“运动电荷在磁场中受到的力”教学过程设计探研

韩先煌，宁荣锁

（1.安徽省广德中学，安徽 广德 242200；2.安徽省广德县教育体育局，安徽 广德 242200）

【教学用具】感应圈、低压直流电源（学生电源或蓄电池）、阴极射线管，蹄形永久磁铁、导线若干。

【教法】实验演示、多媒体辅助教学。

【教学过程】

一、引入新课

教师在课前播放地磁场对太阳粒子作用的视频及图片。

教师：大家看到的现象是什么？学生：极光。教师：极光美吗？学生：美！教师：在什么地方才能看到极光？学生：南北极。教师：为什么只能在南北两极看到极光？学生感到为难。教师：那我们一起在教室里做一个极光好吗？教师安装好阴极射线管。教师：今天老师给同学们介绍一个乖宝宝——阴极射线管，还从哈利·波特那里借来了魔术棒，阴极射线会在魔术棒的指挥下，翩然起舞。教师演示，学生兴趣盎然。教师：老师不用魔术棒，用老师的手指挥也可以。教师用带着强磁铁戒指的手指指挥阴极射线，效果依然。教师：想知道什么原因吗？学生：想！接下来，教师展示了魔法棒和手指上的磁铁戒指，学生恍然大悟。教师：同学们想体验一下吗？两个学生上台体验……教师引导：建立模型（磁场对阴极射线的偏转作用），进行研究。

二、新课教学

1.运动电荷在磁场中受到的力——洛伦兹力

学生探究一：观察磁场对阴极射线的偏转作用（课本P95图3.5-1）（幻灯片展示探究步骤）。一是不加磁场，观察电子束的形状；二是拿一个条形磁铁或蹄形磁铁靠近电子束，观察电子束形状的变化。教师引导学生对观察到的现象进行归纳：磁场对运动的电子有力的作用，该力使电子束发生偏转。总结：磁场对运动电荷有力的作用，该力用荷兰物理学家洛伦兹的名字来命名——洛伦兹力（展示洛伦兹的相关资料）。教师引导过渡：认识一种新的力应研究力的三要素。

2.洛伦兹力的方向

提出猜想：洛伦兹力的方向可能与哪些因素有关？学生探究二：观察磁场对阴极射线的偏转作用（课本P95图3.5-2）（幻灯片展示探究步骤）。用一个蹄形磁铁在电子束的路径上加磁场，改变磁场方向，观察电子束偏转方向，判断运动的电子在各种方向的磁场中的受力方向。比较洛伦兹力的方向与电子的运动方向及磁场的方向，思考并讨论：该力的方向有什么特点？它跟我们曾经学过的什么力相似？你认为这两个力是否有关系？若有关系，有怎样的关系？选取一个小组的实验结果展示并引导讨论：能否也用安培力的判断方法（左手定则）来判定洛伦兹力的方向？（注意提醒学生，电荷有正负之分）教师总结：运动的带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的方向，与运动（速度）方向和磁感应强度的方向都垂直，它的指向同样可以依照“左手定则”来判定（幻灯片展示“左手定则”的内容并带领学生动手演示）幻灯片展示问题：（1）若运动电荷带负电，如何判断洛伦兹力方向？（2）若v与B垂直，洛伦兹力方向怎样？（3）若v与B平行，洛伦兹力方向怎样？（4）若v与B既不垂直也不平行，洛伦兹力方向怎样？教师总结：洛伦兹力总是垂直于v与B构成的平面。（幻灯片展示F洛与v、B方向的关系）

练习：课本P98“问题与练习”第1题。补充：教师讲解：回顾我们发现用“左手定则”判定洛伦兹力方向的过程，与伽利略对运动的研究时创造出的核心方法相同，都是把实验和逻辑推理和谐地结合起来，体现出了物理学的“逻辑美”。请将这种“美”持续下去，继续通过逻辑推理寻找洛伦兹力的大小与v和B的定量关系。

3.洛伦兹力的大小

学生探究三：课本P96“思考与讨论”（幻灯片展示思维引导）。（1）时间t内通过横截面a的粒子数（N）是多少？（2）电流I与每个粒子电荷量q的定量关系是什么？（3）这段长为vt的导线所受安培力F安是多少？（4）每个粒子受到的力（即洛伦兹力）是多少？（5）如此推导，v和B在方向上有什么要求？

小组代表展示讨论结果，教师总结：电荷量为q的粒子以速度v运动时，如果速度方向与磁感应强度方向垂直，那么粒子受到的洛伦兹力为F洛=qvB，式中F洛、q、v、B的单位分别为N、C、m/s、T。

练习：电子的速率v=3.0×106m/s，沿着与磁场垂直的方向射入B=0.1 T的匀强磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？电子的质量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）

展示学生的解答，强调答题规范，并引导学生分析体会前面实验中忽略重力的原因。提问：当电荷的运动方向与磁场方向平行时，是否受洛伦兹力呢？学生回答，教师总结：当电荷运动方向与磁场方向平行时，受到的洛仑兹力等于零。提问：当电荷运动方向与磁场方向成θ角时，受到的洛伦兹力多大？学生讨论，教师引导提示——分解速度v或磁感应强度B。教师总结三种情况

4.洛伦兹力的作用效果

提问：洛伦兹力的作用效果是什么？引导讨论：课本P97“思考与讨论”。总结：洛伦兹力的方向总是与电荷的速度方向垂直，因而它对电荷不做功，它不能改变速度大小，只能改变速度方向，即只能产生向心加速度。

5.洛伦兹力的应用

教师引导学生详细解释极光现象的成因。教师讲解：若将电子射线管中电子束打到的位置的玻璃管内壁涂上荧光粉，并将管内抽成真空，那么电子在屏上的落点就会发光。若再在电子运动的路径上通过通电线圈加上适当的磁场，就可以使屏上各点都发光，电视显像管就是应用这个原理制成的。学生小组讨论：课本P97“思考与讨论”，小组代表展示讨论结果。（幻灯片展示偏转线圈的照片）教师对照偏转线圈原理图讲解说明电视显像管中的扫描。

三、小结新课

提问：本节课你学到了哪些知识？学到了哪些思维方法？还有哪些收获？结课：物理无处不在，物理学的思维方法无处不在，物理学的美无处不在，愿每位同学多观察、多思考、多动手，在今后的学习中学有所成。

【课后巩固】课本P98“问题与练习”第3题、第4题

【教学反思】该教学过程设计引入部分花的时间较长，设计的实验别出心裁，能够体现物理学科的核心素养。教师从激光现象引入，从《哈利·波特》故事引入，激光是美丽的大自然现象，《哈利·波特》是学生喜欢的电影，反映了物理与大自然、与文化生活的关系，所以我们说物理离不开生活，要从生活走向物理。有意思的是老师先用魔法棒指挥，后用手指挥，从而揭示魔法现象背后的本质问题。让学生上讲台进行体验，体现了教师尊重学生和教育教学的科学态度与责任。该设计新颖别致，学生感到亲切，探究知识和规律的欲望被点燃，后面再进行探究或互动，学生就比较主动。

由实验引入新课后，让学生猜测把磁铁靠近时可能出现的情况，学生既容易完成，又培养了物理意识，还可以巧妙地利用磁场对电流的作用知识形成迁移，在不经意间将判断运动负电荷受洛伦兹力方向的问题解决了。

对于公式的推导，可以根据实际情况决定是由学生自己推导还是由老师引导推导。教学设计中，对于计算洛伦兹力、洛伦兹力对运动电荷是否做功让学生讨论比老师讲解效果要好。