§3.5 运动电荷在磁场中受到的力
江苏省西亭高级中学 季志锋 226301
一、教学内容和学情分析
1．教学内容分析
《运动电荷在磁场中受到的力》这一节是对安培力知识的延续和深化，又是学习带电粒子在磁场中运动的基础；同时本节内容是电磁学与力学结合的切入点，是研究与微观带电粒子运动有关的宏观物理现象的基础，在知识结构和发展学生认知领域上都起着承上启下的作用．内容安排上，让学生由实验猜想，探寻研究微观粒子途径和方法，经历实验探究和理论推导过程，感悟科学探究的思想，学会探究的方法；深入理解安培力的微观本质，知道洛伦兹力的存在，会判断洛伦兹力的方向，能理解和推导洛伦兹力的计算公式．
2．学情分析
本节教学前，学生已完成了力学、电流、磁场和安培力的学习，在思维方法方面，已经有一定的观察、分析、抽象、逻辑思维和数学推算等能力．但学生缺乏对电荷在磁场中运动的感性体验，教学时，教师可以利用学生对未知事物的探究兴趣和欲望，调动学生参与课堂的积极性．
二、教学目标
1．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．
2．经历由安培力公式推导出洛伦兹力公式的过程，由此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．
3．知道电视显像管的基本构造及工作的基本原理．
4．通过演示实验激发学生学习兴趣，亲历实验探究，提升学生科学探究的能力．
三、重点难点
1．洛伦兹力的大小和方向判定．
2．培养学生建立通过宏观现象的分析揭示微观本质的研究方法，提升学生分析推理能力和知识应用能力．
四、设计思路
五、教学过程
教师活动
学生活动
设计意图
（一）课题引入
演示自制磁流体舰艇实验，提出问题：没有螺旋桨的舰艇为什么能向前移动？ 引入课题：运动电荷在磁场中受到的力
观察实验，产生问题，
思考问题，猜测分析．
由实验的奇趣性激发学生学习兴趣，从学生的已知走向未知．同时引入课题．
（二）新课教学
1．建立概念
观看视频，当电极通电后，撒些钠盐，不放磁铁时两极间不出现水的流动，当磁铁放到溶液的下方、两极间时，水出现流动．
动画演示正负离子运动轨迹，说明正负离子在两极间发生定向移动的同时还受到磁场的作用力，从而使液体流动．
演示阴极射线在磁场中偏转的实验
介绍电子射线管的原理：电子从阴极发射出来，在阴阳两极间的高压作用下，加速运动，形成电子束，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．
【板书】洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力称为洛伦兹力
介绍洛伦兹：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．
2．探寻研究方法
通过改变磁场方向及磁场强弱，观察阴极射线偏转的变化，提出洛伦兹力与磁场的大小、方向等因素有关，可以借助什么知识来研究洛伦兹力？
电流与运动电荷之间有什么联系？
电流的微观表达式是什么？
电流受到的安培力与运动电荷在磁场中受到的洛伦兹力有什么关系？
安培力：方向的如何判定，大小如何的计算？
所受洛伦兹力有什么联系？
3．探究洛伦兹力的方向
设问：洛伦兹力的方向能否也用左手定则来判定？
提供自制器材（观察磁铁上方的液体流动的方向）、阴极射线管和磁铁等
巡视，分组指导．
【板书】
洛伦兹力的方向：左手定则
四指是正电荷运动的方向
设问：洛伦兹力的方向与速度方向有什么关系？
演示带电粒子在匀强磁场中做圆周运动，实验验证洛伦兹力始终与速度垂直
设问：洛伦兹力对运动电荷做不做功？
【板书】
F洛⊥v 不做功
4．探究洛伦兹力的大小
设问：洛伦兹力的大小如何表示？与安培力有什么关系？每个定向运动的电荷所受的洛伦兹力与宏观上电流所受安培力的大小上有什么关系？
请同学们自己建立情境从理论上推导洛伦兹力的表达式．
【板书】
洛伦兹力的大小：
洛伦兹力：F=qvB （v⊥B）
设问：如果电荷运动的速度方向与磁场平行，此时电荷所受洛伦兹力的大小为多少？
演示阴极射线平行磁感线运动．
【板书】当v∥B时，F洛=0
设问：如果电荷运动的速度方向与磁场成θ角时，，此时电荷所受洛伦兹力的大小为多少？
【板书】当v与B成θ角时，F洛=qvBsinθ
5．体验生活
（1）电视显像管的工作原理
展示显像管实物及展示显像管原理图片
设问：如果切断产生水平方向磁场的电路，屏幕上产生什么图像？
操作：切断产生水平方向磁场的电路
设问：如果屏幕上产生一条竖线，是因为显像管里的哪个部件出现了故障？
说明：显像管的技术设计，不允许断竖直方向的磁场，即水平扫描的，否则显像管要瞬间烧坏．
（2）极光现象
展示极光照片并解释产生的原因，即是宇宙中的高能粒子进入大气层，使气体电离而放出光．
设问：极光为什么只发生地球的两极？
6．课堂小结
观察实验
初步建立：运动的电荷在磁场中会受到力的作用
观察实验，根据实验现象总结：在没有外磁场时，电子束沿直线运动，将磁铁靠近阴极射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲．
结论：磁场对运动电荷有作用力.
思考联系前面所学的知识，讨论确定研究的方法——通过研究电流在磁场中受到安培力来研究运动电荷在磁场中受到的洛伦兹力．
电荷的定向运动形成电流
电流的微观表达式：I=nqvS
导线中带电粒子的定向运动形成了电流．电荷定向运动时所受洛伦兹力的矢量和，在宏观上表现为导线所受的安培力．即安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力微观表现．
安培力：磁场对通电导线（电流）的作用力．
方向判定：左手定则
大小计算：当B⊥I时，F=ILB
当B∥I时，F=0
当B与I成θ角，F =ILBsinθ
学生根据提供的器材自主实验，通过改变电流的方向和磁铁的方向，观察液体流动的方向，即受力方向，并及时记录实验现象，并在小球上插上电荷运动方向、磁场方向及洛伦兹力的方向．
通过对实验现象的分析，归纳洛伦兹力的方向．
即：伸开左手，使大拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从手心进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向
学生根据实验结论初步判定，通过观察实验最终完善对洛伦兹力方向特点的理解：
1．洛伦兹力永远与速度方向垂直，只改变速度的方向，不改变速度大小．
2．洛伦兹力对电荷不做功
从宏观到微观，寻找等量关系．
自主建立物理情景，自行推导：
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q，自由电荷定向移动的速率为v．这段通电导线垂直磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中．则
（1）电流强度I =nqvS
（2）通电导线所受的安培力FA=BIL；
（3）这段导线内的自由电荷数N= nsL；
（4）每个电荷所受的洛伦兹力F洛=qvB．
学生思考，观察实验，总结：
当v∥B时，F洛=0
当v与B成θ角时，F洛=qvBsinθ
观看了解电视显像管的构造、原理．
思考并判断．
学生观察图像，辨别自我分析是否正确．
思考并回答
观察图片
学生思考，在赤道上空高能带电粒子的速度垂直磁场，没有能进入大气层．
提出猜想，实验验证，提升观察实验、归纳实验现象的能力．
介绍物理学家的事迹，激发学生的荣誉感和为科学奋斗的决心．
建立通过研究宏观现象来解释微观规律的研究方法．
复习知识，为建立由宏观现象来研究微观本质做铺垫
培养学生科学研究的方法，提升学生实验能力，发展学生的思维空间．
使学生知识、能力同时提升．
进一步培养学生科学的研究方法
从已知通过数学推演通往未知领域，达到知识、能力的提升．
从已知通过逻辑推理、通往未知领域，提升逻辑推理能力．
了解磁场对运动电荷的作用在生活中的应用
六、教学反思
1．教学的程序
本节课通过实验建立洛伦兹力的概念，通过师生讨论建立研究微观粒子的基本方法，利用实验探究洛伦兹力的方向，通过逻辑推理得到洛伦兹力的表达式，并设置情境对表达式加以理解，最后通过磁场对运动电荷的作用在生活中的应用进一步加深理解洛伦兹力．
2．教学的策略
本节课利用实验（现象）产生问题，应用实验解决问题，再由实验现象生成新的问题，最后再设计实验来解决新的问题，充分展现实验是物理学的基础，是研究自然科学的一种方法．
3．实验教学的理念
本节课设计的理念基于本人主持研究的省级课题《基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学研究》，凸显“云实验”的理论，即将大量的器材按照要达到的知识、能力需求有机的结合成一个整体呈献给学生，学生在为了达到既定的学习目标，根据个人的兴趣爱好、现有生活经验、知识储备、能力结构和认知水平，选择适合自己的研究方案，满足自我的需求．不同的学生通过不同的途径来建构或理解同一概念或规律，但每一个知识的得来都源自于学生亲身经历．学生通过不同的途径建立了不同的经验，在课堂的交互中，经过思维频繁的碰撞，一方面使每一位同学的思维更为宽广、更为丰满、更有深度，另一方面这也必然导致新的问题、新的思路、新的途径、新的经验生成．
七、板书设计：
课件11张PPT。季志锋§3.5 运动电荷在磁场中受到的力 江苏省西亭高级中学一、概念建构电磁流体驱动原理一、概念建构洛伦兹力：
磁场对运动电荷的作用力称为洛伦兹力 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． 二、研究方法洛伦兹力安培力研究方法：通过对宏观现象的分析揭示微观粒子的运动规律三、规律探究（一）探究洛伦兹力的方向能否用“左手定则”来判定？三、规律探究（一）探究洛伦兹力的方向2．判定方法：左手定则
内容：伸开左手，使大拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从手心进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向．3．规律特点：洛伦兹力的方向始终与速度垂直洛伦兹力对运动电荷不做功三、规律探究（二）探究洛伦兹力的大小 安培力等于电荷定向运动时所受洛伦兹力的矢量和 与安培力的大小有什么关系？三、规律探究（二）探究洛伦兹力的大小1．表达式： F=qvB （v⊥B） 2．规律理解：当v∥B时，F洛=0当v与B成θ时，F洛=qvBsinθ若电荷射入磁场的速度v与磁感应强度B平行，则电荷所受洛伦兹力为多大？四、体验生活1．电视机显像管的工作原理四、体验生活2．地球上空的极光同学们再见！谢谢！《运动电荷在磁场中受到的力》教学反思
江苏省西亭高级中学 季志锋 邮编：226301
关键词：学生视角 实验教学 科学方法
摘要：基于学生视角的教学设计才是有效的教学设计，才能吻合学生发展规律。从学生的感性认知、已有知识结构出发，通过大量实验验证，将理性与感性有机结合、寻找研究方法是本节课的特点。
正文
本节课的教学设计的思路是：从学生的感性认知、已有知识结构出发，通过大量实验验证，将理性与感性有机结合，及时渗透科学研究方法。利用学生已经掌握的安培力的相关知识来研究洛伦兹力，揭示通过宏观现象来研究微观粒子的运动规律。
1．教学过程
（1）课题的引入
本节课从实验引入，利用电磁驱动的舰艇模型在没有其他机械动力的装置下在溶液里向前运动，同时我国的095型核潜艇也采用了这样的驱动装置，根据实验现象的奇趣性、前沿科学实用性引出课题。
（2）概念的建构
利用视频，给学生提供电极间的导电溶液在加上磁场后运动的直观现象，通过动画解释微观粒子的运动，逐步建构洛伦兹力的公式，再由阴极射线实验加深概念的建构，通过改变磁场强弱、磁场方向观看实验现象的变化引出本节课的研究方法。
（3）研究方法
通过师生讨论，探寻研究洛伦兹力的方法，即通过宏观现象的分析揭示微观粒子运动的本质。
（4）探究洛伦兹力的方向
根据研究方法，请学生利用实验验证是否能用左手定则来判断运动电荷所受洛伦兹力的方向，学生利用插针法来记录实验数据，根据实验数据归纳总结利用左手定则来判断安培力方向的方法。教师再次设疑，溶液中存在负电荷的定向运动，能否利用左手定则来判断运动负电荷所受的安培力的方向，同时利用记录的阴极射线的实验现象进行验证，完善左手定则。教师再次设疑，洛伦兹力的方向与粒子运动速度的方向有什么关系，并通过实验进行验证。归纳出洛伦兹力与速度始终垂直，对运动电荷不做功。
（5）探究洛伦兹力的大小
根据研究方法，由学生分析归纳出安培力是电荷定向运动时所受洛伦兹力的矢量和，然后由学生自主设置情境，推导洛伦兹力的表达式。根据学生的展示，教师进一步创设情境，讨论速度与磁场平行或成一定夹角（不为90°）情境下洛伦兹力的表达式，并利用实验进行验证。
（6）生活应用促能力
通过电视机显像管原理的讨论，让学生感知洛伦兹力原来就发生在身边，图象工程中的应用。通过极光现象的讨论，让学生知道洛伦兹力还能产生美丽的生活图片，增强学生的审美观。
2．教学的策略
（1）实验贯穿始终
本节课利用实验（现象）产生问题，应用实验解决问题，再由实验现象生成新的问题，最后再设计实验来解决新的问题，充分展现实验是物理学的基础，是研究自然科学的一种方法．
（2）问题作为指引
课堂教学中教师提出问题，学生解决问题，根据实验现象，学生产生问题、提出问题，通过师生讨论解决问题，再产生新的需要解决的问题。
3．实验教学的理念
本节课设计的理念基于本人主持研究的省级课题《基于创新学力培养的高中物理“云实验”教学研究》，凸显“云实验”的理论，即将大量的器材按照要达到的知识、能力需求有机的结合成一个整体呈献给学生，学生在为了达到既定的学习目标，根据个人的兴趣爱好、现有生活经验、知识储备、能力结构和认知水平，选择适合自己的研究方案，满足自我的需求．不同的学生通过不同的途径来建构或理解同一概念或规律，但每一个知识的得来都源自于学生亲身经历．学生通过不同的途径建立了不同的经验，在课堂的交互中，经过思维频繁的碰撞，一方面使每一位同学的思维更为宽广、更为丰满、更有深度，另一方面这也必然导致新的问题、新的思路、新的途径、新的经验生成．
