6.2 磁场对运动电荷的作用 教案 (1)

6.2
磁场对运动电荷的作用力
教案
　　【教学目标】
　　1．知识与技能：
　　①知道什么是洛伦兹力，会判断洛伦兹力的方向；
　　②知道洛伦兹力大小的推导过程；
　　③会利用本节课学的知识简单解释电视显像管的工作原理。
　　2．过程与方法：
　　①通过对安培力微观本质的猜测，培养学生的联想和猜测能力；
　　②通过推导洛伦兹力的公式，培养学生的逻辑推理能力；
　　③通过演示实验，培养学生的观察能力。
　　3．情感态度与价值观：
　　培养学生的科学思维和研究方法，引导学生观察、分析、推理能力。
　　【教学重点、难点】
　　重点：洛伦兹力方向的判断方法和洛伦兹力大小计算。
　　难点：洛伦兹力计算公式的推导过程。
　　【实验器材及教学媒体的选择与使用】
　　阴极射线管、电子感应圈、多媒体投影系统
　　【教学方法】
　　讲授法、实验法、讨论法。
　　【教学过程】
　　引入：
　　展示美丽的极光图片，观看神奇的极光短片。
　　请问这些美丽的极光一般出现在什么区域？（地球的南、北极地区）
　　极光是来自大气外的宇宙射线（即一束束高速带电粒子流）撞击大气中的粒子（氧、氮原子），使之电离发光。从四面八方射向地球的带电粒子，只有南北两极附近的粒子可以到达地球，其余的粒子则由于受到地球磁场的作用运动方向发生了改变，无法到达地球。
　　带电粒子在地球磁场的作用下运动方向为什么会发生了改变？
　　一、引导学生猜想：磁场对运动电荷有力的作用
　　　　能否用学过的知识支持我们的猜想？
　　引导学生复习：安培力──磁场对通电导线（电流）的作用力
　　电流──由电荷的定向移动形成的
　　磁场对通电导线的安培力可能是作用在大量运动电荷上的作用力的宏观表现
　　　　用实验验证猜想：
　　演示实验并介绍实验原理
　　（1）阴极射线管介绍：灯丝加热放出电子，电子在加速电场的作用下高速运动形成的电子流。电子轰击到“7”字型长条的荧光屏上，激发荧光，显示电子束的运动轨迹。
　　（2）演示：
　　①在没有外磁场时，电子束沿直线运动
　　提问：电子束的直线运动说明了什么？
　　电子不受力的作用。
　　②将蹄形磁铁靠近电子射线管，发现电子束运动轨迹发生了偏转。
　　提问：电子束的偏转说明了什么？
　　电子受到力的作用。
　　（3）结论：磁场对运动电荷有力的作用，猜想成立。
　　磁场对运动电荷有力的作用叫洛伦兹力。之所以叫洛伦兹力是为了纪念荷兰物理学家洛伦兹。
　　洛伦兹力既然是一个力，那我们应该研究它的什么呢？
　　方向、大小。
　　二、洛伦兹力的方向研究
　　1．再次观看演示实验，改变磁场方向，分析实验现象，引导学生猜想洛伦兹力的方向跟什么因素有关？
　　2．引导学生思考安培力与洛伦兹力之间的关系：
　　电流是由定向运动的电荷所形成的，安培力是作用在运动电荷上的力（洛伦兹力）的宏观表现。
　　提出猜想：洛伦兹力的方向可能可以用左手定则判定
　　实验验证：进一步观察电子束垂直进入磁场时的偏转，并改变磁场方向。在黑板上作图表示，验证洛伦兹力的方向是否可以用左手定则判定。
　　设计思想：体现物理是以实验为基础的学科，科学实验是揭示自然规律的重要方法和手段。培养学生科学研究最基本的思维方法：分析推理──猜想──实验验证──得出结论。
　　引导学生总结洛伦兹力的方向的判断──左手定则的具体内容：
　　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，让磁感线穿入手心，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的方向，若四指指向是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的方向。
　　（强调：四指指向是负电荷运动的反方向）
　　三、洛伦兹力大小的探究
　　安培力是洛伦兹力的宏观表现，两者方向判断方法相同，大小是否也存在某种联系？能否通过电流受到的安培力导出运动电荷受到的洛伦兹力的大小呢？
　　点拨学生：建立物理模型，注意分析问题情景的关键点。
　　问题情景：设有一段横截面积为S的通电导线，单位体积中含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q，定向移动的平均速率为v，取时间t内电荷经过的长度对应的导体为研究对象（应先建立物理模型（教材图3．5—3），再循序渐进有条理地推导，这一个过程可放手让学生完成，体现学习的自主性。）
　　1．在时间t内的通过截面的粒子数为多少？（N=nvSt）
　　2．算出q与电流I的关系？（I=nqvS）
　　3．导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中，导线受到的安培力有多大？（F安=BIL）
　　4．安培力F安可以看做是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力F的合力，则每个电荷所受的洛伦兹力多大？（F洛=qvB）
　　（巡视学生推导情况并进行根据实际情况，进行个别指导点评学生的成果，并进一步引导学生分析结论）
　　提问：该公式F洛=qvB的适用条件是什么？（电荷的运动方向与磁场方向垂直）
　　当v∥B时，F洛=0（类比安培力，B∥L时F安=0）
　　学生思维发散：当v与B既不垂直，又不平行时，洛伦兹力的大小又如何求？（处理方法类比安培力：将磁感强度或速度分解，设当粒子运动方向与磁感应强度方向成θ时，F洛=qvBsinθ。此问题教学大纲不做要求，有兴趣的同学课下再探讨。）
　　设计思想：将安培力和洛伦兹力的大小关系作比，既能自然地推倒出洛伦兹力的大小问题，又能将洛伦兹力和安培力的处理方法有效统一，提高教学效率。
　　四、洛伦兹力的实际应用
　　理论来自于实践，更要服务于实践。
　　1．既然我们已经知道的洛伦兹力大小和方向的判断方法，请学生试着分析地磁场对宇宙射线的阻挡作用和极光为什么总是出现在两极？
　　（地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在赤道附近最强，两极地区最弱）。

　　同时可请两位学生分别扮演地球和从宇宙射来的带电粒子，模拟带电粒子在地磁场作用下的偏转情况。
　
　　2．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。按照课本“思考与讨论”，学生分组讨论，得出结论。
　　【课堂小结】
　　（让学生去总结本节课的主要内容）
　　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。
　　洛伦兹力的方向：左手定则
　　洛伦兹力大小：电荷的运动方向与磁场方向垂直，F洛=qvB
　　电荷的运动方向与磁场方向平行，F洛=0
　　当v与B既不垂直，又不平行时，F洛=qvBsinθ
　　【课外探究，发散思维】
　　让学生根据所本节所学的知识去探究生活和科技中还有哪些应用洛伦兹力的例子，课后进行交流。这样设计可以增强学生学习的兴趣，开阔学生的视野，使学生的思维得到发散。