洛仑兹力初探学案

洛仑兹力初探学案-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

第六节洛仑兹力初探

1．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以及它工作的基本原理。

２．教材分析与教学建议

洛伦兹力的方向和大小是本节教材的重点，实验结合理论探究洛伦兹力方向，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。教材在思考与讨论中提出的逻辑线索实质上是为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。

“洛伦兹力的方向与带电粒子的运动方向有什么关系洛伦兹力对带电粒子的速度有什么影响洛伦兹力对带电粒子做的功是多少”教材提出这样三个问题供学生思考与讨论，是新课标教材重视“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。

（1）洛伦兹力的方向

演示实验不仅能够让学生确信洛伦兹力的存在，而且可以通过实验发现洛伦兹力的方向与磁场方向和电荷的运动方向都有关系，探究出它们之间的关系能成为“安培力是洛伦兹力的宏观表现”的一个佐证。同时，这个演示实验让肉眼看不到的电子显现出径迹，让学生可以亲眼观察磁场使电子径迹发生弯曲的现象，可以大大激发起学生的好奇心和求知欲，甚至有的学生由此能树立从事科学研究的人生志向。因此做好这个演示实验十分重要。应充分发挥演示实

验的作用，结合对安培力方向的复习，使研究洛伦兹力方向的过程成为一个科学猜象、逻辑思维、实验证实、归纳讨论的过程。

教学片段：

①根据磁场对电流有作用力而对未通电的导线没有作用力，根据电流

形成的知识分析提出猜想：磁场对电流作用力的实质是磁场对运动电荷的作用力。

②介绍阴极射线管，演示阴极射线在磁场中的偏转。此时学生的注意

力很可能停留在电子束的偏转上，不会注意磁场的方向。

③要求学生上台实验，使阴极射线向上（或下）偏转，让学生思考磁

场应怎样放置。或者不作具体要求直接让有兴趣的学生上台来重复刚才的实验，可能会看到不同的现象，比如因磁场上下方向使电子束前后方向偏转而打不到荧光板上等等，引导学生分析原因，引出洛伦兹力方向的判断。

④根据前面对安培力实质的猜想和安培力方向的判定法则，猜想洛伦

兹力方向应垂直于电荷运动方向和磁场方向，并用左手定则判断。具体到实验中，要看到上下方向偏转的电子束，磁场应前后方向放置，并猜想电子束的偏转方向。

⑤实验验证，引导学生注意到左手定则判断洛伦兹力方向是要注意电

子束的运动方向与电流方向是相反的。

⑥归纳洛伦兹力的方向。说明“安培力实际是洛伦兹力的宏观表

现”。

与安培力的方向一样，培养学生的空间想象能力仍然是学好本节的关键。应帮助学生建立三维空间模型（必要时可借助一些实物工具如墙角、笔、尺等），充分发挥立体图和各种剖面图的作用。同时由于我们的习题和例题大多数是洛伦兹力方向、电荷的运动方向、磁感应强度方向是两两垂直的，应该防止学生在解决实际问题时误以为洛伦兹力方向、电荷的运动方向、磁感应强度方向一定是两两垂直的。可结合教材图强调——洛伦兹力的方向一定与电荷的

运动方向和磁感应强度的方向都垂直，但电荷的运动方向与磁感应强度方向可以成任意角度。当电荷的运动方向与磁感应强度方向垂直时，洛伦兹力最大，当电荷的运动方向与磁感应强度方向平行时，洛伦兹力最小等于零。

（2）洛伦兹力的大小

教材“思考与讨论”揭示了推导洛伦兹力大小计算公式的思路。先明确推导的出发点：“安培力实际是洛伦兹力的宏观表现――即一段导线所受安培力等于该段导线内所有电荷定向移动所受洛伦兹力的合力”；其次建立推导的物理模型：长为L 的静止的通电导线，它受到的安培力除以导线内定向移动的带电粒子数目N (N=nLs )；再考虑推导的目标：洛伦兹力大小可能与哪些因素有关，表达式中那些物理量不应该出现，从而找到电流为I 与带电粒子运动速度v 的数量关系（I=nqvs ）。抓住了上述线索，思考与讨论就有了方向，教师应该根据学生的讨论进度适时进行点拨，让学生体会推导的思维线索和逻辑过程，不仅知道“要这样做”，更知道“为什么这样做”，避免教师或优秀学生的“推导表演”。

洛伦兹力的计算公式F=qvB 是在导线与磁场垂直的情况下导出的，这一公式仅适用于B v ⊥的情况，如果电荷的运动方向与磁场方向不垂直，应该怎么处理这个问题应该由学生自己解决，也不必再增加一个公式F=qvB sin θ。

教材旁批由运动电荷所受的洛伦兹力出发来定义磁感应强度（实际上有些物理教材就是这样定义磁感应强度的，如新概念高中物理读本），不仅拓展了学生的视野，更重要的是揭示了磁现象的电本质：把qv F B =与q

F E =相比较，它们都是用比值的方法定义的物理量，但磁场只与运动的电荷有关；静止的电荷只能产生电场，而运动的电荷不仅产生电场而且产生磁场。可结合旁批让学生对电场和磁场、电场力和洛伦兹力作对比。

洛伦兹力对运动电荷不做功是一个非常重要的结论，这一结论也应该由学生通过讨论自己得出。

（3）电视显像管的工作原理

新教材增加这部分内容体现了物理知识与科学技术的联系，这一类内容都不必深究技术细节，重点是此技术中应用了哪些物理原理。

电视显像管中，电子枪应用了热电子发射和加速电子的原理，偏转线圈应用了磁场对运动电荷的洛伦兹力原理。判断电子束的偏转方向实际上是左手定则的具体应用，判断时应该要求学生把左手放到图上，由于运动的是电子，学生判断失误的概率不小，正好利用这一情景强调左手的四指方向应该与正电荷的运动方向一致，四指方向应与负电荷的运动方向相反。

电子技术中的扫描应用的物理原理是运动的合成，只要说明电子的水平分运动是竖直方向的磁场控制的，电子的竖直分运动是水平方向的磁场控制的，其余细节不必深究。

３．问题与练习

（1）内容分析

本节的5道练习都围绕洛伦兹力的大小和方向向展开，第1题是应用左手定则最的基本的练习，第2题是计算洛伦兹力大小的最基本练习。第3、第4题分别以速度选择器和磁流体发电为背景，检测学生应用左手定则和洛伦兹力计算公式的能力。第5题讨论简单的扫描问题。其中第3、第4题是重点习题，应该特别关注。

（2）解答与说明

1．答：A图中运动电

荷所受洛伦兹力的方向在

纸面内向上；B图中运动

电荷所受洛伦兹力的方向在纸面内向下；C图中运动电荷所受洛伦兹力的方向垂直纸面指向读者；D图中运动电荷所受洛伦兹力的方向垂直纸面背离读者。

2．答：由F=qvB可知,F=×10-19××106×=×10-14N。

3．答：能够通过速度选择器的带电粒子必须作直线运动，而直线运动的带电粒子是沿电场中的等势面运动，静电力对带电粒子不做功，洛伦兹力对带电

粒子不做功，所以粒子一定作匀速运动。洛伦兹力与静电力等大反向，qE=qvB ，故B

E v 。 还应该带领学生讨论下列问题：（1）如果粒子所带电荷变为负电荷，仍从左向右入射，此装置是否还能作为速度选择器用（2）如果带电粒子从右向左入射，此装置是否能作为速度选择器用（3）如果把此装置中的电场和磁场方向同时反向，此装置是否可以作为速度选择器用如果可以则粒子应该从哪个方向入射

4．答：等离子体进入磁场，正离子受到的洛伦兹力的方向向下，所以正离子向B 板运动，负离子向A 板运动。（1）B 板是发电机的正极。（2）在洛伦兹力的作用下，正负电荷会分别在B 、A 两板上积聚，与此同时A 、B 两板间会因电荷的积聚而产生由B 指向A 的电场，这一电场对带电粒子的静电力与带电粒子所受的洛伦兹力的方向相反。如果外电路断开，当qE=qvB 成立时，A 、B 两板间的电压最大值就等于此发电机的电动势，即U=Ed=dvB ，所以此发电机的电动势为dvB 。

5．答：荧光屏上只有一条水平的亮线，说明电子束在竖直方向的分运动停止了。故障可能是在显像管的偏转区产生水平方向的磁场的线圈上没有电流通过。应该注意的是，水平方向的磁场使电子束产生竖直方向的分运动，而竖直方向的磁场使电子束产生水平方向的分运动。