《磁场对运动电荷的作用》教学设计

邹书云

摘要:本文采用假设-分析推理-实验验证的方法,引导学生观察、交流讨论、分析推理,进行教学设计,从而完成三个维度的教学目标。培养同学们的团结协作精神和相互合作的能力,应用知识解决实际问题的能力。

关键词:洛伦兹力;情景;探究;设问;猜想;推理

中图分类号:G633.7 文献标识码:A文章编号:1003-6148(2009)11(S)-0022-3

本设计课题是人民教育出版社2006年12月第2版《全日制普通高级中学教科书》(必修加选修),物理第二册第十五章第四节内容。

1 教学目标

1.1 知识与技能目标

(1)知道什么是洛伦兹力,理解电荷运动方向与磁感应强度方向平行时,电荷所受洛伦兹力最小,等于零;电荷运动方向与磁感应强度方向垂直时,电荷受到的洛伦兹力最大,等于qvB。

(2)会用公式解答实际生活中的有关问题。

(3)会用左手定则判定有关带电粒子在磁场中受洛伦兹力方向的问题。

1.2 过程与方法目标

(1)通过假设——实验证明的研究来培养同学们的科学思维能力和观察能力。

(2)通过对公式的推导,培养学生的分析推理能力和应用知识能力。

1.3 情感态度与价值观目标

(1)通过“设问——猜想——推理——实验证明”来体会科学研究最基本的思维方法。

(2)培养同学们应用知识的能力和团结协作的精神。

(3)体会物理学习中的逻辑美,规律的统一美,联系生活,感受自然美。

2 教学重点

(1)洛伦兹力的大小和方向判定。

(2)培养分析推理能力和应用知识的能力。

3 教学难点

(1)用左手定则判断洛伦兹力的方向。

(2)培养学生的团结协作精神;体会物理学中的美。

4 教具

阴极射线管,条形磁铁,蹄形磁铁,旧电视机,多媒体课件等。

5 教学过程

5.1 课题引入

创设情景观察、思考。

师:下面我们来做一个有趣的实验。打开电视机,调好能看到清晰的图像,看看图像是什么样的。(生:观察)

师:演示,把用白纸包好的一根条形磁铁棒靠近电视机荧光屏(请在家里一定不要模仿)。

生:图像变形了。

师:为什么呢?难道这是一根“魔棒”吗?把这根“魔棒”靠近小铁块。看这是什么?

生:磁铁。

师:为什么用磁铁靠近荧光屏就会产生这种现象呢?大家想知道这一奥秘吗?(生:思考)

板书课题:

师:今天我们就一起来打开这个奥秘吧。磁场对运动电荷的作用力(板书)

5.2 新课教学

(1)探究洛伦兹力

师:回顾(课件展示):

①什么是安培力?

②如何计算安培力的大小?

③怎么判断安培力的方向?

师生互动:

①磁场对电流的作用力。

②F= BIL计算。

③左手定则判断。

师:导体中的电流是怎样形成的?

生:电荷的定向移动。

师:既然磁场对电流有安培力的作用,而电流又是由电荷的定向移动形成的,那么磁场对运动电荷是否也有力的作用呢?请同学们猜一猜。

生:猜想1:有。猜想2:可能有、可能没有。猜想3:没有。

师:下面我们用实验来验证一下。

①介绍电子射线管的原理。

②演示一:没有外加磁场时,观察阴极射线管中电子流的运动轨迹。

生:一条直线。

③演示二:用蹄形磁铁在电子束的路径上加一磁场(变换磁场方向多做几次),再观察,看看阴极射线管中电子流的运动轨迹还是一条直线吗?

生:不是一条直线,而是变弯曲了。

师:请同学们想一想:可以得出什么结论?

生:运动电荷确实受到了磁场力的作用。

师生互动:叫什么力,阅读教材。洛伦兹力。

师:洛伦兹是荷兰物理学家、数学家,1853年7月18日出生于阿纳姆。洛伦兹创立了经典电子论,提出了洛伦兹变换公式,1902年与其学生赛曼共同获得诺贝尔物理学奖。为纪念他的卓著功勋,荷兰政府决定从1945年起把他的生日定为“洛伦兹节”。

(2)探究洛伦兹力的方向。

师:力是矢量,它有大小有方向。阅读课本,结合实验猜想洛伦兹力方向与哪些因素有关。

生:猜想一:与磁场的方向有关。猜想二:与电荷的运动方向有关。猜想三:与磁场的方向和电荷运动的方向都有关。

师:怎样判断洛伦兹力的方向?

师生互动:磁场对电流的作用力其实质是磁场对运动电荷的作用力,故洛伦兹力的方向可用左手定则来判断。

师:如何用左手定则来判定正、负电荷所受洛伦兹力的方向呢。

生:如图1所示,伸开左手,使大拇指跟其余四指垂直,且处于同一平面内,让磁感线垂直穿过手心,四指指向正电荷运动的方向,那么拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向。若负电荷在磁场中运动,则四指指向和运动的方向相反,则拇指所指的方向仍是负电荷受到的洛伦兹力的方向。

师:再观察阴极射线管实验,看看电子束的偏转方向与用左手定则判定的是否一致。

生:完全一致。

师:这说明二力在本质上是相同的,属同一种力。安培力是洛伦兹力的宏观表现,洛伦兹力是安培力的微观本质。课件展示立体图。

师生互动:讨论、自主探究洛伦兹力的方向与速度方向的关系:始终垂直。

洛伦兹力的作用是什么?洛伦兹力只能改变速度的方向,不能改变速度的大小。

师:想一想洛伦兹力对运动电荷做功吗?

生:不做功。因洛伦兹力的方向与速度方向始终垂直。(师:鼓励)。

师:课件展示练习(生:思考回答)

(3)探究洛伦兹力的大小。

师:通过实验证实和上面的认识,是否可以将一段导体受到的安培力看作是这段导体中所有运动电荷受到的洛伦兹力的合力呢?

生:可以。

师:设导体中有N个运动电荷,每个运动电荷受到的洛伦兹力大小为F洛,这段导体受到的安培力和每个运动电荷受到的洛伦兹力的关系式如何?

生:F安=NF洛或F洛=F安/N。

师:当导体棒与磁场垂直时,安培力的计算式如何?

生:F安=BIL。

师:如图2所示,设有一段长为L的导体,横截面积为S,单位体积中含有的自由电荷的个数为n,每个自由电荷的电量为q,定向移动的速率为v,回顾导体中电流的微观表达式?

生:I=nqvS。

师:运动电何的总个数N如何表示?

生:N=nV=nSL。

师:根据上述条件,能否推出F洛的计算式?

生:F洛=qvB。

师:F洛=qvB的适用条件是什么?

生:电荷的运动方向与磁场方向垂直。

师:用语言描述公式的内容。

生:当电荷在垂直于磁场的方向上运动时,磁场对运动电荷的洛伦兹力F等于电荷量q、速率v、磁感应强度B三者的乘积。各物理量的单位分别是什么?F/N、q/C、v/m•s-1、B/T。

师生互动:讨论下列几种情况:

(1)当v∥B 时,运动电荷所受洛伦兹力的大小是多少?

(2)当v⊥B 时呢?

(3)洛伦兹力的大小与哪些因素有关系?

生:(1) F =0 。(2) F =qvB ,最大。(3)与4个因素有关:电荷运动的方向和磁场方向的夹角有关;电荷量q有关;电荷的运动速率v有关;磁感应强度B的大小有关。

带电粒子在磁场中运动时,洛伦兹力对它是否做功?

生:小组探究:始终不做功。

师:表扬小组。

课件展示例题:请(2~3人板演)

师:归纳总结。

(4)洛伦兹力的应用

洛伦兹力是一种非常重要的力,它有着非常广泛的应用。如:在电视机显象管中的应用、地磁场对宇宙射线的阻挡作用、极光现象等。

5.3 课外作业,板书设计(略)

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部制订.普通高中物理课程标准(实验).北京.人民教育出版社,2003.4

[2]陈峰等.《走进课堂——高中物理(必修)新课程案例与评析》.北京.高等教育出版社,2005.1

[3]人民教育出版社物理室. 《全日制普通高级中学教科书》(必修加选修) 物理第二册.北京.人民教育出版社,2006.12 (第二版)

(栏目编辑黄懋恩)