磁场对运动电荷的作用—洛伦兹力
一、教法和学法设计的中心思想
探究性学习是新一轮课程改革中物理课程标准里提出的重要课程理念，其宗旨是改变学生的学习方式，突出学生的主体地位，物理教师不但应该接受这一理念，而且必须将这一理念体现到教学行为中去。对学生而言，学习也是一种经历，其中少不了学生自己的亲身体验，老师不能包办代替。物理教学要重视科学探究的过程，要从重视和设计学生体验学习入手，让学生置身于一定的情景，去经历、感受。
探究式教学是美国教育学家布鲁纳在借鉴了杜威的学习程序理论的基础上首先提出的，主要可分为两类：①引导发现式：创设情景——观察探究——推理证明——总结练习；②探究训练式：遇到问题——搜集资料和建立假说——用事实和逻辑论证——形成探究能力。经教学实践，形成以“引导——探究式”为主要框架，比较适合国内的实用教学模式。他是以解决问题为中心，注重学生独立钻研，着眼于思维和创造性的培养，充分发挥学生的主动性，仿造科学家探求未知领域知识的途径，通过发现问题、提出问题、分析问题、创造性地解决问题等去掌握知识，培养创造力和创造精神。
二、教学目标
1、知识目标
1）、通过实验的探究，认识洛伦兹力；会判断洛伦兹力的方向。
2）、理解洛伦兹力公式的推导过程；会计算洛伦兹力的大小。
3）、理解带电粒子垂直进入磁场中做匀速圆周运动的规律。
2、能力目标
1）、通过科学的探究过程，培养学生实验探究能力、理论分析能力和运用数学解决物理问题的能力；
2）、了解宏观研究与微观研究相结合的科学方法。
3、情感、态度、价值观
让学生亲身感受物理的科学探究活动，学习探索物理世界的方法和策略，培养学生的思维。
三、教学设计过程
内容提纲
内容设计及学生活动
教法、学法设计
第一步：引入新课
课前浏览“神奇的极光”幻灯片。（收集了25张照片，）
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播放极光图片
开发课程资源，情感进入课堂。
引入课题：《探究洛仑兹力》
师：同学们刚才欣赏的是神奇极光的照片。你了解极光吗？那位同学知道极光常发生在地球的什么地方吗？
生：极光常出现在地球的南极和北极地区。
师：其实在我国黑龙江漠河地区也时常发生极光现象。你想知道极光发生的根本原因吗？科学的研究发现，极光与地磁场对来自太空的高速带电粒子的作用力有关。看来，要解释极光现象，首先要研究磁场对带电粒子的作用力。早在1892年，荷兰物理学家洛仑兹就研究了磁场对运动电荷的作用力的问题。为了纪念洛仑兹对物理学的贡献，物理学中把磁场对运动电荷作用力叫洛伦兹力。
发现问题“任务驱动教学”进入课题研究。
第二步：新课教学“探究洛伦兹力”
探究一：洛伦兹力
（1）、从微观的角度分析猜想磁场对运动的电荷有洛伦兹力的作用。
提出问题
推理分析
师：首先，我们回顾一下磁场对电流的作用力—安培力。如果一段直导线放在磁场中，那么它受不受安培力的作用？
生：不受。
师：那直导线在什么条件下受安培力的作用？
生：直导线通上电流以后才受安培力的作用。
师：直导线通上电流以后一定有安培力的作用吗？
生：（思考后回答）不一定，当通电直导线平行于磁场方向时，不受安培力的作用，垂直放置时安培力最大。
师：很好，当一段直导线垂直放置在磁场中时不受安培力的作用，当直导线垂直与磁场方向并且通上电流以后有最大安培力的作用，思考一下，电流是大量的电荷定向移动而形成，由此请同学们从微观角度上分析猜想一下磁场对通电直导线的安培力产生的根本原因是什么？
（学生开始讨论，说出猜想）
【学生猜想：磁场对通电导体的安培力产生的根本原因是由磁场对导体中的定向移动自由电子的作用力引起的。】
通过复习旧知识，使知识发生迁移，培养学生从已有知识得出新知识的能力。
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提出设想
让学生了解宏观研究与微观研究相结合的科学方法。培养学生猜想、推理和分析能力
（2）、设计实验验证洛伦兹力
设计实验
实验验证
师：很好，既然同学们猜测到是磁场对定向移动自由电子的有力的作用。那么我们就要用实验来验证一下这个想法。可是电子是微观粒子，不能直接观察。要用实验验证同学们的猜想，就需要采取一些措施，来完成这个实验。这里有一个阴极射线管和一个感应圈，感应圈能产生高压。电压有多高呢？（教师演示高压放电现象）。现在我把感应圈产生的高压加到阴极射线管，请大家观察实验现象。
师：同学们想知道实验现象的原因吗？
【解释实验原理：阴极射线管的阴极能发射出的电子，阴极射线管利用感应圈产生的高压在阴极射线管两极间产生加速电场，使阴极发射出的电子做加速直线运动形成电子束。当电子打到荧光屏上时，发出荧光，显示出电子束的运动径迹。】
师：现在观察到了运动电子的径迹，请同学们设计一下实验，从而证实同学的猜想：磁场对运动自由电子有力的作用。
学生：在阴极射线管的周围加一个磁场。（师：很好。）
【实验验证，观察现象。当条形磁铁靠近阴极射线管时电子束弯曲，越靠近弯曲程度越大。】
让学生认识制定计划和设计实验在科学探究中的作用。培养学生实验设计能力。
探究二：洛伦兹力方向
通过实验证实了磁场确实对运动的电荷有力的作用。在物理学中确定一个力时总是要分析这个力的大小、方向。下面我们探究一下洛伦兹力的大小和方向。
激发学生进一步研究的兴趣
提出问题
师：回顾安培力的判定方法：左手定则，根据上面的实验现象，你能否分析得到一个判断洛伦兹力方向的方法呢？
【师生互动，根据上面的实验，讨论正、负两种电荷判断的方法】
甲同学：用左手。（学生讲方法，师生共同判定）
乙同学：用右手。（学生讲方法，师生共同判定）
丙同学：用右手，磁场方向穿过手背……。
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推理分析
实验验证
教师：很好。如果是正电荷呢？用左手判定方便，如果是负电荷呢？用右手判定方便。下面我们从物理学的研究习惯和方便性的原则出发，归纳总结只用一只手判定洛伦兹力方向的方法呢？
生：能。（学生讲方法，师生共同判定）
师：很好！今天同学们共同研究得出洛伦兹力方向使用左手可以判定，总结刚才左手判断的方法，就是左手定则。
引导学生进一步思考：（1）使用左手定则应注意什么？（2）根据左手定则，洛伦兹力的方向跟电荷运动方向之间存在什么关系？
以解决问题为中心，充分发挥学生的主动性，仿造科学家探求未知领域知识的途径，通过提出问题、分析问题、创造性地解决问题等去掌握知识。培养创造力和创造精神。
练习巩固
根据左手定则，判断以下四种情况运动电荷所受洛仑兹
力方向，并定性画出一段运动的轨迹。
× × × ×
× × × ×
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V
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× × × ×
V
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V
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V
激发学生在探究活动学习热情，开发学习潜能。
探究三：洛伦兹力大小
以上的我们讨论了洛伦兹力的方向跟磁场方向和运动电荷的速度方向有关。那么洛伦兹力的大小与那些因素有关呢？
紧扣主题，逐步深入探究。
]提出问题
I
F
V
师：关于这个问题还是要从安培力和洛伦兹力关系分析。（根据电荷形成电流的示意图）导体放在垂直于纸面向里的磁感应强度为B的磁场中，试分析思考以下问题：
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推理分析
实验验证
1）、从微观的角度分析：当电子向右定向移动时，每个电子所受洛伦兹力的方向？从宏观的角度分析：当电子向右定向移动时，电流的方向和安培力的方向关系？【学生用以前的知识回答讨论，如上图所示。】
2）、根据上面的分析推理安培力和洛伦兹力大小存在什么关系？
甲同学：洛伦兹力的方向与安培力的方向相同；
乙同学：安培力是洛伦兹力的宏观表现（教师：很好，观点很新颖。）
丙同学：安培力是洛伦兹力的合力。
【综上所述，安培力和洛伦兹力大小存在以下关系：BIL=Nf。】
师：可见，要确定洛伦兹力大小，首先要从微观角度上分析确定电流I、电子的总个数N的大小。如果：v是电荷定向移动的速度，q是电荷的电量，n是单位体积内的电子数。
根据以前学习的知识，同学们回忆一下：在t秒内有多少个电荷通过导体某一截面？电流强度的微观表达式是什么？(用课件演示电流形成过程)
（学生回忆后回答）I=qnvs
师：BqvnsL=Nf, （师生共同分析：N=LSn）
所以：BqvN=Nf
得出磁场对运动电荷洛伦兹力的表达式：f=Bqv
【总结公式，老师强调公式的条件】
师：请同学们解释一下前面实验过程为什么条形磁铁越靠近阴极射线管电子束弯曲程度越大。【一位同学定性解释】
使学生的学习沿着事物发生、发展过程，逐步的认识事物的发展规律，进而获得对事物全面的、科学的认识。
了解宏观研究与微观研究相结合的科学方法。
培养学生建立物理模型，培养理论分析能力和运用数学解决物理问题的能力；
探究四：研究带电粒子在磁场中运动
以上我们通过一番辛苦的努力，探究分析了磁场对运动电荷洛伦兹力的规律和特点。下面我们运用这些规律和特点研究一个带电粒子垂直射入磁场中运动时的规律。
培养学生的情感，激发兴趣。
师：（出示课件）如果一个微观带电粒子垂直射入磁场中，请同学们分析一下受力情况。
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提出问题
推理分析
生：在不考虑重力的作用下，只受洛伦兹力的作用
师：为什么这个粒子不可能做直线运动？
生：因为洛伦兹力始终和速度方向垂直，根据曲线运动的条件，这个粒子只能做曲线运动。
师：为什么带电粒子只能在同一个平面内运动？
生：洛伦兹力方向始终和速度方向在同一平面内，带电粒子只能在洛伦兹力方向和速度方向相交平面内运动。
师：带电粒子运动过程中洛伦兹力做功吗？
甲同学：沿速度的方向没有力，所以速度的大小不变，动能不变，所以不做功；
乙同学：洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，所以速度的大小不变，动能不变，所以不做功；】
师：根据这两位同学的分析，速度的大小不变，动能不变，为什么洛伦兹力不做功？
丙同学：根据动能定理，因为动能的变化量为零，所以洛伦兹力不做功
师：很好！根据乙同学所讲洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，从力的作用效果讲，它是我们前面学习的哪一个力？
生：向心力。
师：推理分析一下：微观带电粒子在磁场中做什么样的运动？
生：匀速圆周运动。
【教师总结，演示课件：正、负带电粒子垂直射入磁场中的运动。】
通过新旧知识的迁移，培养学生理论分析能力和解决物理问题的能力；
借助多媒体直观形象的总结运动的规律，使学生从感性认识上升到理性的认识
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实验验证
探究五： 规律的应用
既然我们知道微观带电粒子垂直射入磁场中做匀速圆周运动。那么我们不探究它的运动的规律应该是一个遗憾。
（1）、研究带电粒子在磁场中运动的轨道半径和周期
激发进一步探究的热情。
提出问题
推理分析
师：如果一个质量为m，速度v的微观带电粒子垂直射入磁感应强度为B的磁场中，带电粒子将做匀速圆周运动，那么，向心力是由什么力提供？圆心如何确定？轨道半径多大？周期多大？
甲同学：洛伦兹力提供向心力。
乙同学：圆心是任两点速度方向垂线的交点。
师：如果匀速圆周运动的轨道半径是r，根据牛顿第二定律，它匀速圆周运动是向心力多大？洛伦兹力和向心力的关系？
生：
得：，
师：下面请同学们阅读思考教材P123页的两个问题。
利用“多学一点内容”，引导学生用理论解决实际问题，培养实践能力。
（2）、设计实验验证轨道半径规律
实验验证
师：以上我们只是推理分析，下面我们用实验验证轨道半径规律。
【实验验证：教师介绍洛伦兹力演示仪的结构、原理，然后操作演示改变B和V两种情况下电子射线径迹变化规律。】
师：周期的规律是一个非常重要的规律，遗憾的是我们今天无法用实验验证。但我们对这个规律必须有一个正确的理解。
凭我们的经验，跑步比赛时，跑的越快，历经的时间越短。为什么带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的时间与v、r无关？请谈一谈自己的观点。
生：由于带电粒子在磁场中做匀速圆周运动时速度越大轨道半径r也是越大，周长也是越大，所以周期不变。
让学生掌握：提出问题—理论论证—设计实验—实验验证是物理学的基本研究方法。
四、研究性学习：今天我们学习了带电粒子的运动方向垂直于磁场方向的情形，请同学们自己研究学习（1）v∥B，（2）v⊥B，（3）v与B成θ角，三种情形中洛伦兹力和带电粒子的运动规律。
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