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磁场对运动电荷的作用
发布日期:2017-03-13 浏览次数: 字体:[ ]

                     -----高二物理教学设计

武穴中学  张元富 

【教材分析】 

1、  电流在磁场中受到安培力和运动电荷在磁场中受洛伦兹力是磁场这一章重要内容,一个研究宏观电流受到磁场作用力,一个研究微观电荷受到磁场作用力,二者前后关联,映衬了物理现象规律的宏观与微观联系性和事物的本质性。

2、  无论是前一节的磁场对电流的作用还是本节的磁场对运动电荷的作用,首先它们都是磁场这一事物本身属性的一个放映,客观存在且发展变化。

3、  教材指明了教学的方向,让学生经历科学探究过程,认识科学探究的意义,尝试应用科学探究的方法研究物理问题,验证物理规律。但在探究的细节和过程上,留给了教师和学生广阔的思考设计空间,有助与激发思维,发现方法,提出问题,得出结论。

4、  从教材内容来看,指出洛伦兹力的方向判断与洛伦兹力的大小求解都紧密抓住安培力是洛伦兹力的宏观表现,洛伦兹力是安培力的微观实质这一点。

【学情分析】 

1、  本人所教学校虽是市一中,但招生条件差造成差生面广,且存在“眼高手低”的问题。但学生思维活跃,善于回答问题。

2、  长期以来,教育教学过程中师生地位平等,以人为本,坚持学生的主体地位,教师的主导地位。

3、  本节课是新的磁场力的学习课,呈现在学生面前的是现象,是问题,而不是结论。受应试教育的影响,在上课前告诉学生上课的内容,学生会将结论记住,在课堂上机械的,剧本式的配合老师,没有深入的思考,达不到教学的目的。

4、  面对新现象,新问题,且没有唯一固定的答案,学生有浓厚的探究欲望,为其思维的发散提供了较大的空间。从另外一个角度讲,本节内容,对数学运算,物理理论有一定要求,但与前面学习内容相连适当地又降低了学习难度。

5、  探究式教学重视的是探究的过程和方法而不是结论,探究过程是产生创造思维的温床,过于重视结果可能会导致丧失探究热情,扼杀学生探究的欲望。

教学目标 

1)知识目标

1.理解安培力是洛仑兹力的宏观表现。

2.通过实验掌握左手定则,并能熟练地用左手定则判断磁场对运动电荷的作用力——洛伦兹力的方向。

3.根据磁场对电流的作用和电流强度的知识推导洛仑兹力的公式F=qvB,并掌握该公式的适用条件。

4.熟练地应用公式F=qvB进行洛伦兹力大小的计算。

2)能力目标

1.通过实验现象的直观比较,进一步体验形成电流的电荷受磁场的作用。

2.通过洛伦兹力大小的推导过程进一步培养学生的分析推理能力

 

3)德育目标

1.让学生认真体会科学研究最基本的思维方法:“推理——假设——实验验证”。

2.在实验过程中,逐步积蓄探究热情,培养学生的探究的精神。

教学重点

1.重点是洛仑兹力方向的判断方法左手定则和洛仑兹力大小计算公式的推导和应用。

2.因电荷有正、负两种,在用左手定则判断不同的电荷受到的洛仑兹力方向时,要强调四指所指方向应是正电荷的运动方向或负电荷运动的反方向。

3.洛伦兹力计算公式的推导是难点之一,这要从概念上讲解清楚。

教学难点

1.洛伦兹力方向的判断。

2.洛伦兹力对带电粒子不做功。

教学教具

多媒体课件、感应圈、电子射线管,蹄形永久磁铁、导线若干。

教学方法

讲述法、讲练法、分析推理法、实验法

 

【设计思想】

本节课结合我校学生的特点对教材的内容进行了深入的挖掘和思考,备教材,备学生,备教法,始终把学生放在教学的主体地位,让学生参与,让学生设计,营造一个“安全”的教学环境,广开言路,让学生的思维与教师的引导共振。

整节课主要采用分析推理法,结合实验探究总结磁场对运动电荷的作用,把结论的得出过程和方法放在首位,把学生的情感价值体验放在重要位置。总体教学布局如下表:

整体串行处理

知识回顾

设问:运动电荷是否受磁场作用

猜想:有

设计实验:电子射线管

观察实验现象

得出结论:洛伦兹力

洛伦兹力的方向:左手定则

洛伦兹力的大小:F=qvB (v垂直B)

洛伦兹力的作用效果

 洛伦兹力的实际意义

回顾、归纳、总结

 

【教学过程】

主要教学过程

(一)引入新课及知识回顾

1.设问:我们已经掌握了磁场对电流存在力的作用、安培力的产生条件和计算方法,磁场对电流有力的作用,电流是由电荷的定向移动形成的。那么磁场对运动电荷是否也有力的作用呢?

回答:有。

我们会想到:这个力可能是作用在运动电荷上,而安培力是作用在电荷上的力的宏观表现。

课件展示:加强对安培力是洛伦兹力宏观表现的理解。

 

2.设计实验,探究过程:

实验演示:电子束在磁场中的偏转,让同学注意有无磁场时和磁场方向改变时,电子束的运动轨迹也随之改变。从阴极发射出来电子在阴阳两极间高压作用下使电子加速形成电子束轰击到长方形的荧光屏上激发出荧光可以显示电子束运动轨迹。

学生实验,总结结果:在没有外磁场时,电子束沿直线运动;将蹄形磁铁靠近电子射线管,发现电子束运动轨迹发生了弯曲。改变磁场方向,电子束轨迹改变方向发生变化。

(二)教学过程设计

1洛伦兹力

通过上述实验,让学生思考:电子束在磁场中偏转的实验现象揭示了什么?

回答;运动的电子在磁场中受到力的作用。

定义:磁场对运动电荷存在着力的作用,我们把它称做洛伦兹力。

运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用,那么洛伦兹力方向怎么判断?

多媒体展示:

 

首先让学生判断总结;

1、判定安培力的方向

2、电流方向和电荷运动方向关系

3、安培力方向和洛伦兹力方向关系

4、电荷运动方向、磁场方向和洛伦兹力方向关系

2洛伦兹力方向的判断

教师引导,让同学探究找出一种判断方法。也可联系安培力方向的判断推理确定洛仑兹力方向的判断方法——左手定则。

结论:洛伦兹力的方向判断也遵循左手定则。

注意:回头再把演示实验验证一遍。

左手定则:伸开左手,使大拇指和其余四指垂直且处于同一平面内,把手放入磁场中让磁感线垂直穿过手心,若四指指向正电荷运动的方向,那么,拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力方向;若四指指向负电荷运动的反方向,那么,拇指所指的方向就是负电荷所受洛伦兹力方向。

 

课件展示:请判断如图所示的运动电荷的洛伦兹力方向:

3洛伦兹力的大小

师生共同讨论得出。

若有一段长度为L的通电导线,横截面积为S,单位体积内含有的自由电荷数为n,每一个自由电荷的电量为q,定向移动速率v,将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的磁场中。

提问:(1)如何用(单位体积内含的运动电荷数n,每个电荷电量为q,电荷的平均定向移动速率是v,导线的横截面积是S)n、q、v、S来表示通电导线中的电流强度I?

教师点拨,学生自己讨论得出


(2)如何从合力的观点出发用洛伦兹力F来表达安培力F的值?(当通电导线垂直于磁场时)

教师点拨,学生自己讨论得出

F=BIL=NF……②(N为导线中电荷总数)

(3)让学生自己根据上面二个式子推出一个运动电荷垂直于磁场方向运动时受到的洛仑兹力的大小。

①代入②式:L·nvSq·B=NF

N=nLS

F=qvB

(4)提问:F=qvB的适用条件是什么?

答:当电荷q以速度v垂直进入磁感应强度为B的磁场中,它所受的洛仑兹力F=qvB

注意:例题演练及讲解

延伸:平行于磁场方向运动的电荷以及静止电荷,在磁场中不受洛伦兹力的作用。总结得出;磁场对运动电荷不一定产生力的作用,对静止电荷肯定没有力的作用。对比电场对静止和运动运动电荷都有力的作用。

 

4洛伦兹力的作用效果

课件演示:带电粒子在磁场中运动,注意观察洛仑兹力方向与磁场和速度方向关系。

让同学讨论一下洛仑兹力是否改变速度大小呢?及带电粒子在磁场中运动时洛仑兹力对带电粒子是否做功?说明理由。

教师引导,学生分析得:

洛仑兹力方向垂直于v和B组成的平面即洛伦兹力方向垂直于速度方向,因此洛仑兹力只改变速度的方向不改变速度的大小。所以洛仑兹力对运动电荷不做功。

讨论:洛仑兹力是否改变速度方向呢?

      洛仑兹力改变速度的方向。

4运动电荷在磁场中受洛伦兹力偏转的实际意义

     [学生答]运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用,运动方向会发生偏转,这一点对于地球上的生命来说有十分重要的意义。从太阳或其他星体上,时刻都有大量的高能粒子流放出,称为宇宙射线,这些高能粒子流,如果都到达地球,将对地球上的生物带来危害,庆幸的是,地球周围存在地磁场,地磁场改变宇宙射线中带电粒子的运动方向,对宇宙射线起了一定的阻挡作用。

     [教师补充]宇宙射线是穿透力极强的辐射线,它们来自宇宙空间,从各个方向射向地球,后来又发现,两极地区的辐射更为强大,说明它似乎受地球磁场的影响,表明它含有带电粒子(如质子),宇宙射线中的带电粒子在穿透地磁场过程中,受到地磁场对它们的洛沦兹的作用,运动方向会发生偏转,对宇宙射线有一定的阻挡作用,大大减弱了到达地球表面的宇宙射线。

 课件展示:地磁场

 

(三)课堂小结

安培力是洛仑兹力的宏观表现。当运动电荷q以速度v垂直进入磁感应强度为B的磁场中,它受到的洛仑兹力F=qvB。洛仑兹力的方向由左手定则来判断。

当电荷运动速度平行于磁场方向进入磁场中,电荷不受洛仑兹力作用。

(四)课堂练习及作业

1.如图所示,运动电荷电量为q=2×10-8C,电性图中标明,运动速度v=4×103m/s,匀强磁场磁感应强度为B=0.5T,求电荷受到的洛仑兹力的大小和方向。

 

可以让六位同学上黑板上每人演算一小题,写出公式计算洛仑兹力的大小,并标明电荷受力

2.判断如图所示中电荷受力方向:           

3.课后作业:课本137面   练习三

自己查资料写一篇关于洛伦兹力的实际应用的小论文

 

()、课后反思

1.本节是在安培力的基础上,得出了洛仑兹力的存在,并导出其大小和方向。首先根据磁场对磁场中的电流有力的作用,而电流是电荷的定向移动形成的,可以根据这两个事实提出假设:磁场对运动电荷有力的作用。然后再通过实验验证这一结论的正确性。“推理-假设-实验验证”体现了科学研究最基本的思维方法。

       2.安培力与洛仑兹力的关系是比较难理解的。简单的说:安培力是洛仑兹力的宏观表现。安培力和洛仑兹力虽然都来自于磁场,但是前者是宏观上的力,受力物体是导线;后者是微观上的力,受力物体是自由电子。

       3.洛仑兹力的推导是建立在安培力和洛仑兹力的关系上,特别要强调一个是宏观上的力,一个是微观上的力。学生只有理解了它们的关系后,表达宏观与微观主要的关系的量值是自由电子数n,再根据电流强度的微观公式推得洛仑兹力的公式。

       4.洛仑兹力的实验演示是非常重要的,在本节教材中起着画龙点睛的作用,在实验中,除了讲清电子射线管的正负极外,还应该讲清荧光屏的作用是为了显示出电子的运动轨迹。

5.一般情况下的洛仑兹力公式及其推导过程,是选学内容。但是可以告诉学生,洛仑兹力的计算公式 是在磁场与电荷的运动速度垂直的情况下得出的。当磁场与电荷的运动速度平行时,没有洛仑兹力;当磁场与电荷的运动速度有除00和900外任意夹角时,洛仑兹力比最大值 较小。也可以由 推出 ,使学生知道当vB成900F为最大。 一般对 不作要求。

【教学后记】

1、教学有法而无定法。时代在变,观念在变,学生的思维在变,对教师的教学设计,能因学生的变化而变化,是其应该具有的特征。

2、探究式教学围绕问题展开,并不是教师提出一个漫无边际的问题,学生无尽的思考并随意回答所构成的“菜场式”课堂,需要教师的引导,需要学生的参与,主要要呈现探究的要素,体现探究的过程和方法。

3、对不同的学生,设问要做到“起点定方向,落点定区域”。

4、在课堂教学的过程中,教师要尽可能预见可能出现的问题,课堂上遇到无法解决的问题,课后要查阅资料,请教别人,明确认识后,告诉学生,教师也要保持学习的习惯。

 


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