帶電粒子在勻強磁場中運動軌跡作圖儀

◇ 鄒 華

1 背景

傳統物理教學一直以傳授系統的物理知識為最終教學目標，新課程改革把全面提高學生學科核心素養作為總目標．物理學科核心素養包含物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任．科學思維的有效形成是高中物理教學的關鍵問題之一，科學思維即學生從物理學的角度對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式．通過高中階段的學習，學生應能定性、定量地對物理問題進行科學推理、找出規律、得出結論．

帶電粒子在磁場中的運動軌跡問題，一直以來是學生較難理解的問題，其原因在于磁場的抽象性．帶電粒子在勻強磁場中運動“多功能軌跡作圖儀”，能定性分析帶電粒子在勻強磁場中的運動軌跡，得出帶電粒子的入射速度與在磁場中運動軌跡之間的規律．

經過多年的教學實踐發現，對于帶電粒子入射的速度大小、方向和入射點確定的粒子的運動軌跡，大部分學生能夠掌握得較好．但對于粒子入射速度的大小、方向和入射點三個量之一不確定的帶電粒子的可能運動軌跡，學生掌握起來較為困難．例如帶電粒子射入勻強磁場的速度大小和入射點確定，但是粒子的入射方向不確定，此時帶電粒子可能的運動軌跡就有多種．那么帶電粒子在磁場中可能經過的區域是怎樣的呢?很明顯，這類題目應該用“動圓旋轉法”來作圖．這類問題如果用傳統的方法，即用圓規畫圖，既耗時，又不夠形象．因此筆者設計了一個作圖儀，該作圖儀能夠快速形象地還原帶電粒子射入勻強磁場中，入射速度特點不同時帶電粒子的運動軌跡．

2 制作儀器的原理和使用方法

2.1 原理

物理源于生活，用于生活．生活中常見的輕薄壓木板或者硬質泡沫材料均可快速切割成圓形，而帶電粒子在勻強磁場中的運動軌跡恰好可以利用圓盤快速形象地描繪出來．該圓盤使用輕薄壓木板或硬質泡沫材料制成，圓盤的圓心處打一個比粉筆稍大的孔，用于將圓盤固定在黑板上，在圓盤的某一直徑上打一排孔，以中心的孔為圓心，中心的孔到直徑上某個孔的距離為半徑，即可畫出半徑不同的圓．

圖1 多功能作圖儀

2.2 教學用途與方法

該儀器的主要教學用途是解決帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的可能運動軌跡的畫圖問題．

1)動圓縮放:帶電粒子射入方形邊界磁場的速度方向確定，入射點確定，速度大小不確定，粒子恰好不從某一邊界飛出的速度的大小范圍，此時需要用“動圓縮放法”還原學生解題的思維過程，利用作圖儀能夠快速畫出半徑不同的圓，找剛好和這一邊界相切的圓，從而形象直觀地解決問題．

2)動圓旋轉:帶電粒子射入單邊界磁場，入射速度的大小和入射點確定，方向不確定，求粒子可能經過的區域，帶電粒子的運動軌跡的半徑是確定的，只需將圓盤邊緣上的一點確定，在180°內旋轉圓盤，模擬粒子的運動軌跡，即可快速確定粒子可能經過的區域．

3)動圓平移:帶電粒子射入單邊界磁場，速度的大小和方向確定，入射點不確定，此時粒子可能的運動軌跡是一組平移圓，通過水平移動圓盤畫出一組半徑相同的圓即可得到粒子可能的運動軌跡．

圖2 多功能作圖儀的使用

畫粒子可能的運動軌跡圖象的過程，也是還原粒子運動軌跡的過程，如畫“旋轉圓”，教師只需將圓盤在黑板上旋轉，即可畫出多個半徑相同的圓，形象、直觀．此作圖儀教師可以使用生活中常見的材料自己動手制作，制作和攜帶都很方便．另外還可以設計一個可以在半徑方向上移動的小孔，從而畫出任意半徑的圓．該作圖儀的制作與使用基于物理思維的生成過程，能為學生呈現更形象的物理模型，讓學生更好地實現物理模型的構建．