1.3洛伦兹力 教学设计

《洛伦兹力》教学设计
教学目标：
经历实验探究洛伦兹力方向的过程，知道洛伦兹力的方向与电荷的运动方向和磁感应强度的方向都垂直，会用左手定则判断洛伦兹力的方向；
经历由安培力公式推导洛伦兹力公式的过程，体会磁场中通电导线所受的安培力实际上是运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，会计算洛伦兹力的大小；
由实验观察得知洛伦兹力的存在，培养学生实事求是的科学态度；
由理论推导得出洛伦兹力大小的公式，培养学生严谨推理的科学作风。
教学重点：
洛伦兹力的大小、方向和产生条件
教学难点：
推导洛伦兹力的大小
教学方法：
演示实验，讨论、讲授。
课时安排：1课时
复习引入：
如图所示，通电直导线与匀强磁场互相垂直。甲、乙、丙分别标明了电流、磁感应强度和安培力三个量中的两个量的方向，试画出第三个量的方向。
若已知图乙中，磁感应强度T，导线长cm，A，则导线所受安培力的大小是多少？
新课教学：
认识洛伦兹力
猜想：磁场对电流有力的作用，而电流是由电荷定向移动形成的，那么，磁场对运动电荷会产生力的作用。
【观察与思考】在如图所示的实验装置中，阴极射线管两端被加上高压电。此时，阴极射线管内形成了一束电子束。
当蹄形磁铁（或条形磁铁）靠近阴极射线管，使磁场方向与电子束前进方向垂直时，观察电子束运动方向是否发生改变？
上述实验现象说明了什么？
洛伦兹力的方向
【实验与探究】阴极射线管两端被加上高压电后，阴极射线管中的电子沿直线前进。改变磁铁方向即改变磁场方向，观察不同情况下电子偏转方向，并将实验结果记入表中。
磁场方向 电子运动方向 电子偏转方向
垂直纸面向外
垂直纸面向里
结论：（1）电子偏转方向与磁场方向、电子运动方向有关；
当运动电荷的速度方向与磁场方向平行时，运动电荷不受洛伦兹力；
当运动电荷的速度方向与磁场方向垂直时，运动电荷受到洛伦兹力，其方向既与磁场方向垂直，又与速度方向垂直。
洛伦兹力方向的判断方法：
左手定则：伸开左手，使大拇指与四指垂直，且都与手掌在同一个平面内，让磁感线垂直穿过手心，并使四指指向正电荷的运动方向，这时大拇指所指方向就是正电荷在该磁场中所受洛伦兹力的方向。
理解：（1）在用左手定则判断运动的电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向时，
对于正电荷，四指指向电荷的运动方向；但对于负电荷，四指应指向电荷运
动的反方向。
洛伦兹力的方向总是与电荷运动方向和磁场方向垂直，即洛伦兹力的
方向总是垂直于电荷运动方向与磁场方向所决定的平面。
练习：试判断图所示的带电粒子刚进入磁场时所受到的洛伦兹力的方向。
洛伦兹力的大小
情境：如图所示，通电直导线处于磁感应强度大小为的匀强磁场中，导线中电流方向与磁场方向垂直，电流强度为。导线长度为，横截面积为，单位体积中含有自由电荷数为，每个自由电荷的电量为，定向移动的平均速率为。
【思考问题】（1）导线受到的安培力多大？
导线中自由电荷的总数是多少？总电量是多少？
导线中的电流如何计算？
设每个自由电荷受到的洛伦兹力为，则安培力与洛伦兹力之间有什么关系？
如何表示每个自由电荷受到的洛伦兹力？
当电荷运动的方向与磁场的方向夹角为时，每个自由电荷所受的洛伦兹力又如何表示？
当电荷在垂直于磁场的方向上运动时，洛伦兹力的大小：
当电荷运动的方向与磁场的方向夹角为时，洛伦兹力的大小：
洛伦兹力的方向总是与电荷运动方向垂直，因此洛伦兹力不做功。
安培力是洛伦兹力的宏观表现。
例题：如图所示，来自太阳和其他星体的宇宙射线含有大量高能带电粒子，幸好由于地磁场的存在而改变了这些带电粒子的运动方向，使很多带电粒子不能到达地面，避免了其对地面上生命的危害。已知北京上空某处由南指向北的磁感应强度为T，如果有一速率m/s、电量C的质子竖直向下运动穿过此处的地磁场。
此时该质子受到的洛伦兹力是多大？向哪个方向偏转？
在地球两极出地磁场方向可近似认为垂直于地面，在赤道出地磁场方向可近似认为有地理南极指向地理北极。那么，地球两极处和赤道处相比，哪个区域地磁场对高能带电粒子的阻挡效果更好？为什么？
课堂小结：
通过实验总结出左手定则；
能运用左手定则判断洛伦兹力的方向；
能用洛伦兹力公式计算；
能利用洛伦兹力分析带电粒子在磁场中的运动的规律。
课后作业：
第1题，第3题