154磁场对运动电荷的作用案例.docx
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154磁场对运动电荷的作用案例
教学案例
灵丘县第一中学白菲菲
磁场对运动电荷的作用
灵丘一中白菲菲
一、背景概述:
在磁场对运动电荷的作用的教学实践中,我以前都是以大纲、教材为准绳,以教参为依据,按传统讲授法来讲课。
由于实验条件的欠缺,每次我都是先讲磁场对电流的作用,电流是由电荷的定向移动形成的。
自然想到这个力是作用在电荷上的,而作用在通电导线上的安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现。
然后再按照教材上的顺序讲解实验检验以及洛伦兹力的方向、大小及其特点。
每次讲解时学生对现象都是半信半疑。
对物理课而言,如果没有对现象的感性认识,想在此基础上进一步理解原因就难上加难。
老师虽然讲的口干舌燥,知识面面俱到,但学生仍然一头雾水。
长期以来,由于实验条件的限制,我已经习惯自己的授课方式,学生一直处于被动接受的状态中,缺乏充分的思考空间,缺乏展示的舞台,课堂上多了老师的声音,少了学生的活动。
课堂因缺乏思维碰撞的火花而少了动态的生成,这样的课堂使学生昏昏欲睡,老师也颇感乏味。
很多学生对物理课堂失去了兴趣,丧失了信心。
二、教学情景
此次教学,我调整了自己授课的思路。
力求把“要重视观察和实验”这一学好高中物理的基本方法落到实处。
课堂是这样进行的:
一、引入新课
师:
在图1所示装置中,导杆MN的两端
分别用细丝线挂在o和o’点,导杆MN处于垂
直自身的水平匀强磁场中,当s闭合与断开时,
丝线中张力有何变化?
为什么?
生甲:
S闭合时,线中张力变大,因导杆受到竖直向下的安培力。
生乙:
不见得,S闭合时,线中张力可能变小,因导杆受到竖直向上的安培力。
师:
还有其他可能没有?
生丙:
S闭合时,线中张力可能为零,因安培力可能大于重力。
师:
若安培力等于重力呢?
生丙:
(继续)线中张力也是零。
(众生表示满意。
)
我们知道,S闭合后,MN中有定向运动的电荷,它受到安培力;S断开后,MN中没有定向运动电荷,它不受安培力。
师:
关于安培力的产生,同学们有什么想法?
(学生迟疑,沉思。
)
生:
运动电荷在磁场中受到磁场力,安培力就是大量运动电荷所受磁场力的宏观表现。
(预习过的学生可以给出这样的回答。
)
师:
对!
安培力的存在,使我们想到运动电荷在磁场中会受到磁场力的作用,其宏观表现就是安培力。
让我们用实验来检验这一猜想。
1.诱导实验
师:
要完成这个实验,应做哪几方面的工作?
(学生迟疑、思考。
)
师:
我们要检验的因果关系是:
运动电荷(因)在磁场中(因)会受到磁场力(果)的作用。
因此,首先要提供运动电荷(离开导体的运动电荷)。
生:
还要提供磁场。
师:
还有吗?
(学生思考。
)
师:
如果运动电荷是微观粒子,还要有能显示其受力的办法。
师:
如何产生离开导体的运动电荷呢?
生:
用热电子发射。
师:
对!
但我们拟用高电压产生运动电子(后面的实验将采用热电子发射方式)。
我们用这个装置来产生高电压(出示感应圈等)。
请同学们注意电键K接通后,会出现什么现象。
(学生注视,发现电火花,并听到声响,表示惊讶。
)
师:
这个电压高达数万伏。
(学生更加兴奋,欲知原理。
)
师:
感应圈的工作原理,同学们学习了电磁感应的有关知识就会懂得。
如果把两个金属安装在真空玻璃容器中,加上高电压会发生什么现象?
(学生思考,有的猜想可能跳火,或待观察。
)
出示一个示教用机械效应阴极射线管,并简介其二极及叶轮装置。
我现在把高压引线接到两极上,请同学们注意观察K闭合后的现象。
叶轮发光并转动(学生兴趣极大)。
师:
若把高压反向加在两极之间将如何?
(学生全神贯注,兴致更浓。
)
叶轮发光并反转。
师:
这说明在高压下金属中发出的电荷是从负极到正极的,研究表明,它是带负电的电子,叫做阴极射线。
师:
我们已经可以得到在空间运动的电荷了,下一步是如何显示它在磁场中的受力情况。
生:
加磁场,观察发光和转动情况有无变化。
师:
这个思路正确,为简单明了起见,我们改变一下实验装置。
(出示示教用直进阴极射线管,简单介绍有关结构,并做演示,出现一道亮直线。
)
按同学们的思路,我现在来加磁场,请同学注意观察。
(学生注视亮线,发现变弯了。
)
师:
我们的猜想得到验证了没有?
为什么?
生:
亮线显示的是电子的落点,它变弯表明在运动中速度方向有变化,即产生加速度,所以说它受到了力。
师:
很好!
请同学们注意磁场力的方向。
(重做实验,改变B的方向,让学生边观察边思考。
提示学生注意空间磁力线的分布情况。
)
师:
请同学们仔细研究一下,左手定则还适用吗?
(注意到I的方向与v相反的学生,都能得到“适用”的结论。
)
2.猜想推理
师:
运动电荷在磁场中所受磁场力,叫做洛仑兹力。
现在,我们根据导线中运动电荷所受洛仑兹力的宏观表现,就是它受到的安培力来计算单个运动电荷所受到的洛仑兹力的大小。
前面提到MN杆中有很多个自由电荷,设为N个,又猜想导线中每个运动电荷受到的洛仑兹力f的宏观表现为安培力F=BIL。
根据这一思路,如何推导f与q、V、B之间的关系?
(让学生思考两、三分钟,教师巡视,叫基础较差的学生阅读课文的有关部分。
)
师:
根据“宏观表现”可知BIl和f之间的关系是什么?
生:
BIL=Nf
师:
由此可得,我们要寻找f跟q、v、B的关系,则应推知I与q、v的关系。
(出示图,并引导提问。
)
师:
设导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为v,导体的横截面积为S,导体内单位体积内的电荷数为n,每个自由电荷的电量为q那么I的微观表达式为(停顿、待学生回答):
生:
I=nqvs
师:
对!
是这样。
进一步应考虑什么关系呢?
生:
N、n、L、S间的关系。
师:
对!
它们之间的关系是什么呢?
请同学们注意每个量的物理意义。
(学生思考。
)
师:
在MN杆中流过稳恒电流I时,在某段时间内若从N端流出几个自由电荷,那么从M端必定(停顿,待学生回答)……
生:
流入几个自由电荷。
师:
MN杆中的自由电荷数仍是(停顿、待答)……
生:
N个。
师:
根据前面的假设,MN杆中自由电荷N=nLS(学生思考,教师引导,得出)
师:
由以上推导可知f=qvB。
那么,这个公式的物理意义是什么?
每个规律都有其适用条件,f=qvB的适用条件是什么?
物理公式的表达形式跟所用单位有关,本式的单位是怎样的呢?
(让学生思考,教师引导,回答课文内容。
)
“当电荷在垂直于磁场的方向上运动时,磁场对运动电荷的作用力,等于电荷的电量和速率跟磁感应强度的乘积。
在国际单位制中,上式中的各物理量依次用牛、库、米/秒、特作单位。
”
由此我们可以得到一个重要的推论:
洛仑兹力使带电粒子做匀速圆周运动。
现讨论如下:
如果在匀强磁场中有一个带电粒子,它的初速度跟磁场方向垂直,若只在洛仑兹力作用下,它会做什么运动?
(学生思考,教师画出图3所示图形。
)
师:
粒子的运动情况,决定于它的受力情况和初始状态。
所以我们应该首先分析其受力情况。
(,学生答,教师画。
)
师:
这表明,,f和v均在垂直于B的平面内,可见,粒子是在过v垂直于B的平面内运动。
(教师引导学生得出这个结论。
)
师:
粒子在这个平面内的运动轨迹如何?
(让学生先自行分析,然后对照阅读课文:
“由于粒子的初速度和它受力的方向都在跟磁场方向垂直的平面内,没有任何作用使粒子离开这个平面,所以粒子只能在这个平面内运动,由于洛仑兹力总是跟粒子运动的方向垂直,不对粒子做功,它只改变粒子的方向,而不改变粒子的速率。
所以粒子运动的速率v是恒定的。
由于V恒定,洛仑兹力的大小就不变(总等于qvB),因此带电粒子将做匀速圆周运动(图4)。
”教师巡视,个别解答问题。
)
师:
关于洛仑兹力使带电粒子做圆周运动的推论,可以用实验来验证。
要完成这个实验,应做哪几方面的工作?
生:
产生运动电荷,提供匀强磁场,显示电荷的运动径迹。
(启发学生按实验目的思考。
)
师:
对!
请看这个仪器。
(出示演示洛仑兹力使带电粒子做匀速圆周运动的实验装置。
(根据学生回答和实物进行仪器性能简介。
)
师:
电子枪射出电子;两通电线圈产生匀强磁场;电子射线使管内低压水银蒸气发辉光,显示电子径迹。
师:
让我们来分步进行实验,注意观察。
①接通灯丝电源,灯丝发亮,未加加速电压(电压表读数为零),未加磁场(电流表读数为零)。
(学生只见灯丝亮,不见荧光。
)
现在灯丝发热,发射电子,但速度不大,不足以激发荧光,所以看不到电子径迹。
②提高加速电压。
请注意电压表的示数变化;请思考电子速度的变化;请看电子激发的荧光。
(教师边讲边操作,学生边观察边思考。
)
⑧增加激磁电流。
请注意电流表的示数变化;请思考磁感应强度的变化;请看电子运动径迹的变化。
(教师边讲边操作,学生边观察边思考。
)
(本实验给学生带来极大的兴趣,有很强的说服力。
)
师:
实验直接验证了推论的正确性,从而证明了得出推论的依据f=qvB的正确性,进而表明“宏观表现”的猜想也是正确的。
4.巩固新课
一带电粒子以速度v0从A点垂直进入匀强磁场,已知该粒子能过P点(如图5所示)。
不计重力。
问:
①该粒子是带正电还是带负电?
②该粒子的运动轨迹如何?
③在图中画出粒子的运动轨迹。
(学生练习,教师巡视,个别提问,适当提示。
)
引导学生讨论:
师:
很多同学的答案都是带负电,对吗?
为什么?
生:
对。
因为带电粒子不是带正电荷就是带负电荷。
如果带正电荷,根据左手定则,粒子过A点时的洛仑兹力应竖直向上,该粒子不可能过P点。
可见粒子是带负电荷的。
师:
很好!
对于带电粒子所受洛仑兹力的方向问题,若题目未指明正负,则应讨论并舍去不符合题意的答案。
如果本题中不说“已知该粒子能过P点”,只问粒子的运动轨迹如何?
则应有两个答案。
关于粒子的运动轨迹,有的同学说是个圆,有的同学说是一段圆弧。
哪个对?
为什么?
生甲:
圆对,因为理论和实验都证明“带电粒子垂直进入匀强磁场,只在洛仑兹力作用下做匀速圆周运动”。
生乙:
这个回答有问题,因为我们观察到实验中有不是圆而是一段圆弧的情况。
(众生议论,有的若有所得,有的进一步思考。
)
师:
这也是一个值得注意的问题,解题时应该加以考虑,请同学们课后再仔细想一想,结合下节课的预习,我相信大家会找到正确的答案。
师:
关于“画轨迹”,有的同学只画了一条过A、P的弧线,但看不出这条弧线是怎样作出来的。
大家想一想,这样作图对吗?
生甲:
不论粒子的轨迹是圆还是一段圆弧,反正A、P是在同一个圆上,因此,首先应找到该圆的圆心。
这个圆心如果是O点,根据0A=0P即可找到它。
生乙:
满足OA=OP这个条件的0点很多,应该取哪一个呢?
师:
乙同学对甲同学的回答提出疑问,问题提得好,请大家进行析疑解疑,我们下节课再来讨论。
三、课后反思
这节课很出乎我的意料,学生给我上了一课,给了我一个惊喜的同时,也给了我很多有益的启示:
1.教师要尽量做到把物理演示实验融入到当堂课中,让实验成为课堂的一部分。
尽力使实验为教学服务,尽力使抽象的说教变成有兴趣的感性认识。
2、在教师的引导下,实验中做到有目的、任务和对象。
教师要抓住时机引导学生感受科学,让学生通过眼前的实验领略自然界的奇妙和规律性,才会使其产生持久的学习积极性。
3、实验做得好,物理知识和物理规律自然而然的出现在学生的眼前。
只有做到这点,新知识才能在学生头脑中生成,学生的思维就可得到可持续发展。
这样的课堂学生收获得决不仅仅是知识,还有成功的情感体验、创新和创造能力的激发和培养。
这样的教学过程才能教学相长,这也符合新课程所期待的课堂理念。
在这个动态生成课堂中,我从学生惊奇神情中感受到了它的魅力,坚定了我对课改的信心,我将继续在课改的路上探索。