基于類比方法的《研究洛倫茲力》教學設計

彭漫率 彭曉春

【摘要】本節教材體現了“提出假說—實驗驗證”這一科學研究的基本思維方法，而假說的提出是運用了邏輯推理分析。因而在研究洛倫茲力時，基于教材內容之上，運用類比方法，充分調動學生的思維，在學生已有知識的基礎上進行猜想，與安培力的進行比較，從而進行洛倫茲力方向的研究，并通過實驗進一步驗證。然后將安培力看作是大量運動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現，通過安培力計算公式導出洛倫茲力計算的公式，這一部分是學生的一個理論探究活動。這充分體現了觀察、實驗與科學思維相結合的物理學科基本特征。

【關鍵詞】類比方法;研究洛倫茲力;教學設計

一、教材分析

粵教版《普通高中課程標準實驗教科書 物理（選修3-1）》第三章第五節《研究洛倫茲力》節首啟發學生提出猜想，參考答案為：磁場對運動電荷有力的作用。本節學習是在前面已研究安培力的基礎上進行的，磁場對電流有安培力的作用，而電流是由電荷定向移動形成的，那么，磁場對移動的電荷有沒有力的作用呢？筆者通過以下幾方面進行闡述：

二、物理學科核心素養教學目標

（一）物理觀念

通過與安培力進行類比分析，進一步運用演示實驗，認識洛倫茲力。能夠判斷洛倫茲力的大小與計算洛倫茲力的方向。

（二）科學思維和創新

1.判斷洛倫茲力方向時，通過類比的方向進行合理的邏輯推理，提出假說，再通過演示實驗進一步驗證，讓學生能在安培力方向的判斷與洛倫茲力方向的判斷中找到二者之間本質的聯系。

2.研究洛倫茲力大小時，因為有安培力大小計算鋪墊，通過安培力與洛倫茲力本質的聯系，二者實質上集體與個體的聯系，尋找洛倫茲力大小計算的途徑。

（三）科學探究與交流

1.由學生猜想洛倫茲力的方向，并通過實驗，驗證洛倫茲力方向判斷的方法，并由學生運用方法分析洛倫茲力的方向。

2.通過理論探究，由安培力公式推導出洛倫茲力公式，會計算洛倫茲力大小。

3.理解洛倫茲力對運動電荷不做功。

4.分析在只有洛倫茲力作用下的帶電粒子的運動。

（四）科學態度與責任

1.通過觀察電子束在磁場中的偏轉研究洛倫茲力的方向，體驗研究物理學的實驗方法。

2.比較安培力與洛倫茲力，從理論上導出洛倫茲力公式，認識科學探究方法的多樣性。

3.培養學生分析問題和抽象思維能力，在學習過程中不斷地猜想，培養學生對知識學習的預見性。

三、教學重、難點

1.研究洛倫茲力的方向

明確洛倫茲力的定義以及介紹陰極射線管，總結出用左手定則判定洛倫茲力方向的方法，與安培力比較，提醒學生注意的是對于負電荷，電流的方向與電荷運動的方向相反。并向學生強調洛倫茲力既與磁場方向垂直又與電荷運動速度方向垂直，但磁場方向與電荷運動速度方向的夾角則是任意的。當磁場方向與電荷運動速度方向平行時，洛倫茲力大小為零。

2.研究洛倫茲力的大小

安培力可以看作是大量運動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現，安培力與洛倫茲力是集體與個體的關系。從而可能通過電流受到的安培力的計算式從理論上導出運動電荷受到的洛倫茲力的計算式。需要突破的是：電流的表達式、自由電荷的總電量、單位體積內所含的自由電荷數、自由電荷定向移動的速率。這些概念要理解清楚。

四、教學方法

1.演示實驗驗證法：學生通過猜想，老師引導進行演示實驗驗證，讓學生明了科學規律總結的一般過程，使學生養成良好的科學素養和思維習慣。培養學生科學的態度和唯物主義的思想方法。表明了學生學習科學知識的過程不是將現有的知識灌輸進學生頭腦內的過程，而是在原有認識的基礎上自主建構知識的過程。

2.多媒體輔助教學：演示電流定向移動展示，輔助學生思考，將看不見的電流形象化，便于學生分析思考并進行洛倫茲力大小的推導。

3.類比比較分析法：安培力可能看作是大量運動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現，因而在力的方向與大小上有著緊密的聯系。方向判斷的方法是同出一轍，由此推彼，存大同分析小異，知識構建容易完成。大小上是宏觀與微觀，集體與個體的關系，由此進行推導，學生容易理解。

五、教學器材

陰極射線管、蹄型磁鐵、導線、投影儀

六、教學過程

（一）方法引入

1.奧斯特“電生磁”實驗到法拉弟“磁生電”類比方法與可逆思維方式

2.平拋運動與帶電粒子垂直入射勻強電場發生偏轉類比方法

本節研究主要方法之一：類比

（二）環節一 認識洛倫茲力

1.學生猜想

2.實驗驗證

1）在沒有磁場時，接通電源可觀察到什么現象？

在沒有外加磁場時，電子徑跡是直線。

2）光束實質是什么？

光束的實質是定向移動的電子流。

3）若在陰極射線管上加磁場，可觀察到什么現象？

垂直加磁場，陰極射線偏轉，磁場對運動的電子有力的作用。

結論：磁場對運動電荷有力的作用——洛倫茲力。

（三）環節二? 洛倫茲力的方向

1.學生思考：安培力與洛倫茲力是什么關系？

磁場對電流有安培力的作用，而電流是由電荷定向移動形成的，且磁場對運動電荷有洛倫茲力的作用。

安培力是洛倫茲力的宏觀表現，洛倫茲力是安培力的微觀解釋。

2.學生類比分析

3.實驗驗證——洛倫茲力的方向符合左手定則

4.學生練習

練習：試判斷下圖中所示的帶電粒子剛進入磁場時所受洛倫茲力的方向。

習題體會：洛倫茲力方向一定與磁場方向垂直，一定與電荷定向移動速度方向垂直，而磁場方向與電荷定向移動方向不一定垂直。洛倫茲力不做功。

（四）環節三? 洛倫茲力的大小

1.洛倫茲力大小公式推導引導

安培力是洛倫茲力的宏觀表現，洛倫茲力是安培力的微觀解釋。

2.洛倫茲力大小推導

建立推導模型：設有一段長為L，橫截面積為s的直導線，單位體積內的自由電荷數為n，每個自由電荷的電量為q，自由電荷定向移動速率為v，這段通電導線垂直磁場方向放入磁感強度為B的勻強磁場中。

1）這段導線內的自由電荷數

2）通電導線中的電流

3）通電導線所受安培力

4）每個電荷所受的洛倫茲力

結論：電荷定向移動的方向與磁感強度方向垂直時，洛倫茲力大小

拓展分析：電荷定向移動的方向與磁感強度方向夾角為θ時，

類比方法歸納總結表一：

類比方法歸納總結表二

（五） 環節四? 課堂小結（板書設計）

（六） 環節五? 布置課外作業