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2018-2019學(xué)年高二物理上學(xué)期第14周 磁場對運動電荷的作用 洛倫茲力教學(xué)設(shè)計 一、教法和學(xué)法設(shè)計的中心思想 探究性學(xué)習(xí)是新一輪課程改革中物理課程標準里提出的重要課程理念，其宗旨是改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，突出學(xué)生的主體地位，物理教師不但應(yīng)該接受這一理念，而且必須將這一理念體現(xiàn)到教學(xué)行為中去。對學(xué)生而言，學(xué)習(xí)也是一種經(jīng)歷，其中少不了學(xué)生自己的親身體驗，老師不能包辦代替。物理教學(xué)要重視科學(xué)探究的過程，要從重視和設(shè)計學(xué)生體驗學(xué)習(xí)入手，讓學(xué)生置身于一定的情景，去經(jīng)歷、感受。 探究式教學(xué)是美國教育學(xué)家布魯納在借鑒了杜威的學(xué)習(xí)程序理論的基礎(chǔ)上首先提出的，主要可分為兩類：①引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)式：創(chuàng)設(shè)情景——觀察探究——推理證明——總結(jié)練習(xí)；②探究訓(xùn)練式：遇到問題——搜集資料和建立假說——用事實和邏輯論證——形成探究能力。經(jīng)教學(xué)實踐，形成以“引導(dǎo)——探究式”為主要框架，比較適合國內(nèi)的實用教學(xué)模式。他是以解決問題為中心，注重學(xué)生獨立鉆研，著眼于思維和創(chuàng)造性的培養(yǎng)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，仿造科學(xué)家探求未知領(lǐng)域知識的途徑，通過發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、創(chuàng)造性地解決問題等去掌握知識，培養(yǎng)創(chuàng)造力和創(chuàng)造精神。 二、教學(xué)目標 1、知識目標 1）、通過實驗的探究，認識洛倫茲力；會判斷洛倫茲力的方向。 2）、理解洛倫茲力公式的推導(dǎo)過程；會計算洛倫茲力的大小。 3）、理解帶電粒子垂直進入磁場中做勻速圓周運動的規(guī)律。 2、能力目標 1）、通過科學(xué)的探究過程，培養(yǎng)學(xué)生實驗探究能力、理論分析能力和運用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力； 2）、了解宏觀研究與微觀研究相結(jié)合的科學(xué)方法。 3、情感、態(tài)度、價值觀 讓學(xué)生親身感受物理的科學(xué)探究活動，學(xué)習(xí)探索物理世界的方法和策略，培養(yǎng)學(xué)生的思維。 三、教學(xué)設(shè)計過程 內(nèi)容提綱 內(nèi)容設(shè)計及學(xué)生活動 教法、學(xué)法設(shè)計 第一步：引入新課 播放極光圖片 課前瀏覽“神奇的極光”幻燈片。（收集了25張照片，） 開發(fā)課程資源，情感進入課堂。 引入課題：《探究洛侖茲力》 師：同學(xué)們剛才欣賞的是神奇極光的照片。你了解極光嗎？那位同學(xué)知道極光常發(fā)生在地球的什么地方嗎？ 生：極光常出現(xiàn)在地球的南極和北極地區(qū)。 師：其實在我國黑龍江漠河地區(qū)也時常發(fā)生極光現(xiàn)象。你想知道極光發(fā)生的根本原因嗎？科學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，極光與地磁場對來自太空的高速帶電粒子的作用力有關(guān)?？磥?，要解釋極光現(xiàn)象，首先要研究磁場對帶電粒子的作用力。早在1892年，荷蘭物理學(xué)家洛侖茲就研究了磁場對運動電荷的作用力的問題。為了紀念洛侖茲對物理學(xué)的貢獻，物理學(xué)中把磁場對運動電荷作用力叫洛倫茲力。 發(fā)現(xiàn)問題“任務(wù)驅(qū)動教學(xué)”進入課題研究。 第二步：新課教學(xué)“探究洛倫茲力” 探究一：洛倫茲力 （1）、從微觀的角度分析猜想磁場對運動的電荷有洛倫茲力的作用。 提出問題 推理分析 提出設(shè)想 師：首先，我們回顧一下磁場對電流的作用力—安培力。如果一段直導(dǎo)線放在磁場中，那么它受不受安培力的作用？ 生：不受。 師：那直導(dǎo)線在什么條件下受安培力的作用？ 生：直導(dǎo)線通上電流以后才受安培力的作用。 師：直導(dǎo)線通上電流以后一定有安培力的作用嗎？ 生：（思考后回答）不一定，當(dāng)通電直導(dǎo)線平行于磁場方向時，不受安培力的作用，垂直放置時安培力最大。 師：很好，當(dāng)一段直導(dǎo)線垂直放置在磁場中時不受安培力的作用，當(dāng)直導(dǎo)線垂直與磁場方向并且通上電流以后有最大安培力的作用，思考一下，電流是大量的電荷定向移動而形成，由此請同學(xué)們從微觀角度上分析猜想一下磁場對通電直導(dǎo)線的安培力產(chǎn)生的根本原因是什么？ （學(xué)生開始討論，說出猜想） 【學(xué)生猜想：磁場對通電導(dǎo)體的安培力產(chǎn)生的根本原因是由磁場對導(dǎo)體中的定向移動自由電子的作用力引起的?！? 通過復(fù)習(xí)舊知識，使知識發(fā)生遷移，培養(yǎng)學(xué)生從已有知識得出新知識的能力。 讓學(xué)生了解宏觀研究與微觀研究相結(jié)合的科學(xué)方法。培養(yǎng)學(xué)生猜想、推理和分析能力 （2）、設(shè)計實驗驗證洛倫茲力 設(shè)計實驗 實驗驗證 師：很好，既然同學(xué)們猜測到是磁場對定向移動自由電子的有力的作用。那么我們就要用實驗來驗證一下這個想法?？墒请娮邮俏⒂^粒子，不能直接觀察。要用實驗驗證同學(xué)們的猜想，就需要采取一些措施，來完成這個實驗。這里有一個陰極射線管和一個感應(yīng)圈，感應(yīng)圈能產(chǎn)生高壓。電壓有多高呢？（教師演示高壓放電現(xiàn)象）?，F(xiàn)在我把感應(yīng)圈產(chǎn)生的高壓加到陰極射線管，請大家觀察實驗現(xiàn)象。 師：同學(xué)們想知道實驗現(xiàn)象的原因嗎？ 【解釋實驗原理：陰極射線管的陰極能發(fā)射出的電子，陰極射線管利用感應(yīng)圈產(chǎn)生的高壓在陰極射線管兩極間產(chǎn)生加速電場，使陰極發(fā)射出的電子做加速直線運動形成電子束。當(dāng)電子打到熒光屏上時，發(fā)出熒光，顯示出電子束的運動徑跡?！? 師：現(xiàn)在觀察到了運動電子的徑跡，請同學(xué)們設(shè)計一下實驗，從而證實同學(xué)的猜想：磁場對運動自由電子有力的作用。 學(xué)生：在陰極射線管的周圍加一個磁場。（師：很好。） 【實驗驗證，觀察現(xiàn)象。當(dāng)條形磁鐵靠近陰極射線管時電子束彎曲，越靠近彎曲程度越大?！? 讓學(xué)生認識制定計劃和設(shè)計實驗在科學(xué)探究中的作用。培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力。 探究二：洛倫茲力方向 通過實驗證實了磁場確實對運動的電荷有力的作用。在物理學(xué)中確定一個力時總是要分析這個力的大小、方向。下面我們探究一下洛倫茲力的大小和方向。 激發(fā)學(xué)生進一步研究的興趣 提出問題 推理分析 實驗驗證 師：回顧安培力的判定方法：左手定則，根據(jù)上面的實驗現(xiàn)象，你能否分析得到一個判斷洛倫茲力方向的方法呢？ 【師生互動，根據(jù)上面的實驗，討論正、負兩種電荷判斷的方法】 甲同學(xué)：用左手。（學(xué)生講方法，師生共同判定） 乙同學(xué)：用右手。（學(xué)生講方法，師生共同判定） 丙同學(xué)：用右手，磁場方向穿過手背……。 教師：很好。如果是正電荷呢？用左手判定方便，如果是負電荷呢？用右手判定方便。下面我們從物理學(xué)的研究習(xí)慣和方便性的原則出發(fā)，歸納總結(jié)只用一只手判定洛倫茲力方向的方法呢？ 生：能。（學(xué)生講方法，師生共同判定） 師：很好！今天同學(xué)們共同研究得出洛倫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。 引導(dǎo)學(xué)生進一步思考：（1）使用左手定則應(yīng)注意什么？（2）根據(jù)左手定則，洛倫茲力的方向跟電荷運動方向之間存在什么關(guān)系？ 以解決問題為中心，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，仿造科學(xué)家探求未知領(lǐng)域知識的途徑，通過提出問題、分析問題、創(chuàng)造性地解決問題等去掌握知識。培養(yǎng)創(chuàng)造力和創(chuàng)造精神。 練習(xí)鞏固 根據(jù)左手定則，判斷以下四種情況運動電荷所受洛侖茲 力方向，并定性畫出一段運動的軌跡。 V V V V 激發(fā)學(xué)生在探究活動學(xué)習(xí)熱情，開發(fā)學(xué)習(xí)潛能。 探究三：洛倫茲力大小 以上的我們討論了洛倫茲力的方向跟磁場方向和運動電荷的速度方向有關(guān)。那么洛倫茲力的大小與那些因素有關(guān)呢？ 緊扣主題，逐步深入探究。 ]提出問題 推理分析 實驗驗證 I F V 師：關(guān)于這個問題還是要從安培力和洛倫茲力關(guān)系分析。（根據(jù)電荷形成電流的示意圖）導(dǎo)體放在垂直于紙面向里的磁感應(yīng)強度為B的磁場中，試分析思考以下問題： 1）、從微觀的角度分析：當(dāng)電子向右定向移動時，每個電子所受洛倫茲力的方向？從宏觀的角度分析：當(dāng)電子向右定向移動時，電流的方向和安培力的方向關(guān)系？【學(xué)生用以前的知識回答討論，如上圖所示。】 2）、根據(jù)上面的分析推理安培力和洛倫茲力大小存在什么關(guān)系？ 甲同學(xué)：洛倫茲力的方向與安培力的方向相同； 乙同學(xué)：安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)（教師：很好，觀點很新穎。） 丙同學(xué)：安培力是洛倫茲力的合力。 【綜上所述，安培力和洛倫茲力大小存在以下關(guān)系：BIL=Nf?！? 師：可見，要確定洛倫茲力大小，首先要從微觀角度上分析確定電流I、電子的總個數(shù)N的大小。如果：v是電荷定向移動的速度，q是電荷的電量，n是單位體積內(nèi)的電子數(shù)。 根據(jù)以前學(xué)習(xí)的知識，同學(xué)們回憶一下：在t秒內(nèi)有多少個電荷通過導(dǎo)體某一截面？電流強度的微觀表達式是什么？(用課件演示電流形成過程) （學(xué)生回憶后回答）I=qnvs 師：BqvnsL=Nf, （師生共同分析：N=LSn） 所以：BqvN=Nf 得出磁場對運動電荷洛倫茲力的表達式：f=Bqv 【總結(jié)公式，老師強調(diào)公式的條件】 師：請同學(xué)們解釋一下前面實驗過程為什么條形磁鐵越靠近陰極射線管電子束彎曲程度越大?！疽晃煌瑢W(xué)定性解釋】 使學(xué)生的學(xué)習(xí)沿著事物發(fā)生、發(fā)展過程，逐步的認識事物的發(fā)展規(guī)律，進而獲得對事物全面的、科學(xué)的認識。 了解宏觀研究與微觀研究相結(jié)合的科學(xué)方法。 培養(yǎng)學(xué)生建立物理模型，培養(yǎng)理論分析能力和運用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力； 探究四：研究帶電粒子在磁場中運動 以上我們通過一番辛苦的努力，探究分析了磁場對運動電荷洛倫茲力的規(guī)律和特點。下面我們運用這些規(guī)律和特點研究一個帶電粒子垂直射入磁場中運動時的規(guī)律。 培養(yǎng)學(xué)生的情感，激發(fā)興趣。 提出問題 推理分析 實驗驗證 師：（出示課件）如果一個微觀帶電粒子垂直射入磁場中，請同學(xué)們分析一下受力情況。 生：在不考慮重力的作用下，只受洛倫茲力的作用 師：為什么這個粒子不可能做直線運動？ 生：因為洛倫茲力始終和速度方向垂直，根據(jù)曲線運動的條件，這個粒子只能做曲線運動。 師：為什么帶電粒子只能在同一個平面內(nèi)運動？ 生：洛倫茲力方向始終和速度方向在同一平面內(nèi)，帶電粒子只能在洛倫茲力方向和速度方向相交平面內(nèi)運動。 師：帶電粒子運動過程中洛倫茲力做功嗎？ 甲同學(xué)：沿速度的方向沒有力，所以速度的大小不變，動能不變，所以不做功； 乙同學(xué)：洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小，所以速度的大小不變，動能不變，所以不做功；】 師：根據(jù)這兩位同學(xué)的分析，速度的大小不變，動能不變，為什么洛倫茲力不做功？ 丙同學(xué)：根據(jù)動能定理，因為動能的變化量為零，所以洛倫茲力不做功 師：很好！根據(jù)乙同學(xué)所講洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小，從力的作用效果講，它是我們前面學(xué)習(xí)的哪一個力？ 生：向心力。 師：推理分析一下：微觀帶電粒子在磁場中做什么樣的運動？ 生：勻速圓周運動。 【教師總結(jié)，演示課件：正、負帶電粒子垂直射入磁場中的運動?！? 通過新舊知識的遷移，培養(yǎng)學(xué)生理論分析能力和解決物理問題的能力； 借助多媒體直觀形象的總結(jié)運動的規(guī)律，使學(xué)生從感性認識上升到理性的認識 探究五： 規(guī)律的應(yīng)用 既然我們知道微觀帶電粒子垂直射入磁場中做勻速圓周運動。那么我們不探究它的運動的規(guī)律應(yīng)該是一個遺憾。 （1）、研究帶電粒子在磁場中運動的軌道半徑和周期 激發(fā)進一步探究的熱情。 提出問題 推理分析 師：如果一個質(zhì)量為m，速度v的微觀帶電粒子垂直射入磁感應(yīng)強度為B的磁場中，帶電粒子將做勻速圓周運動，那么，向心力是由什么力提供？圓心如何確定？軌道半徑多大？周期多大？ 甲同學(xué)：洛倫茲力提供向心力。 乙同學(xué)：圓心是任兩點速度方向垂線的交點。 師：如果勻速圓周運動的軌道半徑是r，根據(jù)牛頓第二定律，它勻速圓周運動是向心力多大？洛倫茲力和向心力的關(guān)系？ 生： 得：， 師：下面請同學(xué)們閱讀思考教材P123頁的兩個問題。 利用“多學(xué)一點內(nèi)容”，引導(dǎo)學(xué)生用理論解決實際問題，培養(yǎng)實踐能力。 （2）、設(shè)計實驗驗證軌道半徑規(guī)律 實驗驗證 師：以上我們只是推理分析，下面我們用實驗驗證軌道半徑規(guī)律。 【實驗驗證：教師介紹洛倫茲力演示儀的結(jié)構(gòu)、原理，然后操作演示改變B和V兩種情況下電子射線徑跡變化規(guī)律?！? 師：周期的規(guī)律是一個非常重要的規(guī)律，遺憾的是我們今天無法用實驗驗證。但我們對這個規(guī)律必須有一個正確的理解。 憑我們的經(jīng)驗，跑步比賽時，跑的越快，歷經(jīng)的時間越短。為什么帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的時間與v、r無關(guān)？請談一談自己的觀點。 生：由于帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動時速度越大軌道半徑r也是越大，周長也是越大，所以周期不變。 讓學(xué)生掌握：提出問題—理論論證—設(shè)計實驗—實驗驗證是物理學(xué)的基本研究方法。 四、研究性學(xué)習(xí)：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）v∥B，（2）v⊥B，（3）v與B成θ角，三種情形中洛倫茲力和帶電粒子的運動規(guī)律。