自制創新實驗教具 展現洛倫茲力魅力

李 冬

(北京師范大學鹽城附屬學校 江蘇 鹽城 224000)

洛倫茲力是電磁學的重要知識，它與學科內其他知識綜合應用是歷年高考的必考內容之一，要想讓學生透徹理解洛倫茲力的方向與大小，既要做好實驗進行科學探究，又要有嚴謹的科學思維理論推導.設計創新的實驗方案，可以讓學生從感知到認知，不斷思辨；自制創新的實驗教具，可以讓學生從認知到理解，不斷深入；利用現代化的教學手段，可以讓學生從理解到應用，不斷進步.

1 自制創新教具 科學探究洛倫茲力方向

傳統演示洛倫茲力的實驗儀器是用陰極射線管，開啟后，手持條形永久磁鐵，使磁鐵一端靠近陰極射線管側面，電子束就會發生偏轉，讓學生猜想為何磁鐵能讓電子束發生偏轉？以此引入洛倫茲力，然后結合類比思想用該裝置多次尋找概括洛倫茲力方向的方法：左手定則.但是這個尋找的過程較為繁瑣、無味.學生參與度與興致不高，以致后續洛倫茲力空間關系的建立容易出現知識斷層.此次改進是依然采用陰極射線管的趣味實驗引入洛倫茲力，使學生建立洛倫茲力的物理觀念.但是尋找左手定則時改為自制的改裝教具如圖1所示.

圖1 自制創新教具，探究洛倫茲力的方向

把一臺黑白電視的后蓋打開，把場掃描和行掃描各引出一個開關，當把開關都關閉，電視中心為一亮斑，學生很容易理解亮斑是電子槍發射電子擊中屏幕所致[1].

然后自制一個可繞中心旋轉的圓筒，圓筒外側用膠棒貼上兩塊磁鐵，圓筒中間可近似看做一個勻強磁場，把圓筒套在電子槍上，有了磁場的作用，電子槍發射的電子會發生偏轉，熒光屏上面的光斑也隨之偏轉；當圓筒轉動時，磁場方向改變，光斑會圍繞中心做圓周運動，如圖2所示.這些有趣而難以預料的實驗現象讓學生目不暇接，思維不斷被刷新，學生經歷了感知，產生了強烈的好奇心.在這一過程中，筆者選取幾個特殊的位置，學生通過提出問題→猜想與假設→實驗驗證→歸納總結的科學探究方法，總結了判斷洛倫茲力方向的左手定則.這樣做，不僅空間立體感更強，學生興致高昂，參與度高，互動性強；而且培養了學生科學探究的意識，分析論證的能力，合作與交流的意愿和能力.更為下一步電視機顯像管的教學做了鋪墊.

圖2 自制創新教具，動態演示電子偏轉

2 自制洛倫茲力演示儀 展示洛倫茲力三維空間關系

傳統講解洛倫茲力三維空間關系的方法可將不同顏色的木棒插在橡皮泥上來構造左手定則的三維立體模型,如圖3所示，用不同顏色的木棒表示磁場方向、偏轉方向(力的方向)和電子的運動方向，學生按照立體圖學習左手定則，然后應用到洛倫茲力方向的判定上.實際教學中發現，很多學生對磁場方向與電子運動方向有夾角時，使用橡皮泥模型判定受力方向有時就會犯錯.主要原因是顧此失彼，不能很好地理解磁場或運動的分量對實驗的影響.

圖3 傳統探究洛倫茲力的方法

此次改進是自制可動三維框架如圖4所示.

圖4 自制洛倫茲力演示儀，展示洛倫茲力三維空間關系

圖中紅黃綠3種顏色分別表示速度v，洛倫茲力F，磁場B.(力F與速度vx分別粘貼在兩個金屬滑環上，滑環下面一端與細線相連,一端與橡皮筋相連).其中速度v的金屬棒可以繞原點轉動.一旦轉動就會帶動細線，通過聯動裝置進而帶動速度的水平分量vx和洛倫茲力F的邊縮短.當速度與磁場平行時，洛倫茲力減小為零.由于裝置底部有橡皮筋，因此當增大速度v與B的夾角時，橡皮筋拉動F與vx兩個金屬滑環又恢復到原來的長度，用以演示洛倫茲力隨著B與v的夾角增大而增大.用該裝置既可以演示洛倫茲力F始終垂直v的規律，又可以動態演示洛倫茲力的大小與夾角的關系.由于裝置可操作性強，學生先上臺判定，然后親自實驗驗證，經歷了認知到理解，不斷深入思考的過程，很快就會理解洛倫茲力的三維空間關系.

3 制作演示動畫 科學探究洛倫茲力與安培力的內在聯系

安培力是磁場對載流導體的作用力，洛倫茲力是磁場對運動電荷的作用力.要真正講清這兩個力的關系必須把安培力與洛倫茲力的內在聯系、轉化過程的微觀本質及定性關系揭示出來，傳統的教學方式就是教師講解，學生看書，學生理解較困難.

此次改進是利用PPT制作演示動畫，構造物理模型，生動直觀地演示洛倫茲力與安培力的微觀聯系.

如圖5所示，一根通電導線內部有大量向右定向移動的電荷，當加上磁場時，這些定向移動電荷會受到向上的洛倫茲力發生偏轉，使導線上側積累負電荷，下方因缺失負電荷而帶正電.導線內部產生自下而上的橫向電場，后續移動的電荷同時受到洛倫茲力與電場力的作用，只要電場力小于洛倫茲力，電荷就會繼續積累，直到電場力與洛倫茲力達到二力平衡.整個導線內部達到穩定狀態.此時可以發現每個定向移動的電荷都會受到一個向下的電場力，這個力的施力物體是除去這個電荷之外的其余部分，也稱之為晶格骨架.那么反之，每個定向移動的電荷會對晶格骨架產生一個反作用力F′電[1]，而這些反作用力的合力就是我們所說的安培力.依據我們的理論分析不難發現

F洛=F電=F′電

用動畫說明了洛倫茲力和安培力的聯系后，想要得到洛倫茲力的表達式還需要教師細心引導，通過分步問題，結合PPT動畫演示，引導學生體會洛倫茲力大小推導的思維線索和邏輯過程.具體步驟如下：

已知該段導線的長度為L，其中的電流為I,垂直放入磁感應強度為B的勻強磁場中，導線的橫截面積為S，導線內單位體積的自由電荷數為n.推導分析如表1所示的幾個問題.

表1 科學探究洛倫茲力表達式

分析到這里學生會以為得到了正確的表達式，教師需要介入引導：分析上述表達式，你覺得洛倫茲力應該與哪些因素有關？與哪些因素無關(與I,S,n3個宏觀量無關)，上述表達式中哪些物理量不應該出現[2]，是不是還可以繼續化簡？電流I和S以及n之間是不是具有一定的關系？這里需要用到兩個新的物理量：導線中每個帶電粒子的電荷量為q，電荷定向移動的速率為v；接下來繼續續表所示的推導.

利用PPT通過模型構建、科學推理、科學論證的方法，引導學生從物理學的視角對洛倫茲力的本質屬性、與安培力的內在規律進行探究，培養學生的科學思維，這也是新課程標準的要求[2].

4 科學態度與責任 了解電視機顯像管原理

有了前面的基礎，學生們會猜測電視機顯像管的原理，可以讓學生猜想為什么電視機的屏幕滿屏都是畫面，讓學生們大膽地說出自己的想法，基于已學習的知識和邏輯發表自己的見解，教師給予鼓勵與幫助，目的在于充分培養學生的科學態度與責任.同時為了激發學生興趣，筆者這里再次使用電視機進行了趣味演示：當兩對偏轉線圈只有一個工作時，會出現圖6(a),(b)所示的水平或豎直兩線.與此同時，使線圈轉動，磁場隨之轉動，整條亮線也會像圖6(c),(d)所示轉動.

圖6 了解電視機顯像管原理

5 結束語

通過實驗教學實踐體會到充分利用自制教具和現代化的教學手段，拓展實驗內容，展示實驗效果，讓學生從感性與理性兩個方面真切體會到物理知識的神奇，進而下功夫去探究物理原理，應用物理原理去解釋一些實驗現象.在教學中緊抓兩條主線：一是實驗探究洛倫茲力的方向，二是理論推導洛倫茲力的大小，探究洛倫茲力與安培力的關系.在實驗過程中潛移默化地培養學生的物理核心素養，增強創新意識和實踐能力，逐步形成科學態度觀、科學世界觀和正確的價值觀，為進入高等學校課程的學習以及畢業后的發展奠定基礎.