1、15.运动电荷在磁场中受到的力1、课型：实验探究课2、课时：1 课时3、学生课前准备：电子射线管、电源、蹄形磁铁、投影仪、小黑板、彩色水笔。二、教学目标本节课可分三部分：首先通过观察演示实验，讨论洛伦兹力的方向，这一部分是学生的一个实验探究活动。然后将安培力看作是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，通过安培力公式导出洛伦兹力的公式，这一部分是学生的一个理论探究活动。最后，研究带电粒子在磁场中的运动，这一部分是学生的一个理论分析和实验验证的探究活动。教材的这种安排，符合了新课程标准，起到了承上启下的作用，使物理学习能连续进行；符合学生的发展的要求；体现了教材重视课堂教学中的师生互动，学生自觉参与
2、活动和学生合作探究的新课程教学理念，对应的目标是：1、知识目标(1)知道什么是洛伦兹力。知道电荷运动方向与磁场方向平行时，电荷受到的洛仑兹力等于零。(2) 会利用左手定则判断洛伦兹力的方向。(3)知道洛伦兹力大小的推理过程。(4)掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。2、能力目标通过洛伦兹力大小的推导过程培养学生的分析推理能力，培养学生的迁移能力。3、德育目标让学生认真体会科学研究最基本的思维方法：“推理 假设 实验验证”。【教学重点】(1)利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。(2)掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。【教学难点】2洛伦兹力方向的判断。【教学
3、方法】讲述法、分析推理法、讲练法。在教学中以实验探究方法为主，辅之讲授法、演示法、讨论法等多种教学方法，教学中注重启发学生的思维，培养学生间协作精神，加强师生间的双向活动。三、教材分析 物理学体系中本章是经典电磁学理论的基本内容，而本节课是安培力的延续，又是后面学习带电体在磁场中运动的基础，反应磁场和运动电荷的相互作用，是学生后面了解现代科技回旋加速器，质谱仪，磁流体发电机等的基础，还是力、电、磁综合问题分析中重要的一部分。从新课程改革以来，几乎每年高考都有涉及洛仑兹力的计算大题，由此，足以说明其重要性。 学生已具备力学、电磁学相关知识，学习完磁场对通电导线作用即安培力。并且也熟悉一直以来物理
4、学的“提出问题 猜想假设 实验验证”的科学探究方法。而且高二的学生已经有了一定的观察、分析、推理能力及空间想象能力，是学习洛仑兹力的能力基础 。但是由于日常生活中我们无法用肉眼观察到运动电荷，学生对电荷在磁场中的运动缺乏感性认知。而我们的学生习惯于形象思维，对微观的物理知识意识较薄弱，知识的系统性也不足。 四、教学过程：第一部分：课前自主学习 主动落实学案（点擂台对学生检测）1、 安培力的定义：2、 安培力的大小： 当 BI 时 ： F= 当 B 与磁场的夹角为 时：F= 如何推导：3、安培力方向如何的判定：4、判断安培力的方向5、通电导线中的电流是怎样形成的呢?6、洛伦磁力的定义：IB30I
5、B37、洛伦磁力的方向判定：8、运动电荷的速度方向与磁场方向垂直时：F= 运动电荷的速度方向与磁场方向的夹角为 ，运动电荷所受的洛伦兹力公式 F= 第二部分：课堂互动探究 整合提升新课导学实验探究一：提出问题 猜想假设 实验验证 1、新课引入（提出问题-猜想假设-实验观察）大自然是美丽的，是五彩缤纷的，现在让我们先来领略它的美展示：极光 视频地磁场阻挡太阳风“江山如此多娇、引无数英雄竞折腰”在我们为自然之美而陶醉、折服的时候，我们不禁也会思考：美丽的极光是怎么形成的？在它的背后隐藏着怎样的自然规律呢？我们还知道，地球存在一个地磁场，由带电粒子所构成的宇宙射线以很高的速率不断地轰击地球，而这个地
6、磁场却可以屏蔽掉这些射线以保护地球，那么地磁场为何能产生这种作用呢？这两种看似毫不相干的现象在它们的背后都隐藏着统一的、和谐的物理规律。这两种问题的答案都跟我们今天要学习的一种力有关。引出本节课课题问题 1：垂直于磁场的电流在磁场中受到什么力？答案：安培力问题 2：电流是怎么形成的？如果通电导线的电流为零，作用力是多少呢？答案：自由电荷的定向移动。如果通电导线的电流为零，力为零。磁场对电流有力的作用，而电流是由大量自由电荷的定向移动形成的，我们自然就会猜想到：这个力很可能是作用在运动电荷上的，思考与讨论：如何才能验证运动电荷在磁场中是否会受到力的作用？4答案：看运动电荷在磁场中的轨迹是否会发生
7、偏转。我们知道“实践是检验真理的唯一标准”，为了验证我们的猜想是否正确自然就需要做实验仪器介绍：阴极射线管原理：从阴极发射出来电子，在阴阳两极间的高压作用下，使电子加速，形成电子束，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示电子束的运动轨迹。课件：洛伦兹是荷兰伟大的物理学家，他的最大贡献就是他的电子论。爱因斯坦对他有很高的评价，他说，他的一生受洛伦兹的影响最大，称洛伦兹是“我们是时代最伟大、最尊贵的人”。问题 3：不加磁场和加上磁场时电子的轨迹有何变化？演示：磁场对运动电荷实验现象：在没有外磁场时，电子束沿直线运动，将蹄形磁铁靠近电子射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲。实验结论：磁场对运动电
8、荷的确有力的作用，我们的猜想是正确的。总结：洛伦磁力定义：运动电荷在磁场中受到的力 安培力和洛伦磁力的关系：安培力是各电荷的洛伦兹力的合力探究二：洛仑兹力方向（提出问题-猜想假设-实验验证 练习 总结）提出问题：问题 1、安培力的方向如何判定？洛伦磁力和安培力什么关系？答案：左手定则，（具体内容）安培力是各电荷的洛伦兹力的合力问题 2、电流的方向是怎么规定的？5答案：正电荷定向移动的方向问题 3、如何来判断洛伦兹力的方向呢？我们回顾一下电流形成和电流方向的规定；安培力方向的判定方法：左手定则。根据上面实验的一束电子流在磁场中的偏转情况，洛伦兹力又是安培力的微观表示，你能否分析得到一个判断洛仑兹
9、力方向的方法呢？ 猜想假设：磁场对电流的作用力实质上就是磁场对运动电荷作用力。也就是说洛伦兹力可能与电荷的运动方向、磁场方向有关。安培力的方向用左手定则来判断，洛伦兹力是否也可以采用同样方法。 我们自然也会猜想到：洛伦兹力的方向是否也应该遵循左手定则？假设洛伦兹力的方向真的符合左手定则，那么我们就应该让四指指向正电荷的运动方向。其他条件不变。那么我们就按照假设一起动手来比划比划。学生活动：洛伦兹力方向的判断左手定则伸开左手，使大拇指和其余四指垂直，且处于同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，四指指向正电荷运动的方向，那么，拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向。问题 4：若是负
10、电荷在磁场中运动，那么其洛伦兹力的方向如何判断？答案：让四指指向负电荷运动的相反方向。实验验证：下面我们依然通过实验来验证我们的猜想是否正确，我们先用左手定则判断方向再做实验证实。实验证实洛伦兹力的方向的确也遵循左手定则，猜想正确。这也说明：提出猜想 进行实验 获得结论 这种科学研究的方法是非常有效的。实验验证（磁场方向、电子的运动方向及洛伦兹方向间的关系）实验验证：观察阴极射线的电子流在磁场中的运动，先判断电流的方向，用左手定则判断安培力的方向，推断得到电子的受力方向。由学生交流自己的判断方法。问题 5、磁场方向、电子的运动方向及洛伦兹方向间的关系如何？磁场的方向一定与电荷运动的方向垂直吗？
11、 B+FV6问题 6、以相同速度垂直进入同一匀强磁场的正、负电荷受到的洛伦兹力方向关系呢？答案：B 和 V 方向不一定垂直，F 洛必垂直于 B、V 确定的平面。 古诗有云：“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”，就是告诉我们“光说不练是不行的”，要想深刻的掌握所学的理论就必须亲自动手操作，理论与实践要相结合嘛！现在我们就来练一练：请同学们上黑板来展示你们的风采：针对训练：试判断下图中所示的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向。总结练习：今天同学们共同研究得出洛仑兹力方向使用左手可以判定，总结刚才左手判断的方法，就是左手定则，通过练习提醒学生注意：电荷所受的洛伦兹力既垂直于磁场方向，又垂直于电荷
12、运动方向。即垂直于磁场方向和电荷运动方向所决定的平面。若不垂直怎样，设疑引思考。总结：洛伦兹力的方向判断方法：洛伦兹力方向的判断左手定则方向的关系：B 和 V 方向不一定垂直，F 洛必垂直于 B、V 确定的平面。7探究三：洛仑兹力大小（建立模型 小组讨论 得出结论 知识拓展-能力提升） 建立模型：以上的我们讨论了洛仑兹力的方向跟磁场方向和运动电荷的速度方向有关。小组讨论：安培力是洛仑兹力的宏观表现，要确定洛仑兹力大小，首先要从微观角度上分析确定电流强度大小。猜想：洛伦兹力大小可能会与哪些因素有关呢?【小组合作】（洛伦兹力的定量推导）：若有一段长度为 L 的通电导线，横截面积为 S，单位体积中含
13、有的自由电荷数为 n，每个自由电荷的电量为 q，定向移动的平均速率为 v，将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为 B 的匀强磁场中。求：1有一段长度为 L 的通电导线内的粒子总数 N= 2通过截面电流的微观表达式 I= 3导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为 B 的匀强磁场中，导线受到的安培力 F= 4每个电荷所受的洛伦兹力 洛F= 总结：洛伦兹力的大小：F 洛=qvB (电荷 q 所受的洛伦兹力) 公式中各量的国际单位：F 为 N，q 为 C，v 为 m/s，B 为 T。 适用条件： （BV 时） 得出结论：F 洛=qvB （BV 时） F 洛=0 （BV 时） 巩固练习：电子以 v3106
14、 m/s 的速率垂直射入 B0.10 T 的匀强磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？解：FqvB1.60101931060.10N4.81014 N。注意：就算时，电量不带符号。问题 5：现在你知道为什么地磁场对地球有保护作用了吗？8答案：运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，运动方向会发生偏转，这一点对于地球上的生命来说有十分重要的意义。从太阳或其他星体上，时刻都有大量的高能粒子流放出，称为宇宙射线，这些高能粒子流，如果都到达地球，将对地球上的生物带来危害。庆幸的是，地球周围存在地磁场，地磁场改变宇宙射线中带电粒子的运动方向，对宇宙射线起了一定的阻挡作用。知识拓展：1、设运动电荷的速度方向与磁场方
15、向的夹角为 ，此时运动电荷所受的洛伦兹力公式如何推导？洛伦兹力的一般表达式是 F 洛=qvBsin（B 与 V 有夹角 ） 能力提升：问题 1、洛伦兹力方向与带电粒子的运动方向始终有什么关系？洛伦兹力改变带电粒子运动的速度吗？带电粒子的动能改变吗？洛伦兹力对带电粒子做的功吗？答案：洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，所以洛伦兹力对电荷不做功。洛伦兹力对运动电荷永不做功问题 2、当带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入磁场时会怎样运动？答案：匀速圆周运动。探究四：研究带电粒子在磁场中运动(引导学生用理论解决实际问题，培养实践能力。) 洛伦兹的应用是非常广泛的。1.在电视机的显象管中。2极光现
16、象问题：极光是来自太阳的高能粒子进入大气后，与大气发生作用而产生的。为什么在赤道却从来没有它的身影呢？ 9回答：解释垂直射向赤道（向东偏转）和两极（长驱直入）的正电荷，并得出结论。至于有的时候高纬度地区也有极光出现，有兴趣的同学课后可以通过上网等方式查阅。地磁场使得在赤道等低纬度地区没有极光的身影，这的确是一种遗憾，但是，也正因为地磁场的存在，使我们人类的生产生活免遭宇宙高能粒子的伤害。视频：来自太阳的高能粒子射向地球。3其他其实洛伦兹力的应用是非常广泛，在以后我们还将会学习到：速度选择器、磁流体发电机、质谱仪、回旋加速器等。10研究性学习： 1、今天我们学习了带电粒子的运动方向垂直于磁场方向
17、的情形，请同学们自己研究学习（1）BV，（2）BV，（3）B 与 V 成 角，三种情形中洛仑兹力和带电粒子的运动规律。 2、在许多科学仪器和工业设备，例如质谱仪，粒子加速器，电子显微镜，磁镜装置，霍耳器件中，洛伦兹力都有广泛应用。3、既然安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力对运动电荷不作功，何以安培力能对载流导线做功呢？实际上洛伦兹力起了传递能量的作用，它的一部分阻碍电荷运动作负功，另一部分构成安培力对载流导线作正功，结果仍是由维持电流的电源提供了能量。本节课你的收获与疑问：作业、（1）阅读教材信息浏览“地磁与极光”。 （2）并把 P124 13 做到作业本上。 板书设计 3.5 磁场对运动电
18、荷的作用力 一、洛伦兹力 定义：运动电荷在磁场中受到的力 二、洛伦兹力的方向 1.判定-左手定则 2.特点：B 和 V 方向不一定垂直，F 洛必垂直于 B、V 确定的平面。 三、洛伦兹力的大小 11F 洛=qvB （BV 时） F 洛=0 （BV 时） F 洛=qvBsin（B 与 V 有夹角 ） 【当堂检测】（3 分钟）1、关于带电粒子所受洛仑兹力 f、磁感应强度 B 和粒子速度 v 三者之间的关系，下列说法中正确的是（ ）A、f、B、v 三者必定均相互垂直B、f 必定垂直于 B、v，但 B 不一定垂直 vC、B 必定垂直于 f，但 f 不一定垂直于 vD、v 必定垂直于 f，但 f 不一定垂直于 B2、两个带电粒子以相同的速度垂直磁感线方向进入同一匀强磁场，两粒子质量之比为1：4，电量之比为 1：2，则两带电粒子受洛仑兹力之比为（ ）A、2：1 B、1：1 C、1：2 D、1：43、如图所示，在电子射线管上方平行放置一通电长直导线，则电子射线将（ ）A、向上偏 B、向下偏 C、向纸内偏 D、向纸外偏
