“磁场对运动电荷的作用力”教学设计
福建省莆田市第二中学 郑少华 选自《中学物理教学参考》2008年第9期
一．教学设计
思路新课程倡导探究式学习，强调科学与社会、生活实践的联系，强调对过程和方法的学习。为了让学生成为教学活动的主体，在这节课的教学设计中我改“讲”为“学”，把教学重点由学习物理知识变为探索知知识的过程。以适时的、有针对性的设疑提问让学生主动思考，大胆“猜想”，继而分析“猜想”；通过实验来验证“猜想”的正确性，得出结论；再把结论变成教学过程的动态延伸，既给学生提供积极思维的时间和空间，又在探索知识的过程中培养学生掌握、分析、更新知识的能力。
二．教学目标
1．知识与技能
- （1）理解洛伦兹力与安培力的关系。
- （2）会应用左手定则判断洛伦兹力的方向。
- （3）掌握计算洛伦兹力大小的公式及其推导。
- （4）知道电视机显像管的基本构造和工作原理。
2．过程与方法
经历由宏观现象推知微观机制的严谨的推理过程；通过实验探究、理论推导过程教会学生分析洛伦兹力方向及大小的方法。
3．情感态度与价值观
体会物理学的逻辑美、规律的统一美；联系生活、感受自然奇观。
三．教学仪器
黑白电视机、蹄形和条形磁铁、大头针、摄像头、阴极射线管、高压线圈、电源接线板。
四．教学过程
（一）课题引入
1．观察极光图片（如图1所示）
师：同学们，先让我们一起来欣赏一种天文现象……绚丽多姿的极光（播放：极光图片，如图1所示）。
问题：通过这些图片，你能发现极光一般出现在什么地区吗？
生：两极等高纬度地区。（播放：人类首次拍到南北极极光“同放光彩”奇景）
师：很好，为什么在赤道等低纬度地区却不会出现极光呢？
2．电视图象变形
师：接下来，我们再来做一个有趣的实验．通过摄像头，把这位男同学的图像信号送到电视机里。
演示：包有白纸的磁铁靠近电视机荧光屏。师：现在，我把这根“魔棒”靠近电视机的荧光屏。（稍停）请同学们切勿在家里模仿。我们看到，这位男同学的模样本来挺端庄的，现在却走样了，是这根魔棒真的具有魔力吗？（稍停，魔棒靠近铁块）看看，这是什么？
生：磁铁。师：为什么磁铁靠近荧光屏会发生这种现象呢？
3．引入课题
要解决上述两个问题，我们的钥匙就是：磁场对运动电荷的作用力（板书）。
（二）新课教学
1．运动电荷在磁场中受力
引导学生回顾：
（1）什么叫安培力？怎样计算安培力的大小？如何判断安培力的方向？
（2）电流是怎样形成的？你还记得电流强度的微观表达式吗？由电流的形成原因和磁场对电流的作用，你想到了什么？
请同学们猜一猜：运动电荷在磁场中会受到作用力吗？
看一看：电子射线管实验（展示：阴极射线管实物、课件）
师：阴极射线管内已经抽成真空，当左右两个电极按标签上的极性接上高压电源时，阴极就会发射电子，并且在电场力加速下飞向阳极．当电子束掠射到荧光屏上时，荧光屏就显示出电子束的轨迹。
演示：没有磁场时电子束是一条直线（如图2）。如图3所示，用一个蹄形磁铁在电子束的路径上加一磁场，尝试不同方向的磁场对电子束径迹的不同影响，直至出现电子束在磁场中偏转。
师：看来，磁场对运动电荷的确有作用力，科学家把这一作用力称为“洛伦兹力”。
（3）介绍Lorentz：
洛伦兹是荷兰物理学家、数学家，1853年7月18日生于阿纳姆。洛伦兹创立了经典电子论，提出了洛伦兹变换公式，1902年与其学生塞曼共同获得诺贝尔物理学奖．为纪念洛伦兹的卓著功勋，荷兰政府决定从1945年起，把他的生日定为“洛伦兹节”。
2．探究洛伦兹力的方向
理论推导：安培力是磁场对电流的作用力，而电流又是电荷的定向移动形成的，故洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力。
猜想：磁场对电流的作用力其实质是磁场对运动电荷的作用力；洛伦兹力的方向可用左手定则判定。想一想：如何利用左手定则判断正、负电荷所受洛伦兹力的方向？（提示：电流的方向为正电荷的移动方向）
（1）洛伦兹力的方向、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，那么拇指所指方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向（如图4所示）。若四指指向负电荷运动的反方向，那么拇指所指方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向。
实验验证（看一看）：实验中电子束的偏转方向与根据左手定则判断的方向是否一致。
小结：安培力和洛伦兹力在本质上属同一种力；安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观本质。
（2）思考与讨论：
洛伦兹力的方向与带电粒子的运动方向有什么关系？洛伦兹力对带电粒子运动的速度有什么影响？洛伦兹力对带电粒子所做的功是多少？
（3）结论：
洛伦兹力的方向垂直于v和B组成的平面，洛伦兹力永远与速度方向垂直；洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小；洛伦兹力对电荷不做功。
3．探究洛伦兹力的表达式
如图5，设有一段长为L、横截面积为S的直导线，单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为1，自由电荷定向移动的速率为v。这段通电导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中，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。（让学生推导：选择具有代表性的学生，把他的推导过程用实物投影仪展示到大屏幕上，再请这位学生简述推导过程。）
导线中的电流为I＝nqSv，所受到的安培力为F＝BIL＝BnqSvL，运动电荷的总数为N＝nSL，单个运动电荷所受到的作用力为fL＝F/N，亦即洛伦兹力大小为fL＝qvB。思考：
a．公式fL＝qvB成立的条件是什么？
b．运动电荷在磁场中是否一定受洛伦兹力的作用？
c．洛伦兹力的大小与哪些因素有关？
d．你能写出洛伦兹力的一般表达式吗？
例：某带电粒子的电量为q＝10-14C，以速率v＝106m/s垂直射入B＝10-2T的匀强磁场中，求它受到的洛伦兹力fL多大？若v与B不垂直呢？
让学生讨论、解答，教师点评、分析、纠错，小结。
（1）洛伦兹力大小的计算：
a．当电荷运动方向与磁场方向垂直（v⊥B）时，fL＝qvB。
b．当电荷的运动方向与磁场方向平行（v∥B）时，电荷不受洛伦兹力。
c．当电荷的运动方向v与磁场方向成θ角时，fL＝qvBsinθ。
（2）洛伦兹力与安培力的关系：
a．安培力是洛伦兹力的集体表现，洛伦兹力是安培力的微观本质。
b．大小关系：F安＝NFL（N是导体中运动的电荷数）。
c．方向关系：F安与FL方向相同。 d．F安与FL的本质都是磁场对运动电荷的作用力。
注意：带电粒子在电场和在磁场中受力情况不同。带电粒子置于电场中必受电场力，与运动状态无关，但在磁场中所受洛伦兹力的大小和方向与运动状态有关。
4．应用
洛伦兹力是一种非常重要的力，它的应用也非常广泛．例如在电视机显像管中就用到了洛伦兹力。
（1）极光现象极光是来自太阳的高能粒子进入大气后，与大气发生作用而产生的。视频：来自太阳的高能粒子射向地球。
（2）电视机实验。
演示：电视机荧光屏要显示出图象，一定要有电子打到荧光屏各处。那么，电子从哪里来呢？（拆开电视机后盖，如图6）显像管的电子枪能产生大量高速运动的电子，但是这些电子都从同一个枪口射出，应该沿同一个方向运动，那么它是利用什么作用使电子打到荧光屏的各个地方呢？
观察：偏转线圈的磁场。
思考：施加怎样的磁场才能使电子打到荧光屏最左边的这点呢？若要打到最右边的点呢？若要使电子打到荧光屏的位置从最左边逐渐向最右边移动呢？（演示）像这样，在电视机屏幕上有光点从左边移动到右边，这在电视技术中叫做行扫描。在实际的电视技术中，行扫描的时间是非常短暂的，又会是什么情况呢？
演示：一条亮线（考虑到人的视觉暂留效应）。
实际的电视画面应该充满整个荧光屏，我们看到的电视并不是一条亮线，那么怎样才能使电子打到荧光屏的上面或下面呢？（演示）这在电视技术中叫做场扫描。如果场扫描和行扫描同时进行，想象一下，光点的运动情况会是怎样的呢？
动画：扫描（场扫描50场/秒，我们感到整个荧光屏都在发光）
课后思考：若运动的电荷在磁场中仅受洛伦兹力作用，那么洛伦兹力会怎样改变电荷的运动状态呢？
发布时间：2009/3/13 上午7:39:31 阅读次数：13659
