高中物理《磁场对运动电荷的作用力》教学设计

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高中物理《磁场对运动电荷的作用力》教学设计

高中物理《磁场对运动电荷的作用力》教学设计

一、教材分析

本节内容是在上一节安培力的基础上,进一步形成的新的知识点。重在让学生理解什么是洛伦兹力、并掌握洛伦兹力的方向判断和大小的计算。它也是后续学习《带电粒子在匀强磁场中运动》的知识基础。

本课教材在提出洛伦兹力的概念后,重在引导学生由安培力的方向和大小得出洛伦兹力的方向和大小,这种通过实验结合理论探究洛伦兹力的方向,再由安培力表达式推导出洛伦兹力的表达式的过程是培养学生逻辑思维能力的好机会,一定要让学生都参与进来。

二、学情分析

知识基础:学生已经学习了《磁场对通电导线的作用力》一节,知道如何判断安培力的方向以及如何计算安培力的大小。但对于安培力产生的原因,却还不甚清楚。

技能基础:学生已经具备一定的逻辑推理分析能力,因此本节课可以引导学生思考安培力的产生原因,激发学生的求知欲,引入探究式学习。

三、教学目标

(一)知识与技能

1、知道什么是洛伦兹力.利用左手定则判断洛伦兹力的方向.

2、知道洛伦兹力大小的推理过程.

3、掌握垂直进入磁场方向的带电粒子,受到洛伦兹力大小的计算.

4、了解v和B垂直时的洛伦兹力大小及方向判断.理解洛伦兹力对电荷不做功.  

5、了解电视显像管的工作原理

(二)过程与方法

通过观察,形成洛伦兹力的概念,同时明确洛伦兹力与安培力的关系(微观与宏观),借助洛伦兹力与安培力的关系,猜想并验证洛伦兹力的方向也可以用左手定则判断;通过思考与讨论,推导出洛伦兹力的大小公式F=qvBsinθ。最后了解洛伦兹力的一个应用——电视显像管中的磁偏转。

(三)情感态度与价值观

进一步学会观察、分析、推理,培养科学思维和研究方法。认真体会科学研究最基本的思维方法:“推理—假设—实验验证”。

四、教学重点与难点

重点:1.利用左手定则会判断洛伦兹力的方向.

2.掌握垂直进入磁场方向的带电粒子,受到洛伦兹力大小的计算.

这一节承上(安培力)启下(带电粒子在磁场中的运动),是本章的重点

难点:1.洛伦兹力对带电粒子不做功.

2.洛伦兹力方向的判断.

五、教学资源

    电子射线管、高压电源、磁铁、多媒体课件

六、教学设计思路

根据对本节教材内容的分析,结合学情和相关教学资源,本节课以“情景问题猜想实验验证理论推导应用巩固”的思路进行设计。 

课前通过观看“极光美景”视频,引出本节主题。然后借助“阴极射线管”演示实验指出磁场对运动电荷有力的作用,并激发学生学习的兴趣。课中借助安培力的方向,让学生通过猜想加验证的方式,学习并掌握洛伦兹力方向的判定方法,并进一步得出安培力与洛伦兹力的内在关系;借助安培力大小的计算公式,引导学生推导得出洛伦兹力大小的计算公式。最后通过练习加深对洛伦兹力的理解,并回答引入部分提出的问题。

教学过程中,以演示实验调动学生兴趣,引导学生观察、分析实验现象,围绕难点“洛伦兹力的方向”的理解,通过情景转换,老师引领、学生动手,同学互动,师生互动的方式,让学生感受,体验知识的生成过程。

七、教学过程:

(一)  引入

视频欣赏:天文现象——极光

提问:为什么极光只出现在南北两极呢?

引导:解开此谜题的钥匙就是,磁场对运动电荷的作用规律。

[演示实验]观察磁场阴极射线在磁场中的偏转

[教师]说明电子射线管的原理:

说明阴极射线是灯丝加热放出电子,电子在加速电场的作用下高速运动而形成的电子流,轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光,可以显示电子束的运动轨迹,磁铁是用来在阴极射线周围产生磁场的,还应明确磁场的方向。

提示:

1 、没有磁场时,接通高压电源可以观察到什么现象。

2、光束实质上是什么?

3、若在电子束的路径上加磁场,可以观察到什么现象?

4、改变磁场的方向,通过观查从而判断运动的电子在各个方向磁场中的受力方向。

[实验结果]在没有外磁场时,电子束沿直线运动,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。

[学生分析得出结论]磁场对运动电荷有力的作用.------引出新课

(二)新课讲解

1、物理学中把磁场对运动电荷的作用力称为洛伦兹力。(展示洛伦兹介绍资料)

2、提问:如何探究洛仑兹力呢?

引导学生思考:

1)、电流怎么形成的?

2)、磁场对电流的作用、磁场对运动电荷的作用,两者间有何关联?

进一步引导学生分析:通电导线在磁场中为什么会受力?得出安培力与洛伦兹力的关系。

 

 

 

 

 

【说明】可以根据磁场对电流有作用力而对未通电的导线没有作用力,引导学生提出猜想:磁场对电流作用力的实质是磁场对运动电荷作用力的积累效果。即,安培力是洛伦兹力的宏观表现。

3、提问:既然安培力是洛伦兹力的宏观表现,那么,你们觉得可以如何探究洛伦兹力呢?

回答:借助对安培力的认识,探究洛伦兹力。

(1)提问:具体怎么探究呢,比如方向?

回答:左手定则

学生说明猜想理由:

1如图,判定安培力方向.(上图甲中安培力方向为垂直电流方向向上,乙图安培力方向为垂直电流方向向下)

②.电流方向和电荷运动方向的关系.(电流方向和正电荷运动方向相同,和负电荷运动方向相反)

③.F安的方向和洛伦兹力方向关系.(F安的方向和正电荷所受的洛伦兹力的方向相同,和负电荷所受的洛伦兹力的方向相反.)

④.电荷运动方向、磁场方向、洛伦兹力方向的关系.(学生分析总结)

实验验证猜想:(回顾阴极射线管实验)猜想正确!

洛伦兹力方向的判断——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,让磁感线垂直穿入手心,若四指指向正电荷运动的方向,那么拇指所受的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向;若四指指向是电荷运动的反方向,那么拇指所指的正方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向.

【要使学生明确】:正电荷运动方向应与左手四指指向一致,负电荷运动方向则应与左手四指指向相反(先确定负电荷形成电流的方向,再用左手定则判定)。

[投影出示练习题]试判断各图中带电粒子受洛伦兹力的方向,或带电粒子的电性、或带点粒子的运动方向。

 

[学生解答]

最后,通过“思考与讨论”,说明由洛伦兹力所引起的带电粒子运动的方向总是与洛伦兹力的方向相垂直的,所以它对运动的带电粒子总是不做功的。

(2)、洛伦兹力的大小

现在我们来研究一下洛伦兹力的大小. 通过下面的命题引导学生一一回答。

设有一段长度为L的通电导线,横截面积为S,导线每单位体积中含有的自由电荷数为n,每个自由电荷的电量为q,定向移动的平均速率为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,求:

(1)电流强度I。

(2)通电导线所受的安培力。

(3)这段导线内的自由电荷数。

(4)每个电荷所受的洛伦兹力。

得出洛伦兹力的计算公式:  当粒子运动方向与磁感应强度垂直时() :

问题:若带电粒子不垂直射入磁场,粒子受到的洛伦兹力又如何呢?

引导学生进行分析:可将磁场分解(类比安培力公式得出方式)得出结论

当粒子运动方向与磁感应强度方向成θ时(v∥B)F = qvBsinθ

上两式各量的单位:F为牛(N),q为库伦(C), v为米/秒(m/s), B为特斯拉(T)

4、课堂练习

1、电子的速率v=3×106m/s,垂直射入B=0.10T的匀强磁场中,它受到的洛伦兹力是多大? (4.8×10-14N)

2、当一带正电q的粒子以速度v沿螺线管中轴线进入该通电螺线管,若不计重力,则(        )

A.带电粒子速度大小改变

B.带电粒子速度方向改变

C.带电粒子速度大小不变

D.带电粒子速度方向不变

(答案:CD)

3、电荷量为+q的粒子在匀强磁场中运动,下列说法正确的是(      )

A.只要速度大小相同,所受洛伦兹力就相同

B.如果把+q改为-q,且速度反向,大小不变,则洛伦兹力的大小方向不变

C.洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直,磁场方向一定与电荷运动方向垂直

D.粒子的速度一定变化

(答案:B)

4、来自宇宙的质子流,以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点,则这些质子在进入地球周围的空间时,将(        )

A.竖直向下沿直线射向地面

B.相对于预定地面向东偏转

                            C.相对于预定点稍向西偏转

                            D.相对于预定点稍向北偏转

(答案:B)通过本题进一步引导学生作图分析:为什么极光只出现在地球的两极?(与课前引入相呼应)

 

 

 

5、.电视显像管的工作原理

(1)原理 :应用电子束磁偏转的道理

(2)构造:由电子枪(阴极)、偏转线圈、荧光屏等组成(介绍各部分的作用)   

在条件允许的情况下,可以让学生观察显像管的实物,认清偏转线圈的位置、形状,然后运用安培定则和左手定则说明从电子枪射出的电子束是怎样在洛伦兹力的作用下发生偏转的。

再通过“思考与讨论”,让学生弄清相关问题。进而介绍电视技术中的扫描现象。

最后让学生回忆 “示波管的原理”,通过对比看看二者的差异。

(三) 对本节内容做简要小结

(四)作业布置

     (1)复习本节内容

(2)完成“问题与练习”

八、板书设计            第5节《磁场对运动电荷的作用力》

一.洛伦兹力

1、洛伦兹力:磁场对运动电荷的作用力

      安培力是洛伦兹力的宏观表现

2、洛伦兹力的方向:左手定则

              F ⊥ v     F ⊥ B                 

3、洛伦兹力大小: F洛=qVBsinθ

             V⊥B        F洛=qVB

             V∥B        F洛= 0

4、特点:洛伦兹力只改变力的方向,不改变力的大小,洛伦兹力对运动电荷不做功

二.电视显像管的工作原理

1.原理

2.构造

九、教学反思

    本节课利用极光这一神奇的自然现象,通过阴极射线在磁场中的偏转演示实验来引入新课,新奇的实验现象极大地吸引了学生的兴趣,明显的实验现象使学生很容易总结出磁场对运动电荷有力的作用。通过电荷的定向运动形成电流,推导出伦兹力与安培力的关系(微观与宏观),由此可以借助安培力来探究洛伦兹力的大小和方向。最后了解洛伦兹力的一个应用——电视显像管中的磁偏转,这种与生活联系紧密的物理知识,能激发学生对物理学科的热爱,培养学生利用所学物理知识解释生活中的现象,体现从物理走向生活的教学理念。

   通过课堂练习反馈,发现本课难点在于如何让学生发挥空间想象能力,判断洛伦兹力的方向。需要在课后加强练习。