的運動？

學生類比洛倫茲力和安培力大小的學習過程，提出將速度分解為平行和垂直磁感應強度兩個方向，得到粒子可能螺旋式向前運動。

拓展實驗論證：將洛倫茲力演示儀中真空室旋轉一定角，讓學生觀察電子速度v與勻強磁場磁感應強度B既不垂直又不平行時的軌跡，論證學生理論分析的正確性。