磁场对运动电荷的作用力 教学设计

磁场对运动电荷的作用力

湖北民族学院 蒲东伟

本节课按照“0211课堂”模式设计。 教材分析：

1. “运动电荷在磁场中受到的力”是人教社版高中《物理 选修3-1》第三节的内容。它

是在学完磁感应强度、安培力等知识的基础上，进一步研究通电导线在磁场中受安培力作用的原因，因此教材安排在安培力一节之后，深化学生对安培力进行本质上的理解。 2. 磁场对运动电荷的作用力是本章的重要内容，是磁场的性质的具体表现，在回旋加速器、

质谱仪等实际中有很广泛的应用。掌握好本节知识可以为后面的内容作铺垫，同时也有很重要的实用价值；

3. 这节课主要研究洛伦兹力的大小和方向。教材是通过几个实际生活中的实例提出问题—

—磁场对运动电荷有力的作用，再通过阴极射线管的演示实验来观察这个事实，使学生获得关于洛伦兹力的的感性认识；在此基础上，结合安培力的左手定则，直接给出判断洛伦兹力方向的左手定则；然后用一个设计简单的“思考与讨论”由学生自行推导洛伦兹力大小的表达式。

4. 这节课中突出体现了物理学由现象---假设（猜想）---实验验证基本研究方法。 学情分析： 1. 基础知识：学生知道安培力及其大小的计算和方向的判断；知道电荷定向移动形成电流。 2. 能力基础：学生有较强的观察、建模和推理能力，思维也有比较全面。 3. 态度基础；学生乐于观察、思考，对新鲜事物保留着浓厚的探究兴趣。 教学目标： 1. 知识与技能

1) 知道磁场对运动电荷有力的作用（洛伦兹力），知道安培力是洛伦兹力的宏观表现； 2) 知道洛伦兹力的方向由左手定则判定，并会用左手定则判断洛伦兹力的方向； 3) 知道洛伦兹力在v⊥B时的大小的表达式f = qvB,并会用公式进行简单计算。 2. 过程与方法

1) 通过思考讨论和实验观察，知道磁场对运动电荷有力的作用以及左手定则；

2) 根据安培力是洛伦兹力的宏观表现，由安培力的表达式推到出洛伦兹力的表达式； 3) 通过思考讨论和随堂练习，会用左手定则判断洛伦兹力方向和公式计算洛伦兹力大

小。

3. 情感、态度与价值观

1) 通过观察和分组讨论，提升观察能力、思维水平，培养学生团队合作精神；

2) 通过本节教学，要向学生传达由“现象---假设---实验验证”科学研究的方法与思想，

培养学生对物理的学习兴趣。 教学重点与难点：

1. 教学重点：洛伦兹力方向的判断、洛伦兹力大小计算。 2. 教学难点：洛伦兹力大小公式的推导。

教学媒体：直流电源、高压感应线圈、阴极射线管、蹄型磁铁。 教学方法：讲授、实验演示、分组讨论 教学时间：1课时

教学设计： 教学步骤 教学过程与方法 板书与教学活动设计 播放视频，介绍现象 引入 【观察】 电视显像管的工作，激光现象 设疑导入 【问题】 电视显像管中的电子只是细细的一束，为什么却能使 5. 磁场对运动电荷的作用力 整个屏幕发光？从宇宙深出射来的带电粒子为什只在地球两极 引起极光现象？ 2’ 要回答这些问题，就需要了解磁场对运动电荷的作用规律。 探究 一、洛伦兹力f 学生一起回答 复习铺垫 【回顾旧知】 安培力：通电导线在磁场中受到的力，叫安培力 ?? 安培力的方向：左手定则 ? ?? 安培力的大小：F=ILBsin?? 自由发言 1) ??90○:L⊥B,F=ILB 2) ??0○: L∥B,F=0 4’ 【思考与讨论】?探究新知 ?问题一：导线不通电时就不受磁场力，通电时就受到磁场力的 作用；导线中通有电流是什么意思？? （导线中有电流，就是指导线中的自由电荷发生了定向移动。）? ?问题二：导线通电时就受到磁场力的作用，也就是导线的中自 由定向移动时，导线就受到磁场力???那么，所谓磁场对通电导 线的作用力，会不会实际上就是在做定向移动的电荷上？? 提出问题 猜想 模拟动画 ?问题三：磁场会对定向移动的电荷有力的作用？?（电荷定向移动时形成了电流，磁场对这个电流有力的作用???也就是对电荷有力的作用）???【?演示实验】?磁场对运动电荷的作用?介绍：磁场???蹄型磁铁；运动电荷???阴极射线管、高压线圈。?小组讨论、发言排演 适时拓展：可否进一步判断这个力的方向？ 点学生参与（拿磁铁） 9’ 实验验证 实验步骤一：不加磁场时，观察荧光屏显示电子束径迹；? 实验步骤二：加磁场时，观察电子束的偏转，得出结论；? 结论：磁场对运动电荷有力的作用。? 【介绍?】最早提出?磁场对运动电荷有力的作用?的是荷兰物理 13’ 学家洛伦兹，为了纪念他，人们把?运动电荷在磁场中受到的力” 称作洛伦兹力。 提出问题 1. 洛伦兹力的方向---左手定则 一、洛伦兹力f 1、方向 自由发言， 【问题】 力是矢量，有大小有方向。运动电荷在磁场中所受 的洛伦兹力的方向是怎样的呢？ 实验验证 点学生参与（拿磁铁） （左手定则） 【演示实验】 洛伦兹力的方向 实验步骤一：对某一磁场方向，观察电子束 的偏转方向； 实验步骤二：改变磁场方向，观察电子束的偏转方向； 结论：洛伦兹力的方向由左手定则判定。 ——左手定则 学生独立作业，集体回答 16’ 【练习】??课本第??页第?题?训练 19' 拓展铺垫 ??、洛伦兹力与安培力?【问题】??回到最先提到的一个问题：所谓磁场对通电导线的作用力，会不会是作用在定向移动的电荷上的呢？?（是的，导线内自由电荷定向移动时受到洛伦兹力而发生侧移，从而推动导线侧移。）? 2、洛伦兹力与安培力 举手回答 模拟动画 -----安培力F是洛伦兹力f的宏观表现 ? 【介绍】 理论研究表明，通电导线所受的安培力实际上是作21' 用在定向移动电荷上的洛伦兹力的宏观表现。 二、 洛伦兹力的大小：f=qvBsin?? 1、猜想 【思考与讨论】 力是矢量，有大小有方向。洛伦兹力的方向 已经清楚了，那么洛伦兹力的大小的是怎样的呢？或者说，洛 伦兹力的大小与那些因素有关呢？是什么关系？ 提示一：怎样才能产生洛伦兹力？应当从产生洛伦兹力的这个 这两个要素上寻找决定洛伦兹力大小的因素。 提示二：洛伦兹力的大小与这些因素具体是怎样的的关系？比 如电荷运动速度变大时，洛伦兹力如何变化？试从洛伦兹力产 生机制角度这一问题。 1洛伦兹力f的大小可能与运动电荷的电量q、质量m、形状 （○2q 和运动速度v有关，还可能与磁场的强度B和方向有关；○二、洛伦兹力的大小 1、猜想： 分组讨论，代表发言 引导学生猜想 辨析各种猜测 q↑、v↑，B↑，f↑ 2.推导： 分组讨论、代表演排 引导学生建模 26' ↑、v↑→I↑，B↑，f↑） 提示三：带电粒子的质量m、形状是电荷的本质参量吗？ 定量推导 2.推导：v⊥B时，f=qvB 【思考与讨论】 要定量推导洛伦兹力大小的表达式，如何建 模？ 提示一：我们已经学习了磁场对电流的作用力---安培力的定 评价此方案不合理之处 引导学生推到 量表达式，而安培力又是洛伦兹力的宏观表现，我们可否从安 培力入手导出洛伦兹力的表达式？ 提示二：由安培力入手推导洛伦兹力的表达式，我们就需要 把安培力的I、L、B这些参量和决定运动电荷所受洛伦兹力的 因素q、v、B联系起来，这又怎样建模？ 提示三：如何建立洛伦兹力f与安培力F的定量关系？ 立电荷以速度v在磁场中定向间t，如下 t (方案一：孤 运动一段时v I?q,L?vt,f?ILB?q?vt?B?qvB 方案二：课本第96页“思考与讨论” 模型：（如右图） 依据：安培力是洛伦兹力的表现---F=Nf 推导：N=n·vt·S I?Nq?nvqs t L=vt,F=ILB FILBnvqS?vt?Bf????qvB NNnvtS ) 提示四：上述推导都是建立在v⊥B的基础上的，故这个表达式 只适用于v⊥B的情况。 36' 结束 【?小结】?本节的学习内容?模型：n，q，S，v，t，B 依据：F=Nf 推导： FILB?NNnvqS?vt?B?nvtS ?qvBf? 学生一起回答 ① 通过理论依据和实验观察，我们知道了磁场对电荷有力的 作用，这种力叫洛伦兹力； ② 通过理论猜想和实验验证，我们知道了洛伦兹力的方向判 定的方法：左手定则； ③ 我们知道了洛伦兹力和安培力的关系：安培力是洛伦兹力 的宏观表现； ④ 根据洛伦兹力和安培力的关系，推导出了在v⊥B情况下洛 伦兹力大小的表达式：f=qvB； 【任务】 思考与讨论：v不垂直于B的情况下，磁场对 40' 运动电荷有力的作用吗？如果有，这个力的表达式又怎样？

教学反思与总结：

附：

磁场对运动电荷的作用力 . 导学案

一、 学习目标：

1、知道什么是洛伦兹力，知道洛伦兹力与安培力的关系。 2、知道如何判断洛伦兹力的方向。

3、洛伦兹力大小的表达式，并会用其进行计算。 二、 学习方法：分组讨论 三、 重点、难点：

重点：洛伦兹力大小的计算与方向的判定。 难点：洛伦兹力大小公示的推导。

四、 预习检测

1.如图所示的各图中，匀强磁场的磁感应强度均为B，带电粒子的速率均为v，带电荷量均为q。试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小，并判断洛伦兹力的方向。

2.电子的速率v=3.0×10m/s沿着与磁场方向垂直的方向射入B=0.1T的匀强磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？

3. 试判断下图中各带电粒子所受洛伦兹力的方向或带电粒子的带电情况。

6

4.如图所示的虚线区域内，充满垂直于纸面向里的匀强磁场和竖直向下的匀强电场。一带电粒子a（不计重力）以一定的初速度由左边界的O点射入磁场、电场区域，恰好沿直线由区域右边界的O?点（图中未标出）穿出。若撤去该区域内的磁场而保留电场不变，另一个同样的粒子b（不计重力）仍以相同初速度由O点射入，从区域右边界穿出，则粒子b

（ ）。

A. 穿出位置一定在O?点下方 B. 穿出位置一定在O?点上方

C. 运动时，在电场中的电势能一定减小 D. 在电场中运动时，动能一定减小

附：

磁场对运动电荷的作用力 . 导学案

一、 学习目标：

1、知道什么是洛伦兹力，知道洛伦兹力与安培力的关系。 2、知道如何判断洛伦兹力的方向。

3、洛伦兹力大小的表达式，并会用其进行计算。 二、 学习方法：分组讨论 三、 重点、难点：

重点：洛伦兹力大小的计算与方向的判定。 难点：洛伦兹力大小公示的推导。

四、 预习检测

1.如图所示的各图中，匀强磁场的磁感应强度均为B，带电粒子的速率均为v，带电荷量均为q。试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小，并判断洛伦兹力的方向。

2.电子的速率v=3.0×10m/s沿着与磁场方向垂直的方向射入B=0.1T的匀强磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？

3. 试判断下图中各带电粒子所受洛伦兹力的方向或带电粒子的带电情况。

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4.如图所示的虚线区域内，充满垂直于纸面向里的匀强磁场和竖直向下的匀强电场。一带电粒子a（不计重力）以一定的初速度由左边界的O点射入磁场、电场区域，恰好沿直线由区域右边界的O?点（图中未标出）穿出。若撤去该区域内的磁场而保留电场不变，另一个同样的粒子b（不计重力）仍以相同初速度由O点射入，从区域右边界穿出，则粒子b

（ ）。

A. 穿出位置一定在O?点下方 B. 穿出位置一定在O?点上方

C. 运动时，在电场中的电势能一定减小 D. 在电场中运动时，动能一定减小

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