最新人教版高中物理选修31第三章《磁场对运动电荷的作用力》示范教案.docx

1、最新人教版高中物理选修31第三章磁场对运动电荷的作用力示范教案5磁场对运动电荷的作用力教学设计(一)教学分析这一节承上(安培力)启下(带电粒子在磁场中的运动)，是本章的重点。洛伦兹力的方向和大小是本节教材内容的重点，实验结合理论探究洛伦兹力的方向，再由安培力的表达式推导出洛伦兹力的表达式的过程是培养学生逻辑思维能力的好机会，一定要让全体学生都参与这一过程。教科书在“思考与讨论”栏目中提出的逻辑线索，实质上是为了推导过程铺设的台阶，教师也可以根据学生的实际情况灵活铺设台阶，要让不同层次的学生在讨论中都有比较深刻的感受。“洛伦兹力对带电粒子运动的速度有什么影响？洛伦兹力对带电粒子做的功是多少？”教

2、科书提出这样两个问题供学生思考与讨论，是新课标教科书重视“过程与方法”教学目标的体现。课堂教学中可以组织学生开展小组讨论，然后通过交流发言得出正确结论。教学目标1经历实验探究洛伦兹力方向的过程，知道洛伦兹力的方向与电荷的运动方向和磁感应强度的方向都垂直，会用左手定则判断洛伦兹力的方向。2经历由安培力公式推导出洛伦兹力公式的过程，由此体会磁场中通电导线所受的安培力实际上是运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。会计算洛伦兹力的大小。3知道电视显像管的基本构造及工作的基本原理。教学重点难点重点：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。难点：1.洛伦兹

3、力对带电粒子不做功。2洛伦兹力方向的判断。教学方法与手段通过观察实验演示，形成洛伦兹力的概念，同时明确洛伦兹力与安培力的关系(微观与宏观)，洛伦兹力的方向也可以用左手定则判断。通过思考与讨论，推导出洛伦兹力的大小公式FqvBsin。最后了解洛伦兹力的一个应用电视显像管中的磁偏转。教学媒体电子射线管、高压电源、磁铁、多媒体课件、实物投影仪。知识准备复习上一节磁场对通电直导线的作用力安培力的大小与方向。导入新课事件1教学任务：复习安培力师生活动：复习回顾：通过两个问题复习磁场对电流的作用力。1如图判定安培力的方向。若已知图中：B4.0102 T，导线长L10 cm，I1 A。求：导线所受的安培力大

4、小。2什么是电流？学生解答：1FBIL4102 T1 A0.1 m4103 N2电荷的定向移动形成电流。分析推理：磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，我们会想到：这个力可能是作用在运动电荷上的，而安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现。教师进行引导，鼓励学生大胆发言。事件2教学任务：实验演示，导入新课师生活动：用阴极射线管研究磁场对运动电荷的作用【演示】 观察磁场阴极射线在磁场中的偏转。教师说明电子射线管的原理：阴极射线是灯丝加热放出电子，电子在加速电场的作用下高速运动而形成的电子流，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，磁铁是用来在阴极射线周围产生磁场的

5、，还应明确磁场的方向。观察与描述：学生观察实验，逐一描述实验现象，其他学生补充和修正。在没有外磁场时，电子束沿直线运动，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。学生可能会尝试用左手定则判断电子束弯曲方向。实验结论：磁场对运动电荷有作用力。推进新课事件3教学任务：洛伦兹力的概念师生活动：运动电荷在磁场中受到的作用力称为洛伦兹力。通电导线在磁场中所受的安培力，实际是洛伦兹力的宏观表现。可以根据磁场对电流有作用力而对未通电的导线没有作用力，引导学生提出猜想：磁场对电流作用力的实质是磁场对运动电荷的作用力。事件4教学任务：洛伦兹力的方向师生活动：分析与讨论：可以从以下四个步骤进行引导，鼓

6、励学生交流、讨论。如图：1判定安培力方向。上图甲中安培力方向为垂直电流方向向上，乙图安培力方向为垂直电流方向向下。2电流方向和电荷运动方向的关系。电流方向和正电荷运动方向相同，和负电荷运动方向相反。3F安的方向和洛伦兹力方向的关系。F安的方向和正电荷所受的洛伦兹力的方向相同，和负电荷所受的洛伦兹力的方向相反。4电荷运动方向、磁场方向、洛伦兹力方向的关系。学生分析总结。结论：洛伦兹力方向的判断左手定则伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。负电荷受力的方向与正电

7、荷受力的方向相反。事件5教学任务：运用左手定则判断洛伦兹力的方向师生活动：课堂训练：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。答案：甲中正电荷所受的洛伦兹力方向向上。乙中正电荷所受的洛伦兹力方向向下。丙中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向读者。丁中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向纸里。结论：洛伦兹力垂直于磁场方向和电荷运动方向所决定的平面。 甲v与B垂直 乙v与B不垂直洛伦兹力与粒子运动方向、磁感应强度方向的关系事件6教学任务：洛伦兹力的大小师生活动：通过“思考与讨论”，来推导公式FqvBsin时，应先建立物理模型，再循序渐进有条理地推导，这一个过程可放手让学生完成

8、，体现学习的自主性。方案1：思考与讨论：导线中带电粒子的定向运动形成了电流。电荷定向运动时所受洛伦兹力的合力，表现为导线所受的安培力。按照这个思路，请你尝试由安培力的表达式导出洛伦兹力的表达式。这里只讨论比较简单的情况：导线的方向与磁场的方向垂直，安培力的大小可以表示为FILB。这种情况下导线中电荷定向运动的方向也与磁场的方向垂直。建议你沿以下逻辑线索前进。合力在宏观上表现为安培力1设导线中每个带电粒子定向运动的速度都是v，单位体积的粒子数为n，算出下图的一段导线中的粒子数，这就是在时间t内通过截面a的粒子数。如果粒子的电荷量记为q，由此可以算出q与电流I的关系。运动电荷所受洛伦兹力的2写出这

9、段长为vt的导线所受的安培力F安。3求出每个粒子所受的力，它等于洛伦兹力F洛。这时，许多中间量，如n、v、S、t等都应不再出现。推导时仍然可以认为做定向运动的电荷是正电荷，所得结果具有普遍性。方案2：通过下面的命题引导学生分析讨论。设有一段长度为L的通电导线，横截面积为S，导线每单位体积中含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为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的磁场中。问题引导：1这段导线中电流I的微观表达式是多少？2这段导体所受的安培力为多大？3这段导体中含有多少自由电荷数？4每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多大？答案：1I的微观表达式为InqSv。

10、2F安BIL3这段导体中含有的电荷数为nLS。4安培力可以看作是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力F的合力，这段导体中含有的自由电荷数为nLS，所以FF安/nLSBIL/nLSnqvSLB/nLSqvB。总结与归纳：洛伦兹力的计算公式当粒子运动方向与磁感应强度垂直时(vB)FqvB当粒子运动方向与磁感应强度方向平行时(vB)F0仿照上节对于安培力大小的讨论可以知道，在一般情况下，当电荷运动的方向与磁场的方向夹角为时，电荷所受的洛伦兹力为FqvBsin以上两式各量的单位：F为牛(N)，q为库伦(C)，v为米/秒(m/s)，B为特斯拉(T)思考与讨论：根据洛伦兹力的方向与带电粒子运动的方向的关系，请你

11、推测：洛伦兹力对带电粒子运动的速度有什么影响？洛伦兹力对带电粒子做的功是多少？结论：由洛伦兹力所引起的带电粒子运动的方向总是与洛伦兹力的方向相垂直的，所以它对运动的带电粒子总是不做功的。事件7教学任务：显像管的工作原理师生活动：(1)原理：应用电子束磁偏转的道理。(2)构造：由电子枪(阴极)、偏转线圈、荧光屏等组成。在条件允许的情况下，可以让学生观察显像管的实物，认清偏转线圈的位置、形状，然后运用安培定则和左手定则说明从电子枪射出的电子束是怎样在洛伦兹力的作用下发生偏转的。思考与讨论：从下图(俯视图)可以看出，没有磁场时电子束打在荧光屏正中的O点。为使电子束偏转，由安装在管颈的偏转线圈产生偏转

12、磁场。显像管原理示意图(俯视图)1如果要使电子束在水平方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应该沿什么方向？2如果要使电子束打在B点，磁场应该沿什么方向？3如果要使电子束打在荧光屏上的位置由B逐渐向A点移动，偏转磁场应该怎样变化？思维拓展：让学生回忆“示波管的原理”，通过对比看看二者的差异。学生自由讨论，合作探究。课堂巩固与反馈事件8教学任务：例题与练习例1一个长螺线管中通有恒定直流电，把一个带电粒子(不计粒子重力)沿着管轴线射入管中，粒子在管中做什么运动？解析：通电螺线管内部的磁场是沿管轴线的，如图所示，即带电粒子的速度方向与磁感线在同一直线上(速度与磁感应强度方向之间的夹角等于0或18

13、0)，所以粒子将不受洛伦兹力，又不计粒子的重力，所以粒子将匀速直线穿过磁场区域。拓展：磁场对静止的电荷无相互作用力，对运动的电荷也不一定有作用力，只有当电荷的运动方向与磁感应强度方向不在一直线上时才有洛伦兹力作用如果螺线管中通交变电流，电子如何运动？例2如图所示，一阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线的径迹向下弯曲，则()A导线中的电流从A到BB导线中的电流从B到AC若要使电子束的径迹向上弯曲，可以改变AB中的电流方向来实现D电子束的径迹与AB中的电流方向无关解析：电子在通电直导线产生的磁场中运动，无论直导线中的电流方向如何，电子的运动速度都是和磁感应强

14、度的方向是垂直的根据左手定则，由于是负电荷，四指应指向左方，根据电子的偏转方向可以确定磁感应强度的方向为垂直纸面向里根据安培定则，导线中的电流方向为B到A。如果导线中的电流方向相反，则其产生磁场方向也相反，会影响到电子的偏转方向，所以本题的正确选项是B、C。拓展：本题运动电荷带负电，所以四指应指向其运动速度方向的反方向磁感应强度方向、粒子的速度方向中任意一个反向，都会导致洛伦兹力反向，如果两个都反向，则洛伦兹力方向保持不变。例3如图所示，质量为m，带电量为q的小球，在倾角为的光滑斜面上由静止开始下滑，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直纸面向外，若带电小球下滑后某个时刻对斜面的压力恰好为零，问：

15、(1)小球带电性质如何？(2)此时小球下滑的速度和位移分别是多大？解析：(1)小球沿斜面下滑，要对斜面的压力为零，说明其受到的洛伦兹力应垂直斜面向上，根据左手定则，四指应与小球运动方向一致，所以小球带正电。(2)当小球对斜面压力为零时，有mgcosBqv得小球此时的速度为vmgcos/Bq由于小球沿斜面方向做匀加速运动，加速度为agsin由匀加速运动的位移公式v22ax得xm2gcos2/(2B2q2sin)拓展：小球在运动过程中只有重力做功，机械能是守恒的，随着速度的增加，洛伦兹力随之增大，是一个变力，但是小球在斜面方向上的合力是恒力，所以小球做匀加速运动，故本题可以用匀变速运动来处理；当速

16、度达到一定值时，小球对斜面的压力为零，以后小球将离开斜面在空中运动，所以本题的位移是小球在斜面运动的最大位移。事件9教学任务：引导学生归纳总结本节重难点。1复习本节教材。2完成课本课后问题与练习。5磁场对运动电荷的作用电场力与洛伦兹力安培力与洛伦兹力课题：认识洛伦兹。过程：上网查找资料，了解洛伦兹的生平和贡献，学习科学家勇于探索的精神和高尚的人格魅力。学习小组相互交流心得体会。1本节特别重视实验；重视思考与讨论，体现过程与方法教学目标；重视培养学生建立三维空间模型；重视洛伦兹力和安培力的比较，培养学生的迁移能力。2本节重要思想方法有：(1)关于洛伦兹力的方向，从提出问题、猜想假设、实验验证到分

17、析论证，充分体现新教材的探究教学思想。(2)洛伦兹力大小的推导，体现了培养学生建立物理模型，培养学生逻辑思维能力的思想。(3)电视显像管的工作管理，重点在工作原理，不深究技术细节，体现删难就简，突出重点的思想。教学设计(二)教学目标1知识与技能(1)知道什么是洛伦兹力。利用左手定则判断洛伦兹力的方向。(2)知道洛伦兹力大小的推理过程。(3)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。(4)了解v和B垂直时的洛伦兹力大小及方向判断。理解洛伦兹力对电荷不做功。(5)了解电视显像管的工作原理。2过程与方法通过观察，形成洛伦兹力的概念，同时明确洛伦兹力与安培力的关系(微观与宏观)，洛伦兹力

18、的方向也可以用左手定则判断。通过思考与讨论，推导出洛伦兹力的大小公式FqvBsin。最后了解洛伦兹力的一个应用电视显像管中的磁偏转。3情感态度与价值观引导学生进一步学会观察、分析、推理，培养学生的科学思维和研究方法。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”。教学重点难点重点：1.利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。洛伦兹力大小计算公式的推导和应用。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。这一节承上(安培力)启下(带电粒子在磁场中的运动)，是本章的重点。难点：1.洛伦兹力对带电粒子不做功。2洛伦兹力方向的判断。洛伦兹力计算公式的推导。教学用具电子射线管、高压电

19、源、磁铁、多媒体。导入新课前面我们学习了磁场对电流的作用力，下面思考两个问题：1如图判定安培力的方向(让学生上黑板做)若已知上图中：B4.0102 T，导线长L10 cm，I1 A。求：导线所受的安培力大小？学生解答解：FBIL4102 T1 A0.1 m4103 N答：导线受的安培力大小为4103 N。2什么是电流？学生答电荷的定向移动形成电流。教师讲述磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，我们会想到：这个力可能是作用在运动电荷上的，而安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现。演示实验观察磁场阴极射线在磁场中的偏转(95页图3.51)教师说明电子射线管的原理：说明阴极射线是灯丝加

20、热放出电子，电子在加速电场的作用下高速运动而形成的电子流，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，磁铁是用来在阴极射线周围产生磁场的，还应明确磁场的方向。实验结果在没有外磁场时，电子束沿直线运动，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。学生用左手定则判断电子束弯曲方向。学生分析得出结论磁场对运动电荷有作用力推进新课1洛伦兹力的方向和大小(1)洛伦兹力的定义：运动电荷在磁场中受到的作用力。通电导线在磁场中所受安培力是洛伦兹力的宏观表现。【说明】 可以根据磁场对电流有作用力而对未通电的导线没有作用力，引导学生提出猜想：磁场对电流作用力的实质是磁场对运动电荷的作用力

21、。过渡语运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，那么洛伦兹力的方向如何判断呢？问题如图(2)洛伦兹力的方向判定安培力方向。(上图甲中安培力方向为垂直电流方向向上，乙图安培力方向为垂直电流方向向下)电流方向和电荷运动方向的关系。(电流方向与正电荷运动方向相同，与负电荷运动方向相反)F安的方向和洛伦兹力方向的关系。(F安的方向与正电荷所受的洛伦兹力的方向相同，与负电荷所受的洛伦兹力的方向相反。)电荷运动方向、磁场方向、洛伦兹力方向的关系。(学生分析总结)洛伦兹力方向的判断左手定则伸开左手，使大拇指与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，若四指指向正电荷运动的方向，那么拇指

22、所受的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向；若四指指向负电荷运动的反方向，那么拇指所指的方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向。【要使学生明确】 正电荷运动方向应与左手四指指向一致，负电荷运动方向则应与左手四指指向相反(先确定负电荷形成电流的方向，再用左手定则判定)。投影出示练习题“问题与练习”1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。学生解答甲中正电荷所受的洛伦兹力方向向上。乙中正电荷所受的洛伦兹力方向向下。丙中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向读者。丁中正电荷所受的洛伦兹力的方向垂直于纸面指向纸里。讨论B、v、F三者方向间的相互关系。如图所示。 甲v与B垂直 乙v与B不垂直洛

23、伦兹力与粒子运动方向、磁感应强度方向的关系学生：F总垂直于B与v所在的平面。B与v可以垂直，可以不垂直。(3)洛伦兹力的大小现在我们来研究一下洛伦兹力的大小。通过“思考与讨论”，来推导公式FqvBsin时，应先建立物理模型(教材图3.53)，再循序渐进有条理地推导，这一个过程可放手让学生完成，体现学习的自主性。也可以通过下面的命题引导学生一一回答。设有一段长度为L的通电导线，横截面积为S，导线每单位体积中含有的自由电荷数为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的磁场中。问题这段导线中电流I的微观表达式是怎样的？让学生推导后回答。学生答I的

24、微观表达式为InqSv问题这段导体所受的安培力为多大？学生答F安BIL问题这段导体中含有多少自由电荷数？学生答这段导体中含有的电荷数为nLS。问题每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多大？学生答安培力可以看作是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力F的合力，这段导体中含有的自由电荷数为nLS，所以FF安/nLSBIL/nLSnqvSLB/nLSqvB。问题当运动电荷的速度v方向与磁感应强度B的方向不垂直时，设夹角为，则电荷所受的洛伦兹力大小为多大？(4)洛伦兹力的计算公式当粒子运动方向与磁感应强度垂直时(vB)FqvB当粒子运动方向与磁感应强度方向成时FqvBsin上两式各量的单位：F为牛(N)，q为库伦

25、(C)，v为米/秒(m/s)，B为特斯拉(T)最后，通过“思考与讨论”，说明由洛伦兹力所引起的带电粒子运动的方向总是与洛伦兹力的方向相垂直的，所以它对运动的带电粒子总是不做功的。1电子的速率v3106 m/s，垂直射入B0.10 T的匀强磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？分析求解：FqvB1.60101931060.104.81014 N2来自宇宙的质子流，以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，则这些质子在进入地球周围的空间时，将_A竖直向下沿直线射向地面B相对于预定地面向东偏转C相对于预定点稍向西偏转D相对于预定点稍向北偏转分析解答：B。地球表面地磁场方向由南向北，质子是氢原子核带正电，

26、根据左手定则可判定，质子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向东。2电视机显像管的工作原理教师：引导学生阅读教材相关内容，思考并回答问题。电子束是怎样实现偏转的？如图所示：显像管原理示意图(俯视图)问题1：要使电子打在A点，偏转磁场应该沿什么方向？问题2：要使电子打在B点，偏转磁场应该沿什么方向？问题3：要使电子打在荧火屏的位置从A点向B点逐渐移动，偏转磁场应该怎样变化？答：1.要使电子打在A点，偏转磁场应该垂直纸面向外。2.要使电子打在B点，偏转磁场应该垂直纸面向里。3.要使电子打在荧光屏的位置从A点向B点逐渐移动，偏转磁场应该先垂直纸面向外并逐渐减小，然后垂直纸面向里并逐渐增大。电子打在

27、荧光屏上只能有一个亮点，为什么整个荧光屏都能发光？学生阅读教材，进一步了解显像管的工作过程。最后让学生回忆“示波管的原理”，通过对比比较二者的差异。3实例探究洛伦兹力的方向例1关于带电粒子所受洛伦兹力F和磁感应强度B及粒子速度v三者之间的关系，下列说法中正确的是()AF、B、v三者必定均保持垂直BF必定垂直于B、v，但B不一定垂直于vCB必定垂直于F、v，但F不一定垂直于vDv必定垂直于F、B，但F不一定垂直于B解析：根据左手定则，洛伦兹力垂直于B，也垂直于v，垂直于B与v所决定的平面，但B与v不一定垂直。答案：B例2如图所示的是磁感应强度B、正电荷速度v和磁场对电荷的作用力F三者方向的相互关

28、系图(其中B垂直于F与v决定的平面，B、F、v两两垂直)。其中正确的是 ()答案：D洛伦兹力的大小例3如图所示，匀强磁场方向水平向里，匀强电场方向竖直向下，有一正离子恰能沿直线从左向右水平飞越此区域。则()A若电子从右向左飞入，电子也沿直线运动B若电子从右向左飞入，电子将向上偏转C若电子从右向左飞入，电子将向下偏转D若电子从左向右飞入，电子也沿直线运动解析：若电子从右向左飞入，电场力向上，洛伦兹力也向上，所以上偏，B正确。若电子从左向右飞入，电场力向上，洛伦兹力向下。由题意，对正电荷qEBqv，与q无关，所以对电子二者也相等，所以电子从左向右飞，做匀速直线运动。答案：BD例4一个长螺线管中通有

29、电流，把一个带电粒子沿中轴线方向射入(若不计重力影响)，粒子将在管中()A做圆周运动B沿轴线来回运动C做匀加速直线运动D做匀速直线运动解析：通电长螺线管内部的磁场方向始终与中轴线平行，带电粒子沿磁场方向运动时，不受洛伦兹力，所以一直保持原运动状态不变，正确答案是D。答案：D4对本节内容作简要小结：学生先自我小结，分组展示相互补充，教师点评归纳。5布置作业：课本“问题与练习”3、4、5题。磁流体发电机磁流体发电机，又叫等离子发电机，是根据霍尔效应，用导电流体与磁场相对运动而发电的一种设备。磁流体发电，是将带电的流体(离子气体或液体)以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用，从而

30、发出电来。最简单的开式磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作过程是在化石燃料燃烧后产生的高温气体中，加入易电离的钾盐或钠盐，使起部分电离后，经喷管加速产生高达摄氏3 000度、速度达到1 000米/秒的高温高速导电气体，最后产生电流。磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄氏度的高温下，这些物质中的原子和电子的运动都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核的混合物，这就是等离子体。将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极偏移，于是在两极之间