《人教版選修3—1磁場對電荷的作用力》教學設計

【摘 要】本文闡述《人教版選修 3-1 磁場對電荷的作用力》的一節實驗探究課，講解運用示波器、條形磁鐵進行自主實驗探究的過程，通過“觀察—猜想—實驗—分析—總結”的思維方法使學生總結出洛倫茲力方向的判斷方法，掌握洛倫茲力的方向特征，順利地完成教學任務，達到培養學生物理學科核心素養的目的。

【關鍵詞】磁場 電荷 洛倫茲力 教學設計

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）03B-0101-03

在物理教學中培養學生的核心素養，是科學育人價值的重要體現。新課標改革的理念之一，就是要求在課堂教學的過程中培養學生的核心素養，而實驗探究是物理學科核心素養的重要緯度。在物理教學中，將實驗與科學探究有效地結合起來成了新課改的主旋律。為此在物理教學中應盡可能地將傳統教學改變為實驗探究式的教學。因此教師應該根據實際的教學情況，選擇合適的探究實驗，并對探究過程進行合理規劃，引導學生順利進行科學探究，從而培養學生的創新意識、實踐能力和科學素養。本節課就是基于該思想設計的一節實驗探究課。

〖教學目標〗

一、知識與技能

1.知道什么是洛倫茲力。

2.能夠應用左手定則判斷洛倫茲力的方向。

二、過程與方法

1.通過“觀察—猜想—實驗—分析—總結”的思維方法使學生總結出洛倫茲力方向的判斷方法，掌握洛倫茲力的方向特征。

2.通過實驗探究和實驗驗證，掌握用左手定則判斷洛倫茲力方向的方法。

三、情感與價值觀

1.讓學生感受和體會“觀察—猜想—實驗—分析—總結”這個最基本的科學研究的思維方法。

2.培養學生的實驗探究能力，運用知識解決實際問題的能力。

〖教材分析〗

1.教材直接給出結論：洛倫茲力的方向可以用左手定則進行判斷，并直接陳述說明實驗事實證明結論是正確的。故本節課的教學重點應該是向學生展示這個實驗事實具體是什么，而探究實驗就是最好的選擇。

2.學生通過實驗探究并驗證左手定則，既可以用來判斷安培力的方向，又可以用來判斷洛倫茲力的方向，認識和理解洛倫茲力與安培力的內在聯系。

3.本節課的教學重點放在探究實驗和洛倫茲力的方向規律，洛倫茲力的大小推導留給學生課后思考，并作為下一節課的主要內容。

4.本節課運用類比方法建立模型：極光現象→陰極射線管（建模過程）→示波管（建模過程）。如果能通過學生探究實驗，找到了示波管中的電子在磁場中的運動方向的規律，那么就能解釋極光現象為什么只發生在極地地區的原因。

〖教學過程設計〗

一、新課引入

【師】同學們，你們見過極光嗎？

【生】沒有。

【師】好，那我帶領你們一起去看極光。

【師】播放帶有解說詞的《極光》視頻—— 極光是一種絢麗多彩的發光現象，其發生是由于太陽的高能帶電粒子流進入地球磁場，在地球南北兩極附近地區的高空，夜間出現的燦爛美麗光輝的現象。地球的極光是由太陽的高能帶電粒子流與高層大氣分子撞擊而產生的。

【師】提出問題：

1.極光的產生需要什么條件？

2.極光現象為什么只發生在極地地區？

二、實驗器材介紹，提出探究目標

【師】同學們，要想了解極光現象，我們可以從研究下面這幾個實驗開始。地磁場對高能粒子的作用比較復雜，但我們可以在實驗室中利用實驗器材進行實驗探究，總結并發現其中的規律，找出產生極光的原因。

【實驗探究的教學意圖及思路】運用類比方法建立模型。高能粒子產生的極光現象與陰極射線管中電子在磁場中偏轉實驗類似（建模過程），陰極射線管中電子在磁場中偏轉實驗又與示波管中的電子在磁場中的偏轉實驗類似（建模過程）。如果能通過學生探究實驗，找到了示波管中的電子在磁場中的運動方向的規律，那么就能解釋極光現象為什么只發生在極地地區的原因。

【師】介紹陰極射線管：從陰極發射出來的電子，在陰陽兩極間的高壓作用下，使其加速，形成電子束，轟擊到長條形的熒光屏上激發熒光，可以顯示電子束的運動軌跡（如圖甲所示）。

【師】同學們，下面老師用陰極射線管做演示實驗，請大家注意觀察實驗現象。

【實驗現象】在沒有外加磁場時，電子束沿直線運動；如果把射線管放在蹄形磁鐵的兩極間，熒光屏上顯示電子束運動的軌跡就發生了彎曲（如圖乙、丙所示）。

【師】同學們，這個實驗說明了什么問題？

【生】運動電荷在磁場中受到力的作用。

【師】對，運動電荷在磁場中受到力的作用，這就是我們這節課要研究的內容。

【板書一】洛倫茲力的定義

磁場對運動電荷的作用力叫洛倫茲力。

【師】同學們，上面的實驗中陰極射線管與示波器中的示波管原理類似，我們也可以用波器中的示波管來做電子的偏轉實驗。簡單介紹示波器中的示波管：示波器外殼被打開，不加水平和豎直偏轉電壓，使電子束打在熒光屏的正中央；用條形磁鐵（外面用白紙包好，防止學生記住磁場方向和電子束發生偏轉關系，不利于自主探究）一端分別放在示波管中的上、左、右位置，如圖所示，發生光斑偏轉。

【師】同學們，通過這個實驗，發現運動電荷在磁場中受到力的作用而發生偏轉，那么磁場方向、電荷運動方向、洛倫茲力方向三者的關系是怎么的呢？這就是我們接下來要探究的內容。

三、探究實驗，自主學習

【實驗目標】探究磁場方向、電荷運動方向、洛倫茲力方向三者的關系，發現并總結出規律。

【實驗器材】（1）條形磁鐵 1 根；（2）示波器 1 個（沒有加水平和豎直偏轉電壓，且光斑已經調整到熒光屏的正中央，老師課前調整好），帶有表格的空白實驗記錄紙 1 張。

【分組實驗】2 人一組，自主實驗和探究。

【師】同學們，現在我們每個桌子上都放有已經調整好的示波器，且光斑已經調整到熒光屏的正中央，請同學們不要調整示波器面板上的調節旋鈕。每個桌子上還有一根條形磁鐵，還有一張帶有表格的白紙。請同學們用所給的實驗器材，進行實驗探究，并請同學們把電子受力方向和條形磁鐵的位置關系畫在試驗記錄的白紙上。然后找出磁場方向、電荷運動方向、洛倫茲力方向三者的關系。下面請每組同學開始通過實驗來進行探究。

【師】在學生實驗探究期間，老師來回巡視。

【師】同學們，我看到每組同學差不多都探究完畢，下面找一組同學的實驗記錄與大家分享，想和大家一起分享的請舉手。同學們紛紛舉手，老師找一組實驗記錄用實物投影儀投影到屏幕上，如圖所示（基本上每個組都能畫出類似圖形）。

【師】同學們，通過實物投影儀顯示的磁場方向和受力方向，結合電子運動方向，誰能發現三者存在的關系？找到規律的請舉手示意。

【師】請甲生來說一下你發現的三者存在的關系？

【甲生】我通過分析發現 F 既垂直于 B，又垂直于 v，和上節安培力方向的判斷類似，F、B、v 的關系也遵守左手定則。

【師】既然也遵守左手定則，請甲同學說一下正、負電荷如何用左手定則來判斷受力方向。

【甲生】因為正電荷的運動方向是電流方向，負電荷運動的反向就是電流方向，所以用左手定則時，如果是正電荷，四指指向與運動電荷相同，負電荷時四指指向與運動電荷相反，并且 F 既垂直于 B，又垂直于 v，垂直 B 和 v 決定的平面。

【師】這位同學總結得非常好，大家給予掌聲鼓勵。

【師】請同學們思考一個問題，帶電粒子在什么情況下的磁場中不受洛倫茲力。知道的請回答。

【乙生】老師，探究實驗時我們組已經做過該實驗了，當條形磁鐵垂直熒光屏的斑點時，斑點基本上不偏轉。

【師】是嗎，為什么會這樣呢？

【乙生】當運動電荷運動方向沿磁感線運動時，不受力的作用，這也遵守左手定則啊。

【師】回答得非常好。

四、實驗結論

【師】同學們，通過我們大家探究發現，洛倫茲力方向也可以用左手定則進行判斷。

左手定則：伸開左手，使拇指與其余四指垂直，并且都與手掌在同一個平面內；讓磁感線從掌心進入，并使四指指向正電荷的運動方向，這時拇指所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。

【師】注意用左手定則判斷洛倫茲力方向時，四指應該與正電荷的運動方向相同或與負電荷的運動方向相反。

【板書二】洛倫茲力的方向

1.判斷方法：左手定則。

（1）手心：讓磁感線穿過手心；

（2）四指：與正電荷運動方向同向，與負電荷運動方向反向；

（3）拇指：與四指垂直，則拇指方向就是洛倫茲力的方向。

2.方向特征：洛倫茲力 F 既垂直于 B，又垂直于 v，垂直 B、v 決定的平面。

五、規律應用

【師】同學們，哪位同學愿意到講臺來，到講臺后老師才給你出題，要求該同學短暫思考后進行動手操作，判斷出電子束運動偏轉方向，必須一次成功，不允許反復嘗試（多數同學舉手）。

【丙生】上臺后，老師出題：讓光斑向下偏轉。丙生邊思考，邊用左手比畫，用條形磁鐵操作一次性成功。

【師】同學們，那么為什么極光現象只發生在極地地區？老師解釋開頭的極光現象。

六、課堂小結

【師】同學們，通過本節課的學習，我們應該掌握以下內容：

1.磁場對運動電荷的作用力叫洛倫茲力。

2.洛倫茲力的方向可以用左手定則來判斷。

七、課后作業

1.思考洛倫茲力和安培力的關系。

2.洛倫茲力的大小怎么計算。

這正是我們下節課要解決的問題。

八、板書設計

§5 磁場對運動電荷的作用力

（一）洛倫茲力的定義

磁場對運動電荷的作用力叫——洛倫茲力。

（二）洛倫茲力的方向

1.判斷方法：左手定則。

（1）手心：讓磁感線穿過手心；

（2）四指：與負電荷運動方向反向；與正電荷運動方向同向；

（3）拇指：與四指垂直，則拇指方向既洛倫茲力的方向。

2.方向特征：洛倫茲力 F 既垂直于 B，又垂直于 v。

〖注〗2017 年 10 月 27 日，第五屆西部九省名校聯盟教學研討會在南寧二中舉行。本課是南寧二中全組共同研磨的一節高質量的實驗探究課，這節課在西部九省名校聯盟教學研討會中作為研討示范課得以展示。該課得到與會近百位物理老師及專家高度評價，本文作者整理后呈現給大家。

【作者簡介】付同森，中學物理高級教師，中學物理特級教師，現就業于南寧市第二中學，多年任教實驗班，高考成績非常突出，培養出清華、北大學生多名，培養出自治區物理奧林匹克競賽一等獎多名，發表省級、國家級論文 20 多篇。