《磁場對運動電荷的作用》教學設計

鄒書云

摘要:本文采用假設-分析推理-實驗驗證的方法,引導學生觀察、交流討論、分析推理,進行教學設計,從而完成三個維度的教學目標。培養同學們的團結協作精神和相互合作的能力,應用知識解決實際問題的能力。

關鍵詞:洛倫茲力;情景;探究;設問;猜想;推理

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A文章編號:1003-6148(2009)11(S)-0022-3

本設計課題是人民教育出版社2006年12月第2版《全日制普通高級中學教科書》(必修加選修),物理第二冊第十五章第四節內容。

1 教學目標

1.1 知識與技能目標

(1)知道什么是洛倫茲力,理解電荷運動方向與磁感應強度方向平行時,電荷所受洛倫茲力最小,等于零;電荷運動方向與磁感應強度方向垂直時,電荷受到的洛倫茲力最大,等于qvB。

(2)會用公式解答實際生活中的有關問題。

(3)會用左手定則判定有關帶電粒子在磁場中受洛倫茲力方向的問題。

1.2 過程與方法目標

(1)通過假設——實驗證明的研究來培養同學們的科學思維能力和觀察能力。

(2)通過對公式的推導,培養學生的分析推理能力和應用知識能力。

1.3 情感態度與價值觀目標

(1)通過“設問——猜想——推理——實驗證明”來體會科學研究最基本的思維方法。

(2)培養同學們應用知識的能力和團結協作的精神。

(3)體會物理學習中的邏輯美,規律的統一美,聯系生活,感受自然美。

2 教學重點

(1)洛倫茲力的大小和方向判定。

(2)培養分析推理能力和應用知識的能力。

3 教學難點

(1)用左手定則判斷洛倫茲力的方向。

(2)培養學生的團結協作精神;體會物理學中的美。

4 教具

陰極射線管,條形磁鐵,蹄形磁鐵,舊電視機,多媒體課件等。

5 教學過程

5.1 課題引入

創設情景觀察、思考。

師:下面我們來做一個有趣的實驗。打開電視機,調好能看到清晰的圖像,看看圖像是什么樣的。(生:觀察)

師:演示,把用白紙包好的一根條形磁鐵棒靠近電視機熒光屏(請在家里一定不要模仿)。

生:圖像變形了。

師:為什么呢?難道這是一根“魔棒”嗎?把這根“魔棒”靠近小鐵塊。看這是什么?

生:磁鐵。

師:為什么用磁鐵靠近熒光屏就會產生這種現象呢?大家想知道這一奧秘嗎?(生:思考)

板書課題:

師:今天我們就一起來打開這個奧秘吧。磁場對運動電荷的作用力(板書)

5.2 新課教學

(1)探究洛倫茲力

師:回顧(課件展示):

①什么是安培力?

②如何計算安培力的大小?

③怎么判斷安培力的方向?

師生互動:

①磁場對電流的作用力。

②F= BIL計算。

③左手定則判斷。

師:導體中的電流是怎樣形成的?

生:電荷的定向移動。

師:既然磁場對電流有安培力的作用,而電流又是由電荷的定向移動形成的,那么磁場對運動電荷是否也有力的作用呢?請同學們猜一猜。

生:猜想1:有。猜想2:可能有、可能沒有。猜想3:沒有。

師:下面我們用實驗來驗證一下。

①介紹電子射線管的原理。

②演示一:沒有外加磁場時,觀察陰極射線管中電子流的運動軌跡。

生:一條直線。

③演示二:用蹄形磁鐵在電子束的路徑上加一磁場(變換磁場方向多做幾次),再觀察,看看陰極射線管中電子流的運動軌跡還是一條直線嗎?

生:不是一條直線,而是變彎曲了。

師:請同學們想一想:可以得出什么結論?

生:運動電荷確實受到了磁場力的作用。

師生互動:叫什么力,閱讀教材。洛倫茲力。

師:洛倫茲是荷蘭物理學家、數學家,1853年7月18日出生于阿納姆。洛倫茲創立了經典電子論,提出了洛倫茲變換公式,1902年與其學生賽曼共同獲得諾貝爾物理學獎。為紀念他的卓著功勛,荷蘭政府決定從1945年起把他的生日定為“洛倫茲節”。

(2)探究洛倫茲力的方向。

師:力是矢量,它有大小有方向。閱讀課本,結合實驗猜想洛倫茲力方向與哪些因素有關。

生:猜想一:與磁場的方向有關。猜想二:與電荷的運動方向有關。猜想三:與磁場的方向和電荷運動的方向都有關。

師:怎樣判斷洛倫茲力的方向?

師生互動:磁場對電流的作用力其實質是磁場對運動電荷的作用力,故洛倫茲力的方向可用左手定則來判斷。

師:如何用左手定則來判定正、負電荷所受洛倫茲力的方向呢。

生:如圖1所示,伸開左手,使大拇指跟其余四指垂直,且處于同一平面內,讓磁感線垂直穿過手心,四指指向正電荷運動的方向,那么拇指所指的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向。若負電荷在磁場中運動,則四指指向和運動的方向相反,則拇指所指的方向仍是負電荷受到的洛倫茲力的方向。

師:再觀察陰極射線管實驗,看看電子束的偏轉方向與用左手定則判定的是否一致。

生:完全一致。

師:這說明二力在本質上是相同的,屬同一種力。安培力是洛倫茲力的宏觀表現,洛倫茲力是安培力的微觀本質。課件展示立體圖。

師生互動:討論、自主探究洛倫茲力的方向與速度方向的關系:始終垂直。

洛倫茲力的作用是什么?洛倫茲力只能改變速度的方向,不能改變速度的大小。

師:想一想洛倫茲力對運動電荷做功嗎?

生:不做功。因洛倫茲力的方向與速度方向始終垂直。(師:鼓勵)。

師:課件展示練習(生:思考回答)

(3)探究洛倫茲力的大小。

師:通過實驗證實和上面的認識,是否可以將一段導體受到的安培力看作是這段導體中所有運動電荷受到的洛倫茲力的合力呢?

生:可以。

師:設導體中有N個運動電荷,每個運動電荷受到的洛倫茲力大小為F洛,這段導體受到的安培力和每個運動電荷受到的洛倫茲力的關系式如何?

生:F安=NF洛或F洛=F安/N。

師:當導體棒與磁場垂直時,安培力的計算式如何?

生:F安=BIL。

師:如圖2所示,設有一段長為L的導體,橫截面積為S,單位體積中含有的自由電荷的個數為n,每個自由電荷的電量為q,定向移動的速率為v,回顧導體中電流的微觀表達式?

生:I=nqvS。

師:運動電何的總個數N如何表示?

生:N=nV=nSL。

師:根據上述條件,能否推出F洛的計算式?

生:F洛=qvB。

師:F洛=qvB的適用條件是什么?

生:電荷的運動方向與磁場方向垂直。

師:用語言描述公式的內容。

生:當電荷在垂直于磁場的方向上運動時,磁場對運動電荷的洛倫茲力F等于電荷量q、速率v、磁感應強度B三者的乘積。各物理量的單位分別是什么?F/N、q/C、v/m?s-1、B/T。

師生互動:討論下列幾種情況:

(1)當v∥B 時,運動電荷所受洛倫茲力的大小是多少?

(2)當v⊥B 時呢?

(3)洛倫茲力的大小與哪些因素有關系?

生:(1) F =0 。(2) F =qvB ,最大。(3)與4個因素有關:電荷運動的方向和磁場方向的夾角有關;電荷量q有關;電荷的運動速率v有關;磁感應強度B的大小有關。

帶電粒子在磁場中運動時,洛倫茲力對它是否做功?

生:小組探究:始終不做功。

師:表揚小組。

課件展示例題:請(2~3人板演)

師:歸納總結。

(4)洛倫茲力的應用

洛倫茲力是一種非常重要的力,它有著非常廣泛的應用。如:在電視機顯象管中的應用、地磁場對宇宙射線的阻擋作用、極光現象等。

5.3 課外作業,板書設計(略)

參考文獻:

[1]中華人民共和國教育部制訂.普通高中物理課程標準(實驗).北京.人民教育出版社,2003.4

[2]陳峰等.《走進課堂——高中物理(必修)新課程案例與評析》.北京.高等教育出版社,2005.1

[3]人民教育出版社物理室. 《全日制普通高級中學教科書》(必修加選修) 物理第二冊.北京.人民教育出版社,2006.12 (第二版)

(欄目編輯黃懋恩)