由洛倫茲力演示實驗引發的教學資源創新

吳瑋佳

（南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210000）

教學資源作為課堂教學中的重要素材，其設計、組織與運用都圍繞著教學目標的達成，其中就包括培養學生的核心素養.［1，2］以真實的問題情境作為素材運用在教學中，能夠充分激發學生的學習興趣，給學生充足的空間形成猜想，并制訂方案驗證猜想，從而開展完整、有效的科學探究，在此過程中進行模型建構、科學推理與論證，培養科學思維.［3］

1 洛倫茲力實驗現象的新發現

在進行“磁場對運動電荷的作用力”一節的備課時，筆者發現原本使用的陰極射線管中射出的電子束，在沒有外加磁鐵磁場的情況下會出現天然的彎曲（圖1所示電子束運動方向為自西向東）.

圖1 洛倫茲力實驗

筆者猜想，產生這一現象的主要原因可能是：

（1）底座內部通電線圈產生的磁場，或射線管金屬外殼被磁鐵磁化，使得電子束受到洛倫茲力發生偏轉.

（2）地磁場使電子束受到洛倫茲力發生偏轉.

針對上述兩種主要猜想，筆者進行實驗驗證如下.

① 為排除附近磁鐵對電子束的影響，將裝置移至周圍沒有磁鐵的空間進行實驗.

② 保持管身不動，改變底座的位置.

實驗發現電子束偏轉方向不隨管身與底座相對位置的變化而變化，由此排除猜想（1）.

③ 根據地磁場的分布情況可知，北半球地磁場的方向大致為自南向北，由上斜向下，結合電子的運動方向，由左手定則判斷電子束應向南、向下偏轉，與電子束實際偏轉方向一致.

④ 將射線管反向放置，改變電子運動方向（自東向西），電子束向與③中相反的方向偏轉，與左手定則判斷的偏轉方向一致.

⑤ 調整電子束出射方向，使其與地磁場方向保持一致.觀察到調整過程中電子束的軌跡逐漸趨于直線，當調至大致沿磁感線方向時，軌跡基本為直線，如圖2所示.

圖2 洛倫茲力實驗

⑥ 結合數據：電子帶電荷量為1.6×10－19C，質量約為9×10－31kg，該陰極射線管的最大加速電壓為220 V，南京地區的磁傾角約為46°，磁感應強度大小約為5×10－5T，則電子在地磁場中做圓周運動的軌跡半徑約為1.3 m，的確在射線管內可以看到較為明顯的偏轉.而外接高壓電源的陰極射線管（圖3）由于加速電壓高，電子出射速度大，軌跡半徑大，加之其是由電子束掠射在熒光板上顯示軌跡，因此觀察到的軌跡近乎直線.

圖3 陰極射線管

雖然上述方案較為簡略，但綜合實驗及理論分析，可對猜想（2）進行佐證：電子束的偏轉原因符合地磁場對其影響的猜想.

2 結合實際現象與學生核心素養培養的教學資源創新設計

本節的教學重點為洛倫茲力的方向和大小，因此，新授內容之后的課堂練習應該突出這兩方面的內容.筆者意圖將上述實際問題設計為新的教學資源，以探究性問題的形式在課堂中呈現，引導學生在猜想與驗證中回顧地磁場知識，分析判斷電子受到的洛倫茲力的方向，并將其編成一道例題，讓學生對洛倫茲力大小的計算進行練習.同時，題目情境又能夠引導教學自然地過渡到下一環節對洛倫茲力的應用之一——極光的介紹上去.

根據上述設想，筆者將題目設計為模擬太陽向地球發射高能粒子的情境，使用陰極射線管射出電子束的實際數據，讓學生判斷電子受到的洛倫茲力的方向，并計算洛倫茲力的大小.考慮到該例題是學生當堂對新知識進行的練習，題目情境應清晰明了，意圖直指洛倫茲力的大小與方向兩方面.

例題設計如下.

3 創新教學資源對學生核心素養培養的實踐效果

本節課按照先方向、后大小的順序對洛倫茲力進行教學，接著引出該資源.教學片段如下.

師：請大家來觀察一個有意思的現象.老師課前在用這種陰極射線管做實驗時，發現電子束在沒有外加磁鐵磁場的情況下也會出現彎曲［展示現象（圖4）］，這是什么原因導致的？

圖4

大部分學生：地磁場影響.

個別學生：附近有磁場.

師：在不知道磁場分布的情況下如何驗證是否是附近磁體的磁場對電子產生了作用？

生：盡可能使磁鐵遠離射線管，或調轉磁鐵極性，看電子偏轉方向是否與之前相反.（演示實驗，發現電子偏轉情況不變）

師：如何驗證是地磁場對電子的作用？

生：按地磁場方向判斷電子受到的洛倫茲力方向與實際偏轉方向是否一致.

師：一致的話就能說明一定是地磁場的影響嗎？

生：好像也不一定.

師：但至少我們可以初步地進行佐證.

下面我們將陰極射線管豎直放置，使電子由高處沿豎直方向射向地面，觀察電子束向哪里偏.

生：西.

師：能結合理論進一步說明嗎？（作圖5輔助學生思考）

圖5

生：地磁場在北半球方向由南向北，斜向下，地磁場平行于地面的分量使電子受到向西的洛倫茲力，與實際偏轉情況一致.

師：根據上述分析，我們至少可以認為地磁場作用的猜想與實際現象不矛盾.老師收集了一些數據，請大家計算一下這種情境下電子受到的洛倫茲力大約有多大.（展示例題）

師：這么小的力為什么會產生如此明顯的偏轉呢？

生：電子質量小，加速度很大.

師：請計算一下加速度是什么數量級的.

師：（展示矢量圖）當然，如果要對帶電粒子在磁場中運動軌跡的偏轉情況做出進一步說明，我們還需要用到下節課學習的內容.

大家都知道，太陽作為一個高能粒子源，時刻都在向外發射高能粒子.這些能量比陰極射線高得多的粒子如果直擊地球，將會對地球造成毀滅性的打擊.通過剛才的題目情境，你能解釋為什么地球沒有毀滅嗎？

生：粒子受到地磁場作用產生的洛倫茲力使得運動軌跡發生偏轉，繞過地球.

師：不僅如此，地磁場還有使粒子向兩極匯聚的作用，這就產生了在兩極地區特有的現象——極光.

4 小結與思考

實際生活中的真實問題作為潛在的資源，經過挖掘與開發，在課堂教學中可以起到多方面的作用.本文以“磁場對運動電荷的作用力”一節的教學為例，列舉備課過程中發現的實際問題，結合新高考形式和課堂教學設計素材，將問題進行多層次的應用.不僅對新授知識進行了及時的練習與運用，還通過拋出問題，引發學生的科學探究與模型建構過程.自然地銜接了對洛倫茲力理論與應用兩部分內容的教學，同時引出對極光的介紹，并為下一節“帶電粒子在勻強磁場中的運動”埋下伏筆，讓學生有了一定的認識.在此過程中培養學生的科學思維與探究能力，凸顯物理學科的核心本質.