“磁场对运动电荷的作用力”教学设计.doc

磁场对运动电荷的作用力”教学设计

一 、教材分析
  1．教材的地位和作用
本课选自《普通高中课程标准实验教科书选修3-1》第三章第五节。本节主要讲述磁场对运动电荷的作用力—-洛伦兹力。从物理学的角度来看，洛伦兹力公式是经典电磁学理论的基本公式，它反映了场与运动电荷的相互作用，使得电磁场理论的触角延伸到粒子物理以及电磁相互作用统一理论等现代物理的各个领域。从课程安排上看，本节课是在学完磁感应强度、安培力等知识的基础上，进一步研究磁场对运动电荷的作用力。因此教材安排本课在“磁场对通电导线作用”一节之后，深化学生对安培力的本质理解，同时为下章“电磁感应定律”的学习打下基础，所以本节课是本章乃至全书的重点内容。
2．教材教学内容安排                        
本节课教材内容安排，通过对“磁场对电流有作用力”和“电流是由电荷定向运动形成的”这两个事实提出假设：磁场对运动电荷有作用力，再通过实验验证假设的正确性，强调“提出问题 – 猜想假设-- 实验验证”的探究过程，并由此提出洛伦兹力的物理概念。之后，通过两个探究得出洛伦兹力大小和方向跟哪些因素有关，如何判断方向，如何求大小。最后介绍其应用，特别强调在电视机中显像管的应用。

二、学情分析
1．在学习本节课之前，学生已经具备了力学及磁场的相关知识，特别是第四节磁场对通电导线的作用为洛伦兹力的学习奠定了基础
2．关于“提出问题-猜想假设-实验验证”的科学探究方法，学生在必修一、二的学习过程中多次接触，对其并不陌生，所以，本节课涉及科学探究方面的问题较容易展开。
3．在认知过程中易存在如下障碍：高二学生对于微观粒子的运动状态不清晰，导致本节课洛伦兹力大小推导的教学过程产生困难。
三、教学目标
1. 知识与技能
通过实验，认识洛伦兹力。会判断洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小。了解电子束的磁偏转原理及其在科学技术中的应用。
2. 过程与方法
经历洛伦兹力大小方向的探究过程，理解“提出问题-猜想假设-实验验证”的科学探究过程，提高探究能力。
通过对洛伦兹力大小的学习，加深建立物理模型在物理问题研究中的作用。
通过运用互联网收集洛伦兹力应用的资料，筛选信息，撰写论文的过程，锻炼自己收集整合资料的能力。
3．情感态度价值观
通过收集地磁场对地球保护作用的资料，撰写论文的过程，体会地球的和谐与脆弱，激发保护环境的意识。
通过对洛伦兹力方向及大小问题的科学探究过程，培养自己主动与他人合作的精神，增强团队意识。
通过对洛伦兹力在现实生活中应用的学习，增强自己将物理知识应用于生产生活实际的意识。
四、教学重点和难点
1、 教学重点
洛伦兹力与安培力的关系，洛伦兹力方向的判断，大小的计算。
2、 教学难点                
由安培力大小的计算公式推出洛伦兹力大小的计算公式。
五、教学方法
本节课以“实验探究”方法为主，辅之以讲授法、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，培养学生间的协作精神，加强师生间的双向活动。教学方法选择充分体现“学生主体，老师主导”的教学理念，力在培养学生的科学素养。
1、 实验探究法
通过“提出问题-猜想假设-实验验证”的科学探究过程，引出本节课的新概念——洛伦兹力，得出洛伦兹力的方向。
2、 协作讨论法
在分析推理洛伦兹力大小表达式，应用洛伦兹力解决实际问题等实际过程中，采用协作讨论方法，意在突破难点的过程中加强同学合作意识，培养协作精神，提高科学素养。
六、教学媒体
阴极射线管、条形磁铁、洛伦兹力演示仪、计算机、黑板、教科书
七、教学过程设计
1、流程图
2、具体教学过程分析
教学内容
教师活动
学生活动
创设情景，引入新课

通过视频，为同学们展示极光的奇妙现象；引用英国科学杂志《自然》2004年4月11日刊登的一篇文章介绍对磁场对人类生活的作用。文中介绍由于南极地磁场的弱化，使得太阳的带电粒子穿透地磁场保护，造成人造卫星失事。进一步推演，甚至引起地球磁场的倒转，酝酿巨大悲剧。
观看幻灯片，感受奇妙的物理现象，阅读物理科普知识，脑海中生成疑问，提起对本节课的学习兴趣。
【教学设计分析】通过同学们很少见到但有确确实实存在的奇妙的或者是令人担忧的物理现象，抓住学生的思维活跃点，激发学生的好奇心，使其产生求知欲。这属于创设情景导入法。
洛  伦  兹 力                        

为解决引题中的问题，开始本节课的学习。
提出问题：在上节课的学习过程中，我们知道电流在磁场中会受到安培力的作用，那从微观角度来讲，电流的实质是什么？
引导学生从电流的定义上来回答该问题

对学生的回答给以评价，紧接着继续提问
【 提出问题】：

那磁场对运动电荷是否也有作用力？

对学生的猜想给以评价，针对同学们的猜想，
【 演示实验】：
首先介绍阴极射线管的原理，各部分构造，其次进行演示实验，引导学生观察思考得出结论。

进一步提出洛伦兹力的概念：磁场对运动电荷的作用力。

回忆旧知识，得出：电流是由电荷的定向移动形成的。

通过思考，
既然电流是由定向移动的电荷构成，那磁场对通电导线的作用力在微观上是否就可以理解为……
【 猜想假设】：

磁场对运动电荷有作用力。

观察实验，加入磁场后，电子束发生偏振，得出磁场对运动电荷确实有作用力。
【教学设计分析】这是本节课第一个实验探究，也是非常关键的一个演示实验。通过“提出问题-猜想假设-实验验证”的探究过程，让肉眼看不见的电子显示出运动径迹，激发学生的好奇心和求知欲---引出本节课所学习的物理概念—洛伦兹力。该实验是本节课的重点演示实验，可见度好，探究过程明了，易于同学们对抽象概念洛伦兹力形成直观认识。（完成知识与技能1）

洛伦兹力的方向
教师活动
学生活动
我们知道力是一个矢量，设问：一个矢量的学习要从哪些方面展开呢？结合我们在必修中学过的矢量

【 提出问题】：

同学们想一下，在上节课中我们是如何确定安培力方向的？
安培力的方向跟哪些因素有关？

请同学们根据洛洛伦兹力的定义猜想一下，洛伦兹力的方向又可能跟哪些因素有关呢？

对应安培力，适当提供引导

洛伦兹力的方向又该如何判断呢

能否通过实验验证我们的猜想，请同学分组讨论，自己设计实验过程，
得出判断洛伦兹力方向的方法。

在同学上讲台展示实验方法的过程中给予相关指导。

评价学生对各种情况的归纳总结，针对其中②引导学生针对阴极射线管的原理，思考方向相反的原因（阴极射线管中发射的是电子），
针对②提问：如果磁场方向和电荷运动方向不垂直，我们又该如何处理呢？

演示自制“三垂直”模型，传输三者之间方向关系的直观形象，从而总结探究结论。
洛伦兹力方向一定与磁场方向，电荷运动方向垂直，但电荷运动方向可和磁场运动方向成任意角，当电荷运动方向和磁场运动方向垂直时，洛伦兹力最大，平行时，洛伦兹力最小，为零。

思考，回答问题：矢量的大小和方向两个方面

在老师引导下回忆安培力F=ILB，通过左手定则来判断方向
方向与电流方向有关，磁场方向有关。

而电流方向又与电荷的运动方向有关，洛伦兹力又是磁场对运动电荷的作用力，从而可以【 猜想假设】：

磁场对电流的作用力实质上就是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。

在老师引导下，继续猜想：安培力的方向可以根据左手定则来判断，洛伦兹力是否也可以采用同样方法。

【 实验验证】：
联系第一个实验探究，选择实验仪器（阴极射线管，U形磁铁），设计本实验过程。
在进行试验过程中发现各种问题：
① 电子束打不到荧光屏上
② 磁场只有在某些方向上才能引起电子束偏转
③改变磁场方向，电子束偏转方向改变。

通过对各种情况归纳总结，得出结论：①当磁场方向平行于电子运动方向时，磁场对运动电荷没有力的作用。
②当磁场方向与电荷运动方向垂直时，采用左手定则判断出洛伦兹力的方向于实际方向相反
③发现，洛伦兹力方向始终垂直于磁场方向，电荷运动方向。

通过思考，回答老师设问：
……所以运用左手定则四指应该指向正电荷运动的方向，这样就跟实验所得相符了！！
有结论①、②可得可将磁场分解到平行电荷运动方向和垂直电荷运动方向。平行电荷运动方向不受洛伦兹力，垂直电荷运动方向可根据左手定则来判断。
【教学设计分析】这是本节课的第二个实验探究，通过“提出问题-猜想假设-实验验证”得出洛伦兹力方向的判断方法。其中同学们亲自动手设计实验，发现问题，解决问题，根据实验现象，总结规律。最后讨论产生问题的原因，得出完整结论。在整个过程中，不断地发现问题，解决问题，让学生体会科学探究的艰辛，养成良好的科学探究习惯，提高科学素养。
洛伦兹力的大小
提出问题：我们知道磁场对通电导线有作用力，本质是磁场对运动电荷有作用力，正是磁场对运动电荷的合理构成了磁场对通电导线的作用力。那我们能否通过安培力的表达式推导出洛伦兹力的表达式呢？

动画演示通电导体中电荷的运动形式，引导学生【 建立模型】：

长为L、截面积为S、电流为I导体在匀强磁场B中，一个带电粒子的带电量为q、单位体积带电粒子数为n、定向移动速度v,v和B的夹角为θ。

评价学生的推导过程，并提问：在此磁场方向与电荷运动方向是垂直的，那如果磁场方向与电荷运动方向成一定夹角，我们又该如何处理？(不必得出 F洛=Bqvcosθ)

理解模型，脑海中形成对运动电荷在磁场中运动状态的清晰认识。

根据老师的引导，根据建立的模型,【 分组讨论】：

学生分组活动：
①这段导线受到安培力（F安=BIL）。
②运动电荷的总粒子数（N=nLs）。
（I=nqvs）（F安=BIL=BnqvsL）
由安培力可看作是所有运动电荷所受洛仑兹力的合力得出：
③一个定向运动的带电粒子受到的磁场力为洛伦兹力（F洛=Bqv）。

同学联系洛伦兹力方向归结②思考：可已将磁场分解到垂直电荷运动方向和平行电荷运动方向。垂直方向，可根据F洛=Bqv求解，平行方向上不受洛伦兹力.

【 得出结论】：F洛=Bqv(B⊥v),当磁场方向与电荷运动方向成一定夹角时可将磁场方向分解到垂直电荷运动方向和平行电荷运动方向，平行电荷运动方向上不受洛伦兹力。

【教学设计分析】这是本节课的难点，采取建立物理模型的思维方法，有利于学生直观理解，通过合作式讨论的学习方法，避免了难点问题成为老师讲解或优秀学生的推导表演。此种方法能充分发挥学生的聪明才智，培养他们合作克服困难的能力。

磁场对运动电荷作用力的应用

1)    课件展示应用洛伦兹力原理的高科技产品：
磁流体发电机，质谱仪，回旋加速器等，让同学体验该部分内容在高科技领域中的广泛应用。
2)    请同学们阅读课本，运用洛伦兹力的知识，分组讨论，得出电视机显像管的工作原理，尝试解决如下问题(幻灯片展示)：
①如果电子束打在荧光屏A点和B点，磁场应该分别沿什么方向？
②要使电子打在荧光屏上的位置由B逐渐向A点移动，磁场该怎样变化？

3)   在自然界中——极光现象。
提问：到现在，同学们能否为我们课堂开始时提到的极光问题做一个合理的解释呢？（重放录像并提示：极光只是出现在地球南北极，多媒体课件展示地磁场的分布）。
4)    根据课堂开始我们引用的《自然》杂志上的发现，提问：同学们能否解释，为什么地磁场变弱会引起太阳中的带电粒子穿越大气层，从而对我们的生活产生危害么？

观看课件，让同学体验物理知识应用

阅读课本，讨论，解决问题。

2 回看引题录像，结合地磁场，分析极光现象

思考解决问题，体会地磁场对对球生命所起的莫大的保护作用
【教学设计分析】这部分内容是对物理知识的技术应用，充分体现STS教学理念，针对应用问题的科普性，采用阅读资料，组内讨论，加录像展示的方法，提高学生的学习兴趣，此种学习方式，融本节课的重点知识巩固于实际应用，符合新课标教改理念。
布置作业
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通过互联网或者其它方式收集资料，整合信息，了解洛伦兹力在现代科技与人类生活中的作用，体会地磁场对地球生命的保护作用，并将自己的发现或者体验以小论文的形成呈现出来。
【教学设计分析】该过程的设计意图在于体现三维教学目标情感态度价值观目标，在收集资料，撰写科学论文的过程中，体会科技的力量，树立从事科学研究的人生志向；体会我们生活的地球的和谐与脆弱，激发保护环境的意识。

九、板书设计