《觀察運動電荷在磁場中的軌跡》的演示實驗教學設計

摘要:由于學生對電荷在磁場中的運動軌跡的理解存在一定困難，本文就《觀察運動電荷在磁場中的軌跡》這一演示實驗進行教學設計。

關鍵詞:洛倫茲力演示儀;磁場;軌跡

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)7(S)-0063-3

1 設計目的

舊教材只介紹了兩幅電子在磁場中運動的圖片，而在人教版新教材31第三章《帶電粒子在勻強磁場中的運動》一節中，加入了觀察運動電荷在磁場中的軌跡的實驗探究。這節課先通過洛倫茲力演示儀來探究帶電粒子在磁場中的運動軌跡，再得出運動電荷在磁場中運動的一些結論。

2 設計思想

運動電荷在磁場中的軌跡，學生理解起來很困難。為了讓學生通過這種直觀的現象來理解較抽象的物理模型。本文就《觀察運動電荷在磁場中的軌跡》的演示實驗進行了教學設計，以期為相關演示實驗教學提供參考。

3 介紹實驗器材

本實驗用J24331型洛倫茲力演示儀對運動電荷在磁場中的軌跡進行探究。

洛侖茲力演示儀由演示電子管(威爾尼特電子管)、亥姆霍茲線圈(激磁線圈)和電源三部分組成。演示電子管是一個帶頸的大玻泡，內裝一個由陰極、調制極、加速極及一對偏轉板組成的電子槍。如圖1所示。下面進行原理介紹:

(1)電子流的產生

管內充有一定量的混合惰性氣體，當各電極加上工作電壓后，槍內發出一束經加速和聚焦的電子束，管內氣體電離發出輝光，顯示出電子運動軌跡——藍色的徑跡。

(2)磁場的產生

亥姆霍茲線圈由直徑為280mm、匝數為140的兩只線圈串聯而成，兩線圈同軸平行放置，間距為線圈直徑一半。線圈通上電流，在兩線圈間軸線中點附近可得到一個均勻磁場，電源電路采用穩壓穩流電路。線圈的電流大小可以調節，也就是能夠調節勻強磁場的大小。線圈的電流方向也可以調節，即可以改變磁場的方向。

(3)電場的產生

偏轉板上的電壓值可調，如果調在斷開位置，即無偏轉，電子運動軌跡是一條直線。若加上偏轉電壓，則電子束將偏轉。

(4)大玻泡可以旋轉，即可以改變電子束的運動方向。

4 探究過程

師:不加任何偏轉電場和磁場時，電子束將顯示一條從右向左的直線。

演示:接通電源預熱，按下“加速”鍵開關，旋動“加速電壓”旋鈕，當加速電壓達100~150V時即有電子束射出。在玻璃球內出現輝光的直線，說明不加磁場時電子沿直線運動，如圖2所示。

師:加速電壓不變，只加偏轉電壓時(復習電場的知識)，電子束怎樣偏轉?

生1:若加上正、下負的偏轉電壓，則電子束向上偏轉。

生2:若加下正、上負的偏轉電壓，則電子束向下偏轉。

師:加速電壓不變，只加磁場時，電子的運動方向和角度怎么樣呢?

生:電子的運動方向從右向左，且下面顯示的角度為90°，即電子的運動方向與磁場的方向成90°夾角。

師:(解釋)加順時針方向的勵磁電流時，磁場的方向由安培定則可知垂直紙面向里，這時電子的運動方向與磁場方向垂直。那此時電子束形成的軌跡怎樣，電子做圓周運動的向心力由誰提供?(教師演示結果如圖3)

生:向上偏轉形成一條順時針方向的徑跡，向心力由洛倫茲力提供。

師:正確。

師:當運動的電荷垂直射入勻強磁場后，電荷受洛倫茲力而做勻速圓周運動，那么運動電荷做圓周運動的半徑、周期與哪些因素有關呢?

師:(舉例引導)假設有一帶電粒子質量為m，電荷量為q，速率為v，勻強磁場的磁感應強度為B，v的方向與B的方向垂直，粒子在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運動，半徑為R，粒子做勻速圓周運動的周期為T。

生:思考、討論、交流得出結果。

師:(總結)由此可見，帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動時，軌道半徑與粒子的速率成正比，與粒子的質量成正比，與電荷量和磁感應強度成反比，粒子做勻速圓周運動的周期與質量成正比，與電荷量和磁感應強度成反比，與軌道半徑和速率無關。

師:如果增加勵磁電流，電子束形成的軌跡怎樣?

生:(思考)。(答不上來)

師:增加了勵磁電流，即增大了磁感應強度，由R=mV/qB知， m/q不變，V不變，當B增大時半徑R減小。用實驗演示增加勵磁電流時，電子束的運動半徑變小的動態過程。

師:若只加上逆時針方向的勵磁電流，情況怎樣?(教師演示實驗結果如圖4。)

生:磁場方向向外，電子向下偏轉形成一條不完整的軌跡。(教師引導學生用安培定則和左手定則判定。)

師:當B與V平行時，即旋轉演示電子管至圖 40度時，電子的運動方向也向里，所加的磁場方向向里，那么電子的運動軌跡會怎樣?(實驗演示電子束不會偏轉，而形成一條向里的直線，如圖5所示。)

生:直線。

師:如果旋轉演示電子管至180度時，電子的運動方向又是怎樣呢?電子束仍不會偏轉，而形成一條向外的直線，如圖6所示。

生:直線。

5 拓展

若V與B既不平行也不垂直，而是成一定的角度時，將會看到什么現象?

當把演示電子管旋轉至0~90度之間時，學生將看到電子束由一個圓逐漸變成做螺旋運動，實際演示如圖7所示。

引導分析 螺旋運動雖然在高中習題中出現得很少，但讓學生分析圖 7這種運動，可提高學生把復雜的運動進行分解的能力，同時可提高學生的空間想象能力。如圖8所示，當帶電粒子傾斜進人磁場(v與B成θ角)時，設想從磁場某點A發射出一束很窄的帶電粒子流，則其速率v差不多相等，且與磁感強度B的夾角θ都很小，則水平分速度和垂直分速度分別為V1=Vsinθ， V2 =Vcosθ。

由于V2 沿著磁場方向運動，V1垂直磁場，在洛倫茲力的作用下，粒子將做螺旋線運動。

6 后記

由于受實驗器材所限，本實驗不能開展成為探究實驗，讓每個學生都有機會去親身體驗。但是可以通過演示實驗，引導學生思考、分析實驗現象，加深對運動電荷在磁場中形成的各種軌跡的原理的理解，這比僅用講授的方法教學效果要好得多。

(欄目編輯 張正嚴)