《研究洛倫茲力》教學設計中山市華僑中學岳鵬一、教材分析本節(jié)是粵教版選修3-1第三章第五節(jié)的內容。洛倫茲力既是上一節(jié)內容中為何通電導線在磁場中會受安培力的微觀原因，并且還是以后再物理選修3-2中電磁感應現(xiàn)象的導線作切割磁感線運動會產生感應電動勢的本質原因，學好洛倫茲力是能否深入理解安培力和電磁感應現(xiàn)象起決定性作用。教材把安培力與洛倫茲力結合在一起，這種結構能較好地突出理論與現(xiàn)象的統(tǒng)一，使學生明白物理規(guī)律既可以從實驗直接得出，也可以從已知規(guī)律用理論推導得出。二、教學目標1.知識與技能（1）經歷實驗探究洛倫茲力方向的過程，知道洛倫茲力的方向與電荷運動方向和磁感應強度的方向垂直，會用左手定則判斷洛倫茲力的方向。（2）經歷由安培力公式推導出洛倫茲力公式的過程，由此體會磁場中通電導線所受的安培力實際上是運動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。會計算洛倫茲力的大小。2.過程與方法（1）通過觀察電子束在磁場中的偏轉研究洛倫茲力的方向，體驗研究物理學的實驗方法；（2）利用分析安培力產生的微觀原因培養(yǎng)學生的微觀想象力；（3）對比安掊力導出洛倫力大小的公式進而培養(yǎng)學生的理論推導能力，認識科學探究方法的多樣性；3.情感態(tài)度與價值觀（1）通過實驗觀察明確認識洛倫茲力的存在，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度；（2）通過對洛倫茲力的大小和方向的推導培養(yǎng)學生嚴謹的科學態(tài)度及提高解決問題的能力；（3）簡述洛倫茲力的應用，培養(yǎng)學生熱愛科學研究的價值觀；三、教學重點洛倫茲力的方向和大小是本節(jié)教學內容的重點。四、教學難點洛倫茲力是安培力產生的微觀原因、安培力是大量運動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)五、教學設計思路突破本節(jié)課的重點和難點要巧妙地借助安培力，所以本節(jié)課始終貫穿洛倫茲力和安培力是微觀與宏觀的關系這一主線（即安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，洛倫茲力是安培力的微觀本質）。本節(jié)課主要分為四個大環(huán)節(jié)：首先是教學引入環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)的設計重在有趣，而且同時要有意義。所以在本環(huán)節(jié)我設計了一個“小魔術”，將示波器調出正弦波形，讓同學們猜一猜能不能讓這個波形隨著我的手“跳舞”。然后將一個條形磁鐵用布包住作為“魔棒”，魔棒靠近正弦波形，正弦波形就會隨之跳動。讓學生猜想“魔棒是什么”，并揭曉謎底是一根磁鐵。為什么磁鐵靠近示波器，波形會發(fā)生變化？從這一問題引入新課，激發(fā)同學們探究新知的欲望。第二個環(huán)節(jié)是關于洛倫茲力概念的得出。這個環(huán)節(jié)從上節(jié)課學習過的安培力著手，磁場對通電導線的作用力叫做安培力。磁場對不通電導線沒有力的作用，通電導線和不通電導線的差別在于有沒有電流。引導學生說出電流是由電荷定向移動形成的，進而猜想磁場對運動電荷有力的作用嗎？猜想之后就是用實驗驗證，拿出陰極射線管（電子束演示器），磁鐵靠近電子束軌跡，其發(fā)生偏轉，由此現(xiàn)象得出洛倫茲力的概念——即磁場對運動電荷的作用力。得出洛倫茲力的概念后，再對前面的引入實驗進行解釋。第三個環(huán)節(jié)是關于洛倫茲力方向的探究。本環(huán)節(jié)依舊從安培力入手，安培力是磁場對通電導線的作用，洛倫茲力是磁場對運動電荷的作用。而通電導線中的電流就是由電荷的定向移動形成的。讓同學們大膽猜想并討論，安培力與洛倫茲力有什么關系（引導學生思考大小方向等方面的關系），并將同學們的猜想寫在黑板上。接著利用實驗對同學們的猜想進行驗證。本環(huán)節(jié)采用的實驗儀器是陰極射線管，通過實驗探究得出洛倫茲力的方向同樣遵循左手定則，而且與運動電荷的速度方向和磁場方向垂直。第四個環(huán)節(jié)是關于洛倫茲力大小的探究，本環(huán)節(jié)仍然從安培力入手。安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，即一段導體所受安培力等于該段導線內所有電荷定向移動所受洛倫茲力的合力。接著建立推導的物理模型：長為L的靜止的通電導線，它受到的安培力除以導線內定向移動的帶電粒子數目N；再考慮推導的目標。抓住了以上線索，思考討論就有了方向，讓學生體會推導的思維線索和邏輯過程。接著利用自制教具旋轉的液體進行實踐與拓展，再根據時間情況討論與交流。六、教學資源示波器、磁鐵、陰極射線管、自制教具——旋轉的液體（包括：硫酸銅溶液、電池組、導線、環(huán)形磁鐵）、多媒體課件、攝像頭、投影儀。七、教學流程圖從安培力從安培力出發(fā)，猜想磁場會對運動電荷產生力的作用，并用陰極射線管實驗驗證，得出洛倫茲力的概念。接著對導入實驗進行解釋導入實驗：磁鐵使示波器波形跳動的“小魔術”引導同學們猜想安培力與洛倫茲力方向和大小的關系，并通過陰極射線管實驗進行驗證，得出判斷洛倫茲力方向的判斷方法——左手定則。建立物理模型，引導學生通過安培力的公式理論推導洛倫茲力的公式，體會推導的思維線索和邏輯過程。實踐與拓展：自制教具，旋轉的液體。對實驗現(xiàn)象進行分析回顧與小結討論與交流：1.對帶電粒子速度與磁場不垂直的情況進行討論。2.分析洛倫茲力做功問題。八、教學過程教師活動學生活動設計意圖一．創(chuàng)設情景、激發(fā)興趣【演示實驗】將示波器調出正弦波形，將條形磁鐵用紙包起來作為“魔棒”靠近示波器，示波器波形發(fā)生變化?！驹O疑】魔棒是什么？示波器的波形為什么會變化？觀看演示實驗，積極思考激發(fā)學生的學習興趣，引入新課二．學習新課【洛倫茲力概念的建立】1.磁場對通電導線的力叫安培力，磁場對不通電導線沒有力的作用。提問：通電導線和不通電導線的差別在哪？2.提問：電流的形成和電荷有什么關系？3.思考，磁場對運動電荷有力的作用嗎？4.實驗：電子是微觀粒子，肉眼無法直接觀察，但電子與熒光粉碰撞能發(fā)出熒光；陰極射線管實驗：介紹陰極射線管裝置，并演示陰極射線在磁場中受力發(fā)生偏轉。指出此力為洛倫茲力5.引出概念：洛倫茲力；介紹荷蘭物理學家洛倫茲6.對課堂導入實驗進行解釋討論并回答：1．通電導線有電流2.電流是由電荷定向移動形成的3.學生進行猜想4.觀察實驗，認識陰極射線，明確物理規(guī)律：運動電荷地磁場中的確受到力的作用5積極思考，了解洛倫茲力本人及其一生所取得的成就6.對導入實驗進行思考，并理解。以舊引新，利用討論探究方法，調動學生的內在學習動力，讓學生積極參與教學活動通過觀察實驗，對照自已的猜想，解開學生心中疑問，得到洛倫茲力的感性認識，理解洛倫茲力的概念。通過對引入實驗的解釋，加深對洛倫茲力概念的理解三．學習新課【探究洛倫茲力方向】1.概括：安培力是磁場對通電導線的作用，洛倫茲力是磁場對運動電荷的作用。而通電導線中的電流就是由電荷的定向移動形成的。2.提問：我們如何判斷安培力的方向？3.【提問】運動的電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向跟什么因素有關？安培力能用左手定則來判斷其，那洛倫茲力可不可以也用類似的方法來判斷呢？4.【實驗驗證】通過陰極射線管得到電子束，介紹條形磁鐵兩極的磁感線分布情況。之后將磁鐵的N、S極靠近陰極射線管，在方向不同的磁場情況下，陰極射線的偏轉方向不同。5.【小結】左手定則：伸開左手，讓磁感線垂直穿入手心，四指指向為正電荷的運動方向（負電荷運動的反方向），拇指指向為正電荷所受的洛倫茲力方向?！拘〗Y】四個手指指的是等效電流的方向，并分析洛倫茲力，電荷運動方向，磁場方向之間的關系。對同學們的猜想進行評價四．學習新課【探究洛倫茲力大小】【引導思考】洛倫茲力的方向能確定了，那洛倫茲力的大小怎么計算的呢？洛倫茲力的大小是否也和安培力大小有什么關系呢？【投影】利用多媒體課件放大模擬導線所受安培力的微觀情景【引導分析】電流是由大量電荷定向移動形成的，每個運動電荷在磁場中均受到洛倫茲力作用，即安培力為大量電荷在磁場中運動所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)?！疽龑伎肌课覀兡懿荒芾冒才嗔吐鍌惼澚Φ倪@個關系，利用安培力的表達式找到洛倫茲力的表達式呢？【推理探究活動】把一根長為L，通電流為I的直導線其垂直放入磁場，磁感應強度為B，推導出洛倫茲力的公式提示（1）：該導線所受的安培力的大小為多大？引導分析：整體上看NF洛=BIL提示（2）：若直導線中單位體積內的自由電荷數為n，每個電荷的帶電量為q，導線的橫截面積為S，電荷定向移動速度為v，求直導線中的電流I的微觀表達式I和長L的導線中的自由電荷的個數N？提示（3）：推導洛倫茲力表達式【思考】若把靜止的電荷放入磁場，電荷是否受到洛倫茲力的作用？【引導分析】這個式子推導有一個重要的隱含條件，電流和磁感線垂直，電流和磁場垂直就意味著速度和磁場垂直，所以，該式的計算條件是什么？思考速度和磁感線平行，F(xiàn)洛等于多少？能不能用實驗驗證一下？引導學生將條形磁鐵的一極與陰極射線管的電子束共線放置五、【實踐與拓展】：利用自制教具旋轉的液體進行演示實驗。引導同學們分析液體旋轉的原因學生共同討論和分析，思考安培力與洛倫茲力的關系，努力尋找兩力之間的共同點，并進行猜想?；仡櫜⒃俅问煜ぐ才嗔Ψ较虻呐袛喾椒ǎ鹤笫侄▌t洛倫茲力方向的判斷是否也滿足左手定則呢？大膽進行猜想對實驗現(xiàn)象進行觀察，嘗試用左手定則判斷運動電荷受到的磁場力方向，對比分析是否與猜想的吻合。得出結論：洛倫茲力方向的判斷也符合左手定則。學習左手定則，明確洛倫茲力的方向判斷方法進一步理解如何用左手定則判斷洛倫茲力將實驗探究得到的結論與自己的猜想進行對比。觀看模擬動畫，學習安培力形成的微觀本質通過類比分析，發(fā)現(xiàn)安培力是大量運動的電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，靜止的通電導線在磁場中受到的安培力，在數值上等于大量定向運動電荷所受到的洛倫茲力的總和。思考問題問題（1）：F=BIL問題（2）：分析計算得出I=qnsv；N=nLs問題（3）：代入NF洛=BILnLsF洛=BqnsvL得到F洛=qvB根據計算公式，V=0則f=0，所以靜止電荷在磁場中不受力它的適用條件是V垂直于B，思考并回答：等于0發(fā)現(xiàn)電子束不偏轉，驗證理論結果。將所學知識與實際應用及生活中的現(xiàn)象聯(lián)系起來。以舊引新，利用討論探究方法，調動學生的內在學習動力，讓學生積極參與教學活動熟悉左手定則的使用，為下面的教學做鋪墊。實驗生動形象，能激發(fā)學生的學習熱情和探究新知的欲望。通過左手定則的得出過程，訓練學生的類比分析能力初步學習了第一個重點內容通過討論正負兩種電荷在磁場運動的受力方向區(qū)別，使學生養(yǎng)成嚴謹的思維方式鞏固并練習左手定則的使用，變抽象為直觀共同分析，快樂學習，師生互動，和諧課堂，體現(xiàn)師生互動的教學環(huán)節(jié)，圓滿完成第一個重點內容的教學通過分析電流的微觀形成，提高學生對微觀世界的假想能力在學習過程中能用電腦模擬微觀放大手段為物理學習服務，使抽象的事物形象化，更好地理解安培力是大量電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)的意義；通過微觀受力圖突破難點建立物理模型，安培力為通電導體內所有自由電荷受到洛倫茲力的合力。得出表達式NF洛=BIL培養(yǎng)學生建立物理模型的能力抓住思考的方向，讓學生體會推導的思維線索和邏輯過程。學生自己推導出表達式，增強學生學習物理的成就感。對洛倫茲力公式進行進一步的理解，理