高中物理3-1《洛倫茲力與現代技術》的“問題導學”式教學

練慶清

【摘要】本文嘗試用“問題導學式”教法來進行《洛倫茲力與現代技術》的教學，使得教學更具探究性和啟發性。

【關鍵詞】洛倫茲力與現代技術? ? 問題導學式教學

本教學設計按照“教師為主導，學生為主體，過程為主線”的教學設想，采取了引導探究的教學方法，把教材內容有機地劃分成6個探究小課題，輔之以一系列環環相扣的探究小問題，并結合物理學史料來開展教學。在整個過程中，既有學生的積極參與、拾級攀登，又有教師的點撥引導、及時調控。通過師生雙邊的信息交流，不斷地將教學活動引向深入，使學生在獲取新知的同時，還親身經驗到科學研究的思想方法，進一步培養了他們的能力。

教學過程：

探究小課題1：垂直射入勻強磁場中的帶電粒子，在洛倫茲力的作用下，將會偏離原來的方向。那么，粒子的運動徑跡是怎樣的呢？

學生活動：討論和交流，并作出猜想。

教學活動：（1）展示實驗器材，簡單介紹洛侖茲力演示儀的構造和工作原理。（2）演示實驗：不加磁場時電子束的徑跡、施加與電子束平行磁場時的徑跡、施加與電子束垂直磁場時的徑跡。（3）歸納：通過實驗我們發現垂直射入勻強磁場中的帶電粒子，在洛倫茲力的作用下，將會作勻速圓周運動。

設計意圖：問題引出探究課題，激發學生的求知欲。

提出探究小課題2：帶電粒子為什么做勻速圓周的運動？

學生活動：分小組討論，然后每組選一位學生回答。（1）f洛在什么平面內？與v的關系怎樣？（2）f洛對運動電荷是否做功？（3）f洛 對運動電荷的運動起何作用？（4）帶電粒子在磁場中運動有什么特點？

教學活動：（1）講解：帶電粒子垂直進入勻強磁場，洛侖茲力對運動粒子起著向心力的作用，因此粒子的運動一定是勻速圓周運動，觀看flash動畫理解粒子作勻速圓周運動。（2）歸納：既然帶電粒子垂直進入勻強磁場時作勻速圓周運動，那么下面我們來研究它的半徑和周期。

設計意圖：通過問題，引導學生分析問題。

提出探究小課題3：一個帶電粒子的質量為m，電荷量為q，速率為v，它在磁感應強度為B的勻強磁場中做勻速圓周運動的軌道半徑和周期是多大呢？

學生活動：根據勻速圓周運動知識和洛倫茲力提供向心力解決問題。

教學活動：我們可以看出帶電粒子的半徑與運動速率成正比;而周期與運動速率無關。

設計意圖：創設物理情境。

提出探究小課題4：歷史事件：湯姆遜在做磁偏轉的實驗時發現經過化學提純的粒子以相同的初速度進入勻強磁場怎么會得到兩條不同的軌跡？

學生活動：具有相同質子數，不同中子數的同一元素的不同核素互為同位素，化學行為幾乎相同，但原子量或質量數不同，從而物理性質有所差異。

教學活動：注重學科間的聯系，結合所學的知識以及老師的提問引導學生思考。

設計意圖：創設物理情境，激發學生的好奇心，加深同學們對半徑公式的理解，并經歷新事物的發現過程。

提出探究小課題5：同位素的發現也引發了一個新的難題：怎么測量同位素的質量？同學們能不能用已學的知識研發一個測量的儀器？

學生活動：（1）用什么原理測量粒子質量？洛倫茲力提供向心力的公式里含有m.（2）怎樣使得粒子獲得速度？電場可以對帶電粒子做功。（3）怎樣選擇特定速度的粒子？上節課學習的速度選擇器。（4）需要測量什么物理量？結合公式和實際情況。

教學活動：帶電粒子進入磁場將沿著不同的半徑做圓周運動，打到照相底片的不同地方，在底片上 形成若干的譜線狀細條，叫質譜線，每一條譜線對應于一定的質量。從譜線的位置可以知道圓周運動的半徑。如果再已知帶電粒子的電荷量，就可以算出它質量，這種儀器叫質譜儀。

設計意圖：創設物理情境，激發學生探究的欲望。

提出探究小課題6： 在現代物理學中，人們也利用洛倫茲力到最前沿、最復雜的試驗中去（視頻）。那怎么使得粒子獲得很高的能量呢？

學生活動：分小組進討論，提出解決方案。（1）用什么方式可以使得帶電粒子獲得速度？利用電場加速。（2）這種加速器受到實際所能達到的電勢差的限制，粒子獲得的能量并不太高，只能達到幾十萬到幾兆電子伏。如何才能獲得較大的能量呢？學生討論，并能得出采取多級加速的辦法使粒子獲得較大的能量。（3）這是合乎道理的想法。實際上，也的確存在這這個多級加速器，我們叫做“直線加速器”，目前已經建成的直線加速器有幾公里，甚至幾十公里長。但是，直線加速器占地面積太大，能否既讓帶電粒子多次加速，獲得較高能量，又盡可能減少占地面積呢？思考并提出方案：外加磁場！利用勻強磁場使它重返電場，再次加速。

教學活動：1932年美國物理學家勞倫斯正是沿著與我們相仿的巧妙思路發明了回旋加速器。

設計意圖：通過提出課題，引出回旋加速器。引導學生自主設計方案，根據所學知識解決問題。

課后思考7：（1）為使帶電粒子不斷得到加速，提供加速電壓的電源應符合怎樣的要求？（2）粒子所能達到的最大速度是多大？

設計意圖：留有空間讓學生課后獨立嘗試和思考