磁場對運動電荷的作用力 教學設計 高二下學期物理人教版（2019）選擇性必修第二冊

教學設計

課程基本信息課題磁場對運動電荷的作用力教學目標1.通過對自然現(xiàn)象的分析和解釋，學生能發(fā)現(xiàn)洛倫茲力的存在。2.通過理論探究任務，學生能利用安培力研究洛倫茲力的存在、方向，能建立模型分析洛倫茲力的大小，能體會這種宏觀與微觀的聯(lián)系。3.通過實驗探究任務，學生能經(jīng)歷實驗探究過程和獲得證據(jù)，能解釋洛倫茲力的存在，能判斷洛倫茲力的方向。4.通過解決自然和生活問題，學生能鞏固知識，能體驗物理學自然美、邏輯美和實用的美。教學內(nèi)容教學重點：1.通過實驗和理論探究，認識和應用左手定則判斷洛倫茲力方向。2.建立物理模型，理論推導洛倫茲力大小的表達式。

教學難點：1.在較為復雜的實際情境下應用洛倫茲力知識解釋現(xiàn)象和解決問題。教學過程（一）自然情境——引入新課1.播放視頻：美麗的極光引起思考：在哪能看到這種美景？極光發(fā)生在地球兩極的原因是什么？2.任務：閱讀資料，概括極光發(fā)生在地球南北兩極的原因。極光，是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象，其多發(fā)在地球南北兩極附近地區(qū)的高空，在夜間呈現(xiàn)出燦爛美麗的光輝。其發(fā)生是由于太陽帶電粒子流（太陽風）進入地球磁場。地球磁場迫使其中一部分帶電粒子沿著磁感線集中到南北兩極，當他們進入極地的高層大氣時，與大氣中的原子和分子碰撞并激發(fā)其產(chǎn)生光芒，形成極光。（選自百度百科）抓住極光發(fā)生在南北兩極的關鍵因素：地球磁場、帶電粒子。引入課題：運動電荷在磁場中受到的力。設計意圖：利用極光的自然美吸引學生的注意。提供文字資料并提出問題幫助學生抓住研究問題的核心關鍵，將實際問題抽象為物理問題，引入本課主題。這個過程提供給學生關于運動電荷在磁場中受力的感性認識，同時能帶動學生深入思考，產(chǎn)生疑惑，激發(fā)學習興趣。（二）磁場對運動電荷有力的作用1.問題：之前學習過的內(nèi)容，哪些知識可能對今天的研究會有幫助？2.理論探究：“通電導線”，的關鍵是“通電”。電流是電荷的定向運動形成的。宏觀上磁場對電流有力的作用，微觀上磁場對運動電荷也有力的作用。3.任務：用實驗驗證磁場對運動電荷是否有力的作用。介紹陰極射線管。提供條形磁鐵，邀請一些學生參與演示實驗（讓學生戴上絕緣手套，并強調(diào)操作安全）。讓其他學生觀察不同學生的操作方式及實驗現(xiàn)象。根據(jù)學生的演示實驗現(xiàn)象提問：磁場對運動電荷是否有力的作用？這種作用可能與什么因素有關？4.介紹物理學家洛倫茲的貢獻，運動電荷在磁場中受到的力叫做洛倫茲力。設計意圖：讓學生從已有的安培力的知識經(jīng)驗出發(fā)，找到電流（宏觀）與運動電荷（微觀）的聯(lián)系，通過理論分析認識到運動電荷在磁場中受力的作用，為后續(xù)的理論探究提供思路。通過陰極射線管實驗，驗證之前學生理論分析的結(jié)果——運動電荷在磁場中會受到力。讓學生參與到演示實驗中，進一步激發(fā)學生的探究熱情，讓學生獲得洛倫茲力真實的體驗和探究的成就感。不同學生的操作方式不同，獲得不同的實驗現(xiàn)象可以為后續(xù)研究洛倫茲力的方向提供感性認識材料。（三）洛倫茲力的方向1.任務：如何利用條形磁鐵，使陰極射線管中的電子向下偏轉(zhuǎn)。請學生通過實驗驗證自己的想法，并解釋這樣操作的原因。2.歸納方法:左手定則。再次明確安培力與洛倫茲的宏觀與微觀的關系，讓學生注意研究對象是運動的電荷，所以四指指向正電荷的運動方向或負電荷運動的反方向。3.任務：利用左手定則解釋實驗中的現(xiàn)象。（1）演示實驗：條形磁鐵磁極沿著電子束運動方向靠近電子束。（磁感應強度方向與電子運動方向幾乎平行）。觀察實驗現(xiàn)象。學生解釋電子軌跡不偏轉(zhuǎn)的原因。從安培力的學習中尋找理論依據(jù)。歸納結(jié)論：v∥B時，電荷不受洛倫茲力。（2）電荷運動方向與磁感應強度既不平行，也不垂直，分析洛倫茲力的方向。圖一歸納結(jié)論：安培力方向既與電流方向垂直又與磁場方向垂直，即垂直于電流和磁場所在的平面。洛倫茲力不能改變速度大小，只能改變速度方向。洛倫茲力不做功。圖一4.應用問題：1932年，美國物理學家安德森拍下了宇宙射線中一未知粒子通過強磁場時的徑跡照片。已知該粒子由上向下運動，磁場方向垂直紙面向里。（1）這個粒子帶何種電荷？（2）這個粒子的徑跡與電子的徑跡十分相似，只是偏轉(zhuǎn)方向相反。你認為這可能是一種怎樣的粒子。設計意圖：利用具體的實驗任務驅(qū)動學生思考洛倫茲力的方向問題，在完成教學任務的同時能維持學生的探究興趣，使學生能在真實實驗情境中學習和思考。利用演示實驗儀器提供真實的情境，利用安培力方向特點分析洛倫茲力的方向特點，學生能體驗通過實驗和理論兩種手段研究物理問題的過程。不斷提問促使學生能越來越清晰的認識安培力（宏觀）與洛倫茲力（微觀）的關系。在應用知識的過程中，學生能體會洛倫茲力對物理學發(fā)展的重要作用。（四）洛倫茲力的大小1.問題：洛倫茲力的大小與什么因素有關？任務：如何利用安培力的大小研究某一電荷受到的洛倫茲力大??？學生建立理想模型,并推導洛倫茲力的表達式。讓推導思路清晰的同學展示推導過程。2.歸納：v⊥B，F(xiàn)=qvBv∥B，F(xiàn)=03.問題：靠近地球的帶電粒子在地磁場中受到洛倫茲力大小和方向是怎樣的？引導學生將實際問題抽象為物理模型和物理問題。利用運動的分解知識推導粒子速度與磁感應強度夾角為θ時洛倫茲大小的表達式。利用運動分解的方法，解釋極光只發(fā)生在地球南北兩極附近地區(qū)的原因。設計意圖：因此抓住宏觀與微觀相聯(lián)系的線索，讓學生先嘗試自己建立理論探究洛倫茲力大小的物理模型，完成推導過程，學生能獲得較大的成就感。利用極光這一實際問題，學生能利用運動分解的方法，推導洛倫茲力的表達式和解釋自然現(xiàn)象，能體會物理與生活的聯(lián)系。（五）電子束的磁偏轉(zhuǎn)1.問題：如圖所示，顯像管中電子槍工作時可以發(fā)射電子，熒光屏被電子束撞擊的位置能夠發(fā)光。電子從電子槍射出時速度指向熒光屏正中O點。解釋顯像管控制電子束能撞擊熒光屏不同位置使整個熒光屏發(fā)光的原因。設計意圖：電視機顯像管的工作原理是洛倫茲力的一個技術(shù)應用。以顯像管