基于类比方法的《研究洛伦兹力》教学设计

彭漫率 彭晓春

【摘要】本节教材体现了“提出假说—实验验证”这一科学研究的基本思维方法，而假说的提出是运用了逻辑推理分析。因而在研究洛伦兹力时，基于教材内容之上，运用类比方法，充分调动学生的思维，在学生已有知识的基础上进行猜想，与安培力的进行比较，从而进行洛伦兹力方向的研究，并通过实验进一步验证。然后将安培力看作是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，通过安培力计算公式导出洛伦兹力计算的公式，这一部分是学生的一个理论探究活动。这充分体现了观察、实验与科学思维相结合的物理学科基本特征。

【关键词】类比方法;研究洛伦兹力;教学设计

一、教材分析

粤教版《普通高中课程标准实验教科书 物理（选修3-1）》第三章第五节《研究洛伦兹力》节首启发学生提出猜想，参考答案为：磁场对运动电荷有力的作用。本节学习是在前面已研究安培力的基础上进行的，磁场对电流有安培力的作用，而电流是由电荷定向移动形成的，那么，磁场对移动的电荷有没有力的作用呢？笔者通过以下几方面进行阐述：

二、物理学科核心素养教学目标

（一）物理观念

通过与安培力进行类比分析，进一步运用演示实验，认识洛伦兹力。能够判断洛伦兹力的大小与计算洛伦兹力的方向。

（二）科学思维和创新

1.判断洛伦兹力方向时，通过类比的方向进行合理的逻辑推理，提出假说，再通过演示实验进一步验证，让学生能在安培力方向的判断与洛伦兹力方向的判断中找到二者之间本质的联系。

2.研究洛伦兹力大小时，因为有安培力大小计算铺垫，通过安培力与洛伦兹力本质的联系，二者实质上集体与个体的联系，寻找洛伦兹力大小计算的途径。

（三）科学探究与交流

1.由学生猜想洛伦兹力的方向，并通过实验，验证洛伦兹力方向判断的方法，并由学生运用方法分析洛伦兹力的方向。

2.通过理论探究，由安培力公式推导出洛伦兹力公式，会计算洛伦兹力大小。

3.理解洛伦兹力对运动电荷不做功。

4.分析在只有洛伦兹力作用下的带电粒子的运动。

（四）科学态度与责任

1.通过观察电子束在磁场中的偏转研究洛伦兹力的方向，体验研究物理学的实验方法。

2.比较安培力与洛伦兹力，从理论上导出洛伦兹力公式，认识科学探究方法的多样性。

3.培养学生分析问题和抽象思维能力，在学习过程中不断地猜想，培养学生对知识学习的预见性。

三、教学重、难点

1.研究洛伦兹力的方向

明确洛伦兹力的定义以及介绍阴极射线管，总结出用左手定则判定洛伦兹力方向的方法，与安培力比较，提醒学生注意的是对于负电荷，电流的方向与电荷运动的方向相反。并向学生强调洛伦兹力既与磁场方向垂直又与电荷运动速度方向垂直，但磁场方向与电荷运动速度方向的夹角则是任意的。当磁场方向与电荷运动速度方向平行时，洛伦兹力大小为零。

2.研究洛伦兹力的大小

安培力可以看作是大量運动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，安培力与洛伦兹力是集体与个体的关系。从而可能通过电流受到的安培力的计算式从理论上导出运动电荷受到的洛伦兹力的计算式。需要突破的是：电流的表达式、自由电荷的总电量、单位体积内所含的自由电荷数、自由电荷定向移动的速率。这些概念要理解清楚。

四、教学方法

1.演示实验验证法：学生通过猜想，老师引导进行演示实验验证，让学生明了科学规律总结的一般过程，使学生养成良好的科学素养和思维习惯。培养学生科学的态度和唯物主义的思想方法。表明了学生学习科学知识的过程不是将现有的知识灌输进学生头脑内的过程，而是在原有认识的基础上自主建构知识的过程。

2.多媒体辅助教学：演示电流定向移动展示，辅助学生思考，将看不见的电流形象化，便于学生分析思考并进行洛伦兹力大小的推导。

3.类比比较分析法：安培力可能看作是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，因而在力的方向与大小上有着紧密的联系。方向判断的方法是同出一辙，由此推彼，存大同分析小异，知识构建容易完成。大小上是宏观与微观，集体与个体的关系，由此进行推导，学生容易理解。

五、教学器材

阴极射线管、蹄型磁铁、导线、投影仪

六、教学过程

（一）方法引入

1.奥斯特“电生磁”实验到法拉弟“磁生电”类比方法与可逆思维方式

2.平抛运动与带电粒子垂直入射匀强电场发生偏转类比方法

本节研究主要方法之一：类比

（二）环节一 认识洛伦兹力

1.学生猜想

2.实验验证

1）在没有磁场时，接通电源可观察到什么现象？

在没有外加磁场时，电子径迹是直线。

2）光束实质是什么？

光束的实质是定向移动的电子流。

3）若在阴极射线管上加磁场，可观察到什么现象？

垂直加磁场，阴极射线偏转，磁场对运动的电子有力的作用。

结论：磁场对运动电荷有力的作用——洛伦兹力。

（三）环节二  洛伦兹力的方向

1.学生思考：安培力与洛伦兹力是什么关系？

磁场对电流有安培力的作用，而电流是由电荷定向移动形成的，且磁场对运动电荷有洛伦兹力的作用。

安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观解释。

2.学生类比分析

3.实验验证——洛伦兹力的方向符合左手定则

4.学生练习

练习：试判断下图中所示的带电粒子刚进入磁场时所受洛伦兹力的方向。

习题体会：洛伦兹力方向一定与磁场方向垂直，一定与电荷定向移动速度方向垂直，而磁场方向与电荷定向移动方向不一定垂直。洛伦兹力不做功。

（四）环节三  洛伦兹力的大小

1.洛伦兹力大小公式推导引导

安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观解释。

2.洛伦兹力大小推导

建立推导模型：设有一段长为L，横截面积为s的直导线，单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电量为q，自由电荷定向移动速率为v，这段通电导线垂直磁场方向放入磁感强度为B的匀强磁场中。

1）这段导线内的自由电荷数

2）通电导线中的电流

3）通电导线所受安培力

4）每个电荷所受的洛伦兹力

结论：电荷定向移动的方向与磁感强度方向垂直时，洛伦兹力大小

拓展分析：电荷定向移动的方向与磁感强度方向夹角为θ时，

类比方法归纳总结表一：

类比方法归纳总结表二

（五） 环节四  课堂小结（板书设计）

（六） 环节五  布置课外作业