“運動電荷在磁場中受到的力”教學過程設計探研

韓先煌，寧榮鎖

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

【教學用具】感應圈、低壓直流電源（學生電源或蓄電池）、陰極射線管，蹄形永久磁鐵、導線若干。

【教法】實驗演示、多媒體輔助教學。

【教學過程】

一、引入新課

教師在課前播放地磁場對太陽粒子作用的視頻及圖片。

教師：大家看到的現象是什么？學生：極光。教師：極光美嗎？學生：美！教師：在什么地方才能看到極光？學生：南北極。教師：為什么只能在南北兩極看到極光？學生感到為難。教師：那我們一起在教室里做一個極光好嗎？教師安裝好陰極射線管。教師：今天老師給同學們介紹一個乖寶寶——陰極射線管，還從哈利·波特那里借來了魔術棒，陰極射線會在魔術棒的指揮下，翩然起舞。教師演示，學生興趣盎然。教師：老師不用魔術棒，用老師的手指揮也可以。教師用帶著強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？學生：想！接下來，教師展示了魔法棒和手指上的磁鐵戒指，學生恍然大悟。教師：同學們想體驗一下嗎？兩個學生上臺體驗……教師引導：建立模型（磁場對陰極射線的偏轉作用），進行研究。

二、新課教學

1.運動電荷在磁場中受到的力——洛倫茲力

學生探究一：觀察磁場對陰極射線的偏轉作用（課本P95圖3.5-1）（幻燈片展示探究步驟）。一是不加磁場，觀察電子束的形狀；二是拿一個條形磁鐵或蹄形磁鐵靠近電子束，觀察電子束形狀的變化。教師引導學生對觀察到的現象進行歸納：磁場對運動的電子有力的作用，該力使電子束發生偏轉。總結：磁場對運動電荷有力的作用，該力用荷蘭物理學家洛倫茲的名字來命名——洛倫茲力（展示洛倫茲的相關資料）。教師引導過渡：認識一種新的力應研究力的三要素。

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？學生探究二：觀察磁場對陰極射線的偏轉作用（課本P95圖3.5-2）（幻燈片展示探究步驟）。用一個蹄形磁鐵在電子束的路徑上加磁場，改變磁場方向，觀察電子束偏轉方向，判斷運動的電子在各種方向的磁場中的受力方向。比較洛倫茲力的方向與電子的運動方向及磁場的方向，思考并討論：該力的方向有什么特點？它跟我們曾經學過的什么力相似？你認為這兩個力是否有關系？若有關系，有怎樣的關系？選取一個小組的實驗結果展示并引導討論：能否也用安培力的判斷方法（左手定則）來判定洛倫茲力的方向？（注意提醒學生，電荷有正負之分）教師總結：運動的帶電粒子在磁場中所受洛倫茲力的方向，與運動（速度）方向和磁感應強度的方向都垂直，它的指向同樣可以依照“左手定則”來判定（幻燈片展示“左手定則”的內容并帶領學生動手演示）幻燈片展示問題：（1）若運動電荷帶負電，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：洛倫茲力總是垂直于v與B構成的平面。（幻燈片展示F洛與v、B方向的關系）

練習：課本P98“問題與練習”第1題。補充：教師講解：回顧我們發現用“左手定則”判定洛倫茲力方向的過程，與伽利略對運動的研究時創造出的核心方法相同，都是把實驗和邏輯推理和諧地結合起來，體現出了物理學的“邏輯美”。請將這種“美”持續下去，繼續通過邏輯推理尋找洛倫茲力的大小與v和B的定量關系。

3.洛倫茲力的大小

學生探究三：課本P96“思考與討論”（幻燈片展示思維引導）。（1）時間t內通過橫截面a的粒子數（N）是多少？（2）電流I與每個粒子電荷量q的定量關系是什么？（3）這段長為vt的導線所受安培力F安是多少？（4）每個粒子受到的力（即洛倫茲力）是多少？（5）如此推導，v和B在方向上有什么要求？

小組代表展示討論結果，教師總結：電荷量為q的粒子以速度v運動時，如果速度方向與磁感應強度方向垂直，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：電子的速率v=3.0×106m/s，沿著與磁場垂直的方向射入B=0.1 T的勻強磁場中，它受到的洛倫茲力是多大？電子的質量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）

展示學生的解答，強調答題規范，并引導學生分析體會前面實驗中忽略重力的原因。提問：當電荷的運動方向與磁場方向平行時，是否受洛倫茲力呢？學生回答，教師總結：當電荷運動方向與磁場方向平行時，受到的洛侖茲力等于零。提問：當電荷運動方向與磁場方向成θ角時，受到的洛倫茲力多大？學生討論，教師引導提示——分解速度v或磁感應強度B。教師總結三種情況

4.洛倫茲力的作用效果

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

5.洛倫茲力的應用

教師引導學生詳細解釋極光現象的成因。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壁涂上熒光粉，并將管內抽成真空，那么電子在屏上的落點就會發光。若再在電子運動的路徑上通過通電線圈加上適當的磁場，就可以使屏上各點都發光，電視顯像管就是應用這個原理制成的。學生小組討論：課本P97“思考與討論”，小組代表展示討論結果。（幻燈片展示偏轉線圈的照片）教師對照偏轉線圈原理圖講解說明電視顯像管中的掃描。

三、小結新課

提問：本節課你學到了哪些知識？學到了哪些思維方法？還有哪些收獲？結課：物理無處不在，物理學的思維方法無處不在，物理學的美無處不在，愿每位同學多觀察、多思考、多動手，在今后的學習中學有所成。

【課后鞏固】課本P98“問題與練習”第3題、第4題

【教學反思】該教學過程設計引入部分花的時間較長，設計的實驗別出心裁，能夠體現物理學科的核心素養。教師從激光現象引入，從《哈利·波特》故事引入，激光是美麗的大自然現象，《哈利·波特》是學生喜歡的電影，反映了物理與大自然、與文化生活的關系，所以我們說物理離不開生活，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，從而揭示魔法現象背后的本質問題。讓學生上講臺進行體驗，體現了教師尊重學生和教育教學的科學態度與責任。該設計新穎別致，學生感到親切，探究知識和規律的欲望被點燃，后面再進行探究或互動，學生就比較主動。

由實驗引入新課后，讓學生猜測把磁鐵靠近時可能出現的情況，學生既容易完成，又培養了物理意識，還可以巧妙地利用磁場對電流的作用知識形成遷移，在不經意間將判斷運動負電荷受洛倫茲力方向的問題解決了。

對于公式的推導，可以根據實際情況決定是由學生自己推導還是由老師引導推導。教學設計中，對于計算洛倫茲力、洛倫茲力對運動電荷是否做功讓學生討論比老師講解效果要好。