《運動電荷在磁場中受到的力》

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1、《運動電荷在磁場中受到的力》教案 編輯：苑繼鋒 諸城一中 一、教案背景： 1、面向?qū)W生：諸城一中高二學(xué)生? 2、學(xué)科：高二物理 3、課時：1課時 4、學(xué)生課前準備：電子射線管、電源、蹄形磁鐵、投影儀、小黑板、彩色水筆。 二、教學(xué)課題 本節(jié)課可分三部分：首先通過觀察演示實驗，討論洛倫茲力的方向，這一部分是學(xué)生的一個實驗探究活動。然后將安培力看作是大量運動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，通過安培力公式導(dǎo)出洛倫茲力的公式，這一部分是學(xué)生的一個理論探究活動。最后，研究帶電粒子在磁場中的運動，這一部分是學(xué)生的一個理論分析和實驗驗證的探究活動。教材的這種安排，符合

2、了新課程標準，起到了承上啟下的作用，使物理學(xué)習(xí)能連續(xù)進行；符合學(xué)生的發(fā)展的要求；體現(xiàn)了教材重視課堂教學(xué)中的師生互動，學(xué)生自覺參與活動和學(xué)生合作探究的新課程教學(xué)理念，對應(yīng)的目標是： 1、知識目標 (1)知道什么是洛倫茲力。知道電荷運動方向與磁場方向平行時，電荷受到的洛侖茲力等于零。 (2) 會利用左手定則判斷洛倫茲力的方向。 (3)知道洛倫茲力大小的推理過程。 (4)掌握垂直進入磁場方向的帶電粒子，受到洛倫茲力大小的計算。 2、能力目標 通過洛倫茲力大小的推導(dǎo)過程培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力，培養(yǎng)學(xué)生的遷移能力。 3、德育目標 讓學(xué)生認真體會科學(xué)研究最基本的思維方法：“推理—假設(shè)—實

3、驗驗證”。 【教學(xué)重點】 (1)利用左手定則會判斷洛倫茲力的方向。 (2)掌握垂直進入磁場方向的帶電粒子，受到洛倫茲力大小的計算。 【教學(xué)難點】 洛倫茲力方向的判斷。 【教學(xué)方法】 講述法、分析推理法、講練法。 在教學(xué)中以實驗探究方法為主，輔之講授法、演示法、討論法等多種教學(xué)方法，教學(xué)中注重啟發(fā)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生間協(xié)作精神，加強師生間的雙向活動。 三、教材分析? 物理學(xué)體系中本章是經(jīng)典電磁學(xué)理論的基本內(nèi)容，而本節(jié)課是安培力的延續(xù)，又是后面學(xué)習(xí)帶電體在磁場中運動的基礎(chǔ)，反應(yīng)磁場和運動電荷的相互作用，是學(xué)生后面了解現(xiàn)代科技回旋加速器，質(zhì)譜儀，磁流體發(fā)電機等的基礎(chǔ)，還是力、電

4、、磁綜合問題分析中重要的一部分。從新課程改革以來，幾乎每年高考都有涉及洛侖茲力的計算大題，由此，足以說明其重要性。 學(xué)生已具備力學(xué)、電磁學(xué)相關(guān)知識，學(xué)習(xí)完磁場對通電導(dǎo)線作用即安培力。并且也熟悉一直以來物理學(xué)的“提出問題—猜想假設(shè)—實驗驗證”的科學(xué)探究方法。而且高二的學(xué)生已經(jīng)有了一定的觀察、分析、推理能力及空間想象能力，是學(xué)習(xí)洛侖茲力的能力基礎(chǔ) 。但是由于日常生活中我們無法用肉眼觀察到運動電荷，學(xué)生對電荷在磁場中的運動缺乏感性認知。而我們的學(xué)生習(xí)慣于形象思維，對微觀的物理知識意識較薄弱，知識的系統(tǒng)性也不足。 四、教學(xué)過程： 第一部分：課前自主學(xué)習(xí) 主動落實學(xué)案（點擂臺對學(xué)生檢測）

5、1、 安培力的定義： 2、 安培力的大?。?當B⊥I 時 ： F= 當B與磁場的夾角為θ時：F= 30° I B 如何推導(dǎo)： I B 3、安培力方向如何的判定： 4、判斷安培力的方向 5、通電導(dǎo)線中的電流是怎樣形成的呢? 6、洛倫磁力的定義： 7、洛倫磁力的方向判定： 8、運動電荷的速度方向與磁場方向垂直時：F= 運動電荷的速度方向與磁場方向的夾角為θ，運動電荷所受的洛倫茲力公式F= 第二部分：課堂互動探究 整合提升 新課導(dǎo)學(xué) 實驗探究一：提出問題—猜想假設(shè)—實驗驗證 1、新課引入（提出問題-

6、-猜想假設(shè)--實驗觀察） 大自然是美麗的，是五彩繽紛的，現(xiàn)在讓我們先來領(lǐng)略它的美 展示：極光圖片百度搜索 地磁場阻擋太陽風(fēng) “江山如此多嬌、引無數(shù)英雄競折腰”在我們?yōu)樽匀恢蓝兆?、折服的時候，我們不禁也會思考：美麗的極光是怎么形成的？在它的背后隱藏著怎樣的自然規(guī)律呢？ 我們還知道，地球存在一個地磁場，由帶電粒子所構(gòu)成的宇宙射線以很高的速率不斷地轟擊地球，而這個地磁場卻可以屏蔽掉這些射線以保護地球，那么地磁場為何能產(chǎn)生這種作用呢？ 這兩種看似毫不相干的現(xiàn)象在它們的背后都隱藏著統(tǒng)一的、和諧的物理規(guī)律。這兩種問題的答案都跟我們今天要學(xué)習(xí)的一種力有關(guān)。引出本節(jié)課課題

7、 問題1：垂直于磁場的電流在磁場中受到什么力？ 答案：安培力 問題2：電流是怎么形成的？如果通電導(dǎo)線的電流為零，作用力是多少呢？ 答案：自由電荷的定向移動。如果通電導(dǎo)線的電流為零，力為零。 磁場對電流有力的作用，而電流是由大量自由電荷的定向移動形成的，我們自然就會猜想到：這個力很可能是作用在運動電荷上的， 思考與討論：如何才能驗證運動電荷在磁場中是否會受到力的作用？ 答案：看運動電荷在磁場中的軌跡是否會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 我們知道“實踐是檢驗真理的唯一標準”，為了驗證我們的猜想是否正確自然就需要做實驗 儀器介紹：陰極射線管 原理：從陰極發(fā)射出來電子，在陰陽兩極間的高壓作用下，使電子加

8、速，形成電子束，轟擊到長條形的熒光屏上激發(fā)出熒光，可以顯示電子束的運動軌跡。 　課件：洛倫茲是荷蘭偉大的物理學(xué)家，他的最大貢獻就是他的電子論。愛因斯坦對他有很高的評價，他說，他的一生受洛倫茲的影響最大，稱洛倫茲是“我們是時代最偉大、最尊貴的人”。百度搜索：洛倫茨 問題3：不加磁場和加上磁場時電子的軌跡有何變化？ 演示：百度搜索:（視頻實驗） 實驗現(xiàn)象：在沒有外磁場時，電子束沿直線運動，將蹄形磁鐵靠近電子射線管，發(fā)現(xiàn)電子束運動軌跡發(fā)生了彎曲。 實驗結(jié)論：磁場對運動電荷的確有力的作用，我們的猜想是正確的。 『總結(jié)』：洛倫磁力定義：運動電荷在磁場中受到的力

9、 安培力和洛倫磁力的關(guān)系：安培力是各電荷的洛倫茲力的合力 探究二：洛侖茲力方向 （提出問題--猜想假設(shè)--實驗驗證—練習(xí)—總結(jié)） 提出問題： 問題1、安培力的方向如何判定？洛倫磁力和安培力什么關(guān)系？ 答案：左手定則，（具體內(nèi)容）安培力是各電荷的洛倫茲力的合力 問題2、電流的方向是怎么規(guī)定的？ 答案：正電荷定向移動的方向 問題3、如何來判斷洛倫茲力的方向呢？ 我們回顧一下電流形成和電流方向的規(guī)定；安培力方向的判定方法：左手定則。根據(jù)上面實驗的一束電子流在磁場中的偏轉(zhuǎn)情況，洛倫茲力又是安培

10、力的微觀表示，你能否分析得到一個判斷洛侖茲力方向的方法呢？ 猜想假設(shè)：磁場對電流的作用力實質(zhì)上就是磁場對運動電荷作用力。也就是說洛倫茲力可能與電荷的運動方向、磁場方向有關(guān)。安培力的方向用左手定則來判斷，洛倫茲力是否也可以采用同樣方法。 我們自然也會猜想到：洛倫茲力的方向是否也應(yīng)該遵循左手定則？ 假設(shè)洛倫茲力的方向真的符合左手定則，那么我們就應(yīng)該讓四指指向正電荷的運動方向。其他條件不變。那么我們就按照假設(shè)一起動手來比劃比劃。 學(xué)生活動：洛倫茲力方向的判斷──左手定則 伸開左手，使大拇指和其余四指垂直，且處于同一平面內(nèi)，把手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，四指指向正電荷運動的方向，

11、那么，拇指所指的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向。 問題4：若是負電荷在磁場中運動，那么其洛倫茲力的方向如何判斷？ 答案：讓四指指向負電荷運動的相反方向。 實驗驗證：下面我們依然通過實驗來驗證我們的猜想是否正確，我們先用左手定則判斷方向再做實驗證實。實驗證實洛倫茲力的方向的確也遵循左手定則，猜想正確。這也說明：提出猜想——進行實驗——獲得結(jié)論 這種科學(xué)研究的方法是非常有效的。 百度搜索：實驗驗證（磁場方向、電子的運動方向及洛倫茲方向間的關(guān)系） B + B + F B + V 實驗驗證：觀察陰極射線的電子流在磁場中的運動，先判斷電流的方向，用左手定則判斷安培力

12、的方向，推斷得到電子的受力方向。由學(xué)生交流自己的判斷方法。 問題5、磁場方向、電子的運動方向及洛倫茲方向間的關(guān)系如何？磁場的方向一定與電荷運動的方向垂直嗎？ 問題6、以相同速度垂直進入同一勻強磁場的正、負電荷受到的洛倫茲力方向關(guān)系呢？ 答案：B和V方向不一定垂直，F(xiàn)洛必垂直于B、V確定的平面。 古詩有云：“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行”，就是告訴我們“光說不練是不行的”，要想深刻的掌握所學(xué)的理論就必須親自動手操作，理論與實踐要相結(jié)合嘛！現(xiàn)在我們就來練一練： 請同學(xué)們上黑板來展示你們的風(fēng)采： 『針對訓(xùn)練』： 試判斷下圖中所示的帶電粒子剛進入磁場時所受的洛倫茲力的方向。

13、 總結(jié)練習(xí)：今天同學(xué)們共同研究得出洛侖茲力方向使用左手可以判定，總結(jié)剛才左手判斷的方法，就是左手定則，通過練習(xí)提醒學(xué)生注意：電荷所受的洛倫茲力既垂直于磁場方向，又垂直于電荷運動方向。即垂直于磁場方向和電荷運動方向所決定的平面。若不垂直怎樣，設(shè)疑引思考。 『總結(jié)』： 洛倫茲力的方向判斷方法：洛倫茲力方向的判斷──左手定則 方向的關(guān)系：B和V方向不一定垂直，F(xiàn)洛必垂直于B、V確定的平面。 探究三：洛侖茲力大小 （建立模型—小組討論—得出結(jié)論—知識拓展---能力提升） 建立模型：以上的我們討論了洛侖茲力的方向跟磁場方向和運動電荷的速度方向有關(guān)。 小組討論：安培

14、力是洛侖茲力的宏觀表現(xiàn)，要確定洛侖茲力大小，首先要從微觀角度上分析確定電流強度大小。 『猜想』：洛倫茲力大小可能會與哪些因素有關(guān)呢? 【小組合作】（洛倫茲力的定量推導(dǎo)）： 百度搜索： 若有一段長度為L的通電導(dǎo)線，橫截面積為S，單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電量為q，定向移動的平均速率為v，將這段導(dǎo)線垂直于磁場方向放入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中。求： 1．有一段長度為L的通電導(dǎo)線內(nèi)的粒子總數(shù)N= 2．通過截面電流的微觀表達式I= 3．導(dǎo)線垂直于磁場方向放入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，導(dǎo)線受到的安培力F= 4．每個電

15、荷所受的洛倫茲力= 『總結(jié)』： 洛倫茲力的大?。篎洛=qvB?? (電荷q所受的洛倫茲力) 公式中各量的國際單位：F為N，q為C，v為m/s，B為T。 適用條件： （B⊥V時 ） 得出結(jié)論：F洛=qvB ?（B⊥V時） ????????? F洛=0??? （B∥V時） ? 鞏固練習(xí)： 電子以v＝3×106 m/s的速率垂直射入B＝0.10 T的勻強磁場中，它受到的洛倫茲力是多大？ 解：F＝qvB＝1.60×10－19×3×106×0.10N＝4.8×10－1

16、4 N。 注意：就算時，電量不帶符號。 問題5：現(xiàn)在你知道為什么地磁場對地球有保護作用了嗎？ 答案：運動電荷在磁場中受到洛倫茲力的作用，運動方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這一點對于地球上的生命來說有十分重要的意義。從太陽或其他星體上，時刻都有大量的高能粒子流放出，稱為宇宙射線，這些高能粒子流，如果都到達地球，將對地球上的生物帶來危害。慶幸的是，地球周圍存在地磁場，地磁場改變宇宙射線中帶電粒子的運動方向，對宇宙射線起了一定的阻擋作用。 ?『知識拓展』： 1、設(shè)運動電荷的速度方向與磁場方向的夾角為θ，此時運動電荷所受的洛倫茲力公式如何推導(dǎo)？ 洛倫茲力的一般表達式是F洛=qvBsinθ（B與V有夾角θ

17、） 『能力提升』： 問題1、洛倫茲力方向與帶電粒子的運動方向始終有什么關(guān)系？洛倫茲力改變帶電粒子運動的速度嗎？帶電粒子的動能改變嗎？洛倫茲力對帶電粒子做的功嗎？ 答案：洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小，所以洛倫茲力對電荷不做功。洛倫茲力對運動電荷永不做功 問題2、當帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進入磁場時會怎樣運動？ 答案：勻速圓周運動。 探究四：研究帶電粒子在磁場中運動 (引導(dǎo)學(xué)生用理論解決實際問題，培養(yǎng)實踐能力。) 洛倫茲的應(yīng)用是非常廣泛的。比如，在電視機的顯象管中。 百度搜索：在電視機的顯象管中原理 ? ? 1．電視機實驗 介紹：電視機屏幕要顯

18、示出圖象，必須要有電子打到熒光屏的各個地方上。那么，電子從哪里來呢？顯象管的電子槍能產(chǎn)生大量的高速運動的電子──電子束。但是電子都沿同一個方向運動，有什么辦法可以使電子打到熒光屏的各個地方呢？ 答案：加一水平的偏轉(zhuǎn)磁場。 問題：該怎么加才能使電子打到熒光屏上的A點呢？若要打到B點呢？若要使電子打到熒光屏的位置從B點逐漸向A點移動呢？ 回答：向外、向內(nèi)、向內(nèi)減弱至向外增強。 　 演示：拖動變阻器，光點位置在熒光屏上從B點逐漸向A點移動 師：這樣，在電視機屏幕上就有光點從左邊移動到右邊，這在電視技術(shù)中叫做行掃描。但是，實際的電視應(yīng)該電子束打到熒光屏的整個面，而不是一條線，我們該怎么辦呢

19、？ 回答：加一豎直的偏轉(zhuǎn)磁場。 ?演示：拖動變阻器，光點在熒光屏上上下移動。 ? 問題：這在電視技術(shù)中叫做場掃描。如果場掃描和行掃描同時進行，想象一下，光點的運動情況會是怎么樣的呢？ 　　動畫：掃描（場掃描：50場/秒，所以我們感到整個熒光屏都在發(fā)光）? 　　2．極光現(xiàn)象 　　問題：極光是來自太陽的高能粒子進入大氣后，與大氣發(fā)生作用而產(chǎn)生的。為什么在赤道卻從來沒有它的身影呢？百度搜索 ? ? 　　回答：解釋垂直射向赤道（向東偏轉(zhuǎn)）和兩極（長驅(qū)直入）的正電荷，并得出結(jié)論。 ?至于有的時候高緯度地區(qū)也有極光出現(xiàn)，有興趣的同學(xué)課后可以通過上網(wǎng)等方式查閱。地磁場使得在赤道等

20、低緯度地區(qū)沒有極光的身影，這的確是一種遺憾，但是，也正因為地磁場的存在，使我們?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活免遭宇宙高能粒子的傷害。 ? 視頻：來自太陽的高能粒子射向地球。 　　3．其他 　　其實洛倫茲力的應(yīng)用是非常廣泛，在以后我們還將會學(xué)習(xí)到：速度選擇器、磁流體發(fā)電機、質(zhì)譜儀、回旋加速器等。 研究性學(xué)習(xí)： 1、今天我們學(xué)習(xí)了帶電粒子的運動方向垂直于磁場方向的情形，請同學(xué)們自己研究學(xué)習(xí)（1）B∥V，（2）B⊥V，（3）B與V成θ角，三種情形中洛侖茲力和帶電粒子的運動規(guī)律。 ? 2、在許多科學(xué)儀器和工業(yè)設(shè)備，例如質(zhì)譜儀，粒子加速器，電子顯微鏡，磁鏡裝置，霍耳器件中，洛倫茲力都有廣泛應(yīng)用。 3

21、、既然安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，洛倫茲力對運動電荷不作功，何以安培力能對載流導(dǎo)線做功呢？實際上洛倫茲力起了傳遞能量的作用，它的一部分阻礙電荷運動作負功，另一部分構(gòu)成安培力對載流導(dǎo)線作正功，結(jié)果仍是由維持電流的電源提供了能量。 本節(jié)課你的收獲與疑問： ?作業(yè)、（1）閱讀教材信息瀏覽“地磁與極光”。 （2）并把P124 1—3做到作業(yè)本上。 板書設(shè)計 3.5 磁場對運動電荷的作用力 一、洛倫茲力 定義：運動電荷在磁場中受到的力 二、洛倫茲力的方向 1.判定--左手定則 2.特點：B和V方向不一定垂直，F(xiàn)洛必垂直于B、V確定的平面。 三、洛倫茲力的大小

22、F洛=qvB? （B⊥V時） ??? F洛=0??? （B∥V時） ??? F洛=qvBsinθ （B與V有夾角θ） 五、教學(xué)反思： 洛侖茲力與重力、彈力及摩擦力相比是比較抽象的，理解上也有一定的難度。直接指出該力的產(chǎn)生原因再進行推導(dǎo)，最后由實驗驗證也完全可以。然而考慮到該力的抽象性，從已知的安培力產(chǎn)生的本質(zhì)原因入手，善于利用數(shù)學(xué)工具解決物理問題是學(xué)好物理必不可少的前提條件之一。整體教學(xué)過程安排的設(shè)想是為了培養(yǎng)學(xué)生用分析、猜想、實驗（觀察）、理論驗證的科學(xué)方法探求新知識的能力。由于這節(jié)課有實驗、課件等增加了課堂的容量。在教學(xué)方法上采用了“引導(dǎo)--探究--總結(jié)”的的教學(xué)方法，我把

23、探究學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)放在首位，體現(xiàn)以學(xué)生為主體的原則。鼓勵學(xué)生進行小組討論、團結(jié)合作齊動手，讓學(xué)生自己觀察思考，發(fā)散學(xué)生思維。激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性，發(fā)揮學(xué)生的主體意識，教師只起到了啟發(fā)、誘導(dǎo)、點拔的作用，使學(xué)生真正成為教學(xué)的主體。學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性很高，能主動的融入到課堂中，順利的完成了教學(xué)任務(wù) 教學(xué)資源：《中學(xué)物理》《百度搜索》 【當堂檢測】（3分鐘） 1、關(guān)于帶電粒子所受洛侖茲力f、磁感應(yīng)強度B和粒子速度v三者之間的關(guān)系，下列說法中正確的是（ ） A、f、B、v三者必定均相互垂直 B、f必定垂直于B、v，但B不一定垂直v C、B必定垂直于f，但f不一定垂直于v D、v必定垂直于f，但f不一定垂直于B 2、兩個帶電粒子以相同的速度垂直磁感線方向進入同一勻強磁場，兩粒子質(zhì)量之比為1：4，電量之比為1：2，則兩帶電粒子受洛侖茲力之比為（ ） A、2：1 B、1：1 C、1：2 D、1：4 3、如圖所示，在電子射線管上方平行放置一通電長直導(dǎo)線，則電子射線將（ ） A、向上偏 B、向下偏 C、向紙內(nèi)偏 D、向紙外偏