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2019-2020年高中物理 3.4 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用—洛倫茲力教案 教科版選修3-1 一、教法和學(xué)法設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(yàn)，老師不能包辦代替。物理教學(xué)要重視科學(xué)探究的過(guò)程，要從重視和設(shè)計(jì)學(xué)生體驗(yàn)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(guó)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(wèn)題——搜集資料和建立假說(shuō)——用事實(shí)和邏輯論證——形成探究能力。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐，形成以“引導(dǎo)——探究式”為主要框架，比較適合國(guó)內(nèi)的實(shí)用教學(xué)模式。他是以解決問(wèn)題為中心，注重學(xué)生獨(dú)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(dòng)性，仿造科學(xué)家探求未知領(lǐng)域知識(shí)的途徑，通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、創(chuàng)造性地解決問(wèn)題等去掌握知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)造力和創(chuàng)造精神。 二、教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)目標(biāo) 1）、通過(guò)實(shí)驗(yàn)的探究，認(rèn)識(shí)洛倫茲力；會(huì)判斷洛倫茲力的方向。 2）、理解洛倫茲力公式的推導(dǎo)過(guò)程；會(huì)計(jì)算洛倫茲力的大小。 3）、理解帶電粒子垂直進(jìn)入磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。 2、能力目標(biāo) 1）、通過(guò)科學(xué)的探究過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力、理論分析能力和運(yùn)用數(shù)學(xué)解決物理問(wèn)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(jià)值觀 讓學(xué)生親身感受物理的科學(xué)探究活動(dòng)，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(jì)過(guò)程 內(nèi)容提綱 內(nèi)容設(shè)計(jì)及學(xué)生活動(dòng) 教法、學(xué)法設(shè)計(jì) 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(kāi)發(fā)課程資源，情感進(jìn)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(shí)在我國(guó)黑龍江漠河地區(qū)也時(shí)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(chǎng)對(duì)來(lái)自太空的高速帶電粒子的作用力有關(guān)?？磥?lái)，要解釋極光現(xiàn)象，首先要研究磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力的問(wèn)題。為了紀(jì)念洛侖茲對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)，物理學(xué)中把磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷作用力叫洛倫茲力。 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題“任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)”進(jìn)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(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的電荷有洛倫茲力的作用。 提出問(wèn)題 推理分析 提出設(shè)想 師：首先，我們回顧一下磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力—安培力。如果一段直導(dǎo)線放在磁場(chǎng)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(chǎng)方向時(shí)，不受安培力的作用，垂直放置時(shí)安培力最大。 師：很好，當(dāng)一段直導(dǎo)線垂直放置在磁場(chǎng)中時(shí)不受安培力的作用，當(dāng)直導(dǎo)線垂直與磁場(chǎng)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(dòng)而形成，由此請(qǐng)同學(xué)們從微觀角度上分析猜想一下磁場(chǎng)對(duì)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(kāi)始討論，說(shuō)出猜想） 【學(xué)生猜想：磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的安培力產(chǎn)生的根本原因是由磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體中的定向移動(dòng)自由電子的作用力引起的?！? 通過(guò)復(fù)習(xí)舊知識(shí)，使知識(shí)發(fā)生遷移，培養(yǎng)學(xué)生從已有知識(shí)得出新知識(shí)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(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證洛倫茲力 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 師：很好，既然同學(xué)們猜測(cè)到是磁場(chǎng)對(duì)定向移動(dòng)自由電子的有力的作用。那么我們就要用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一下這個(gè)想法?？墒请娮邮俏⒂^粒子，不能直接觀察。要用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證同學(xué)們的猜想，就需要采取一些措施，來(lái)完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。這里有一個(gè)陰極射線管和一個(gè)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(qǐng)大家觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 師：同學(xué)們想知道實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因嗎？ 【解釋實(shí)驗(yàn)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(chǎng)，使陰極發(fā)射出的電子做加速直線運(yùn)動(dòng)形成電子束。當(dāng)電子打到熒光屏上時(shí)，發(fā)出熒光，顯示出電子束的運(yùn)動(dòng)徑跡?！? 師：現(xiàn)在觀察到了運(yùn)動(dòng)電子的徑跡，請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)一下實(shí)驗(yàn)，從而證實(shí)同學(xué)的猜想：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)自由電子有力的作用。 學(xué)生：在陰極射線管的周圍加一個(gè)磁場(chǎng)。（師：很好。） 【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，觀察現(xiàn)象。當(dāng)條形磁鐵靠近陰極射線管時(shí)電子束彎曲，越靠近彎曲程度越大?！? 讓學(xué)生認(rèn)識(shí)制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)探究中的作用。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。 探究二：洛倫茲力方向 通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了磁場(chǎng)確實(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)的電荷有力的作用。在物理學(xué)中確定一個(gè)力時(shí)總是要分析這個(gè)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(jìn)一步研究的興趣 提出問(wèn)題 推理分析 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 師：回顧安培力的判定方法：左手定則，根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，你能否分析得到一個(gè)判斷洛倫茲力方向的方法呢？ 【師生互動(dòng)，根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)，討論正、負(fù)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(chǎng)方向穿過(guò)手背……。 教師：很好。如果是正電荷呢？用左手判定方便，如果是負(fù)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(jìn)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(yùn)動(dòng)方向之間存在什么關(guān)系？ 以解決問(wèn)題為中心，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，仿造科學(xué)家探求未知領(lǐng)域知識(shí)的途徑，通過(guò)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、創(chuàng)造性地解決問(wèn)題等去掌握知識(shí)。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(yùn)動(dòng)電荷所受洛侖茲 力方向，并定性畫(huà)出一段運(yùn)動(dòng)的軌跡。 V V V V 激發(fā)學(xué)生在探究活動(dòng)學(xué)習(xí)熱情，開(kāi)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(chǎng)方向和運(yùn)動(dòng)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(wèn)題 推理分析 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 I F V 師：關(guān)于這個(gè)問(wèn)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(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，試分析思考以下問(wèn)題： 1）、從微觀的角度分析：當(dāng)電子向右定向移動(dòng)時(shí)，每個(gè)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(dòng)時(shí)，電流的方向和安培力的方向關(guān)系？【學(xué)生用以前的知識(shí)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(diǎn)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(jiàn)，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(gè)數(shù)N的大小。如果：v是電荷定向移動(dòng)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(shí)，同學(xué)們回憶一下：在t秒內(nèi)有多少個(gè)電荷通過(guò)導(dǎo)體某一截面？電流強(qiáng)度的微觀表達(dá)式是什么？(用課件演示電流形成過(guò)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(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷洛倫茲力的表達(dá)式：f=Bqv 【總結(jié)公式，老師強(qiáng)調(diào)公式的條件】 師：請(qǐng)同學(xué)們解釋一下前面實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)程，逐步的認(rèn)識(shí)事物的發(fā)展規(guī)律，進(jìn)而獲得對(duì)事物全面的、科學(xué)的認(rèn)識(shí)。 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(yùn)用數(shù)學(xué)解決物理問(wèn)題的能力； 探究四：研究帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) 以上我們通過(guò)一番辛苦的努力，探究分析了磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷洛倫茲力的規(guī)律和特點(diǎn)。下面我們運(yùn)用這些規(guī)律和特點(diǎn)研究一個(gè)帶電粒子垂直射入磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)的規(guī)律。 培養(yǎng)學(xué)生的情感，激發(fā)興趣。 提出問(wèn)題 推理分析 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 師：（出示課件）如果一個(gè)微觀帶電粒子垂直射入磁場(chǎng)中，請(qǐng)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(gè)粒子不可能做直線運(yùn)動(dòng)？ 生：因?yàn)槁鍌惼澚κ冀K和速度方向垂直，根據(jù)曲線運(yùn)動(dòng)的條件，這個(gè)粒子只能做曲線運(yùn)動(dòng)。 師：為什么帶電粒子只能在同一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)？ 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(yùn)動(dòng)。 師：帶電粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中洛倫茲力做功嗎？ 甲同學(xué)：沿速度的方向沒(méi)有力，所以速度的大小不變，動(dòng)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(dòng)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(dòng)能不變，為什么洛倫茲力不做功？ 丙同學(xué)：根據(jù)動(dòng)能定理，因?yàn)閯?dòng)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(gè)力？ 生：向心力。 師：推理分析一下：微觀帶電粒子在磁場(chǎng)中做什么樣的運(yùn)動(dòng)？ 生：勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 【教師總結(jié)，演示課件：正、負(fù)帶電粒子垂直射入磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)?！? 通過(guò)新舊知識(shí)的遷移，培養(yǎng)學(xué)生理論分析能力和解決物理問(wèn)題的能力； 借助多媒體直觀形象的總結(jié)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，使學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)上升到理性的認(rèn)識(shí) 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(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。那么我們不探究它的運(yùn)動(dòng)的規(guī)律應(yīng)該是一個(gè)遺憾。 （1）、研究帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑和周期 激發(fā)進(jìn)一步探究的熱情。 提出問(wèn)題 推理分析 師：如果一個(gè)質(zhì)量為m，速度v的微觀帶電粒子垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，帶電粒子將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)速度方向垂線的交點(diǎn)。 師：如果勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑是r，根據(jù)牛頓第二定律，它勻速圓周運(yùn)動(dòng)是向心力多大？洛倫茲力和向心力的關(guān)系？ 生： 得：， 師：下面請(qǐng)同學(xué)們閱讀思考教材P123頁(yè)的兩個(gè)問(wèn)題。 利用“多學(xué)一點(diǎn)內(nèi)容”，引導(dǎo)學(xué)生用理論解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)實(shí)踐能力。 （2）、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證軌道半徑規(guī)律 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 師：以上我們只是推理分析，下面我們用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證軌道半徑規(guī)律。 【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(gè)非常重要的規(guī)律，遺憾的是我們今天無(wú)法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但我們對(duì)這個(gè)規(guī)律必須有一個(gè)正確的理解。 憑我們的經(jīng)驗(yàn)，跑步比賽時(shí)，跑的越快，歷經(jīng)的時(shí)間越短。為什么帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與v、r無(wú)關(guān)？請(qǐng)談一談自己的觀點(diǎn)。 生：由于帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)速度越大軌道半徑r也是越大，周長(zhǎng)也是越大，所以周期不變。 讓學(xué)生掌握：提出問(wèn)題—理論論證—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)方向的情形，請(qǐng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律。