洛伦兹力 教学设计

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年级：
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《研究洛伦兹力》教学设计
【课题】研究洛伦兹力
【教学时间】45分钟
【教学对象】高中二年级学生
【教材】粤教版高中物理选修3-1第三章第五节
【教学内容分析】
1.教材的地位和作用
本章教材从生活中的磁现象、判断规律、应用这三个阶段逐步展开。

教材的前两节让学生开始认识生活中的关于磁和磁场的现象；然后在第三和第五两节分别介绍宏观安培力和微观洛伦兹力的两个大小方向等重要规律和左手定则；而最后第四、第六两节分别着重介绍安培力和洛伦兹力的现代技术应用。

经历这三个阶段的系统化学习，有助于学生掌握好关于磁的一些现象规律。

第五节《研究洛伦兹力》的内容正是着重讲述洛伦兹力的相关规律。

由可见的宏观的安培力的研究到微观的洛伦兹力的研究，它们存在着特殊的关系，而这存在一定的跨度的，理解能力差的学生就会出现问题。

所以讲洛伦兹力这种实质上是旧知识的新知识，要注意培养学生的知识迁移和类比能力。

2.课程标准要求
通过探究，了解洛伦兹力的定义、方向、大小。

能解释生活应用中质谱仪等仪器的原理。

3.教材内容安排
教材首先简单回顾磁场对电流有安培力的作用，而电流是由电荷的定向移动形成，从而引出猜想安培力和与本节所学的洛伦兹力有一定的联系。

这样的安排，在一定程度是符合知识的建构的，从学生已有的知识出发，搭桥、连线，从而在原有的基础上建立新的知识，更加吸引学生，从而达到更好的教学效果。

教材在引出猜想后，通过实验现象探究洛伦兹力的方向，并引出左手定则确定具体方向；之后通过数学分析推理、类比的方法得出洛伦兹力的大小。

一步一步地按着正常逻辑思维开展，符合学生的知识构建过程，中间穿插关键而具有引导性的提问，从而引导学生向特定方向思考，达到教学目的，这在另一方面也提
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高了学生参与的积极性，吸引学生的兴趣。

教材把现代技术与授课结合在一起，更加贴进生活，也更易让学生的知识与生活构建联系，从而更容易接受、吸收。

这也体现了新课程标准中从生活走向物理，从物理走向社会的理念。

4.教材的特点
第一，从复习旧知识引入新概念。

新概念往往与已经学习过的概念规律之间存在有机的联系，抓住新旧知识之间的联系，从已有知识出发，把新概念自然地引出来，也可以创设学习新概念的物理环境。

第二，从物理原理出发，经过简单的引导、联系、类比，得出洛伦兹力的定义，引出相关规律。

教材本身是引导性的作用，对教师的约束较少，有较大的空间自由发挥。

5.教材的处理
（1）完善新旧知识之间的联系
引导回顾磁场对电流有安培力的作用，而电流是由电荷的定向移动形成，从而使学生把安培力和与本节所学的洛伦兹力联系起来。

引导学生根据一定长度的直导线产生的安培力大小，结合数学上线构成面、面构成空间的知识，将一段直导体看成无数个电荷不断位移而构成。

每段直流导体都受到安培力的作用，则每个移动的电荷也应受到一个力的作用，而这个力叫做洛伦兹力。

从而实现整体过渡到个体，建立洛伦兹力的概念和它与安培力之间的联系。

它利用了数学的知识和推衍的技能来解释物理现象，另外，也增加运用了化学的电解食盐水形成离子的知识来帮助理解洛伦兹力的方向，体现了新课程标准对教师学科交叉教学的要求。

【学生情况分析】
1.学生的兴趣特点：
高二的学生对物理有着较强的操作兴趣、因果认识兴趣。

他们希望通过观察实验现象，经历思考来理解现象产生的原因，并总结出其中规律。

所以在教学中，应充分发挥演示实验的作用，通过教师的引导，激发学生的认知兴趣，充分调动学生学习的积极性和自主性。

2.学生的知识基础：
学生已经学习过磁场、通电导体在磁场中受到安培力作用，左手定则判断力
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的方向等知识，故在教学中要充分利用学生的已有的知识经验，使学生积极主动地参与教学过程。

3.学生的认识困难：
（1）从微观上，无法观察，难以理解
磁场是不可见的，单个电荷也是不可见的，故很难在现实中作明显的实验来探究；即使有相关的仪器，也因太过于昂贵而令学校无法配置。

故学生对于微观上的观察，很难通过自己的思维、想像来认识洛伦兹力，判断它的方向。

（2）电磁学与动力学结合问题的复杂性
一种物理现象涉及的物理原理越多，学生就越难理解。

洛伦兹力是电磁学与动力学相结合的问题，考虑的是电荷受到的洛伦兹力而产生的机械效果。

这里涉及的内容较多，存在一定的困难。

【教学目标】
1.知识与技能：
（1）通过实验认识洛伦兹力，知道通电导线所受的安培力是运动电荷所洛伦兹力的宏观表现。

（2）知道影响洛伦兹力方向的因素，了解电子束的磁偏转原理及其在技术中的应用。

2．过程与方法：
（1）通过实验研究运动电荷在磁场中的偏转，简单归纳出洛伦兹力的方向跟磁场方向、电磁运动方向的关系。

培养学生分析、归纳问题的能力。

（2）通过洛伦兹力大小的推导过程进一步培养学生的分析推理能力，认识物理的技能、处理方法。

（3）理解质谱仪等与洛伦兹力相关的现代技术的结构、原理。

3．情感态度与价值观：
（1）通过实验以及对、质谱仪、显象管原理的了解，让学生感悟科学是人类创造发明的基础，科学技术可以大大改善我们的生活，从而培养学生将物理问题应用于生产和生活的意识。

（2）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】
1、利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。

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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。

【教学难点】
洛伦兹力的方向的探究，大小的推导，左手定则
【教学策略设计】
本节课的教学设计体现了新课程“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念，在教学的指导思想上，始终坚持“教师为主导，学生为主体”的原则，通过教师创设问题情境、有效的设问引导和严谨的实验探究，让学生亲历物理知识的构建过程。

1.重视情境创设，引发探究
善于创设问题情境，启发学生积极思维，使学生真正成为认识事物的主体。

在情境中设置有思考价值、智力上具有挑战性的问题，启发学生学会观察，提出新问题，增强学生学习的针对性，激发学生的兴趣，提高学生学习的内在积极性和主动性。

在创设情境时，求真实、生动、直观而又富有启发性。

通过演示实验、科学史实、实物、影像资料、图片等等，创设学习情境。

例如：本节开始的情境引入阶段，接通220V交流电的白炽灯泡，置于永久磁铁的磁场当中时，灯丝不停地抖动，看到现象学生的思维立即会产生撞击，产生了强烈的求知欲望。

又如：通过引入神奇而炫丽的极光视频或图片，但学生对产生这种美丽现象的好奇心，使之产生了强烈的求知欲望。

再如：学生已明确洛仑兹力的方向特点、判定法则——左手定则后，马上演示通电食盐水在磁场中旋转的实验，学生精神又为之一振，随即展开了热烈的讨论，结合已学到的化学知识，很快明白了旋转的原因，并且明确了液体中电流方向与离子、离子运动方向的关系，明确了离子和离子在磁场中所受洛仑兹力方向为什么是一致的，规律得到了强化。

2.以问题为主线，激发学生思维
探究式学习也是以问题为中心的学习，问题既是探究的起点，也是贯穿探究活动始终的一条主线。

因此，本教学将把探究式学习的过程设计成不断提出问题和解决问题的过程，促使学生形成强烈的问题意识，使学生学会善于从生活现象中发现和提出问题，从观察实验现象中发现和提出问题，引导学生在探究过程中，对问题进行一系列转化：将生活中的实际问题转化为科学探究的问题，将大的问题分解成若干个小的问题，将不可操作的问题转化为可操作的问题，将抽象的问题转化为具体的问题。

要引导学生围绕所探究的问题，开展研究方案设计讨论，
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要组织学生合作实践研究，启发学生对观察到的现象进行分析，引导学生的探究热点、兴奋点，引起学生更深入地思考，形成更浓的学习兴趣。

本节教学中从安培力的微观实质到洛仑兹力概念的得出；从安培力的方向判定过渡到洛仑兹力的方向判定；从明确洛仑兹力的方向到推导洛仑兹力的大小；从洛仑兹力概念的逐步建立到研究洛仑兹力的特点及带电粒子在洛仑兹力作用下的运动等等。

整个过程都是围绕问题展开，一个问题解决的同时，新的问题又在学生的脑海中涌现，环环相扣，高潮迭起，一气呵成。

到了归纳小结阶段还要将问题延伸到课外，进一步激发学生探究的潜能。

3.利用新旧联系，促进同化
教师的教学设计，不仅要充分利用新旧知识间的联系，更要研究新旧知识的不同之处，本设计着重在旧知识上“生长”出新知识，协助学生实现认知同化。

这堂课中，洛仑兹力概念的“生长点”在于正确揭示安培力的微观本质，在宏观世界和微观世界之间架起一座沟通的桥梁；另外，通过宏观的受力现象来体现微观的受力现象；通过安培力来经数学分析、推衍出洛伦兹力的大小。

4.倡导交流与合作，深化探究
在探究学习过程中，由于学生经验背景的差异，他们对问题的理解常有不同的表现，这种差异本身构成了一种宝贵的资源。

教师应促进学生之间的交流与合作。

要分清哪些问题应当在组内交流，哪些问题应当在组之间交流，哪些问题可以在同学之间交流，哪些问题应当在师生之间交流。

在这堂课中我们设计了较多个人自主探究，协作学习、合作探究、交流讨论的环节。

5.借助媒体展示，内化探究
多媒体以其本身特有的功能而具备了趣味性的特点。

它提供的许多可能往往是我们普通教学手段难以企及的。

例如：本节中我们用Flash动画演示了安培力的微观本质是洛仑兹力，而洛仑兹力的宏面表现为安培力，为判定洛仑兹力的方向，推导洛仑兹力大小的公式奠定了基础。

用动画演示了洛仑兹力的特点：只改变速度的方向，不改变速度的大小。

带电粒子垂直射入匀强磁场，只受洛仑兹力作用时为什么会做匀速圆周运动。

带电粒子射入匀强磁场且与磁场有一夹角时，粒子所做的等距螺旋线运动等。

使学生茅塞顿开，印象深刻。

最后用多媒体课件向学生介绍了回旋加速器、磁流体发电机，地磁场、太阳风、极光等知识，学生
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- 7 - 通过色彩丰富的动态画面，看到了洛仑兹力在工农业生产、生活、科学研究、探索自然界奥秘等方面的重大作用，感受到了物理知识有广泛应用前景，体验到了物理学科对时代发展的深远意义，从而极大地激发起学生的学匀热情。

其教育意义远远胜过了空洞的说教。

【教学用具】 阴极射线管、蹄形磁铁、白炽灯，食盐水，金属电极，电源
【教学流程】
创设情境，导入新课 回顾，联系，构建概念
洛伦兹力的特点 判断方向，实验巩固 由通电白炽灯泡置于磁场中时，灯丝不停地抖
动，激发思维火花 1、由阴极发射器验证磁场对电荷有力的作用，建
立洛伦兹力的概念
2、通过flash 述说安培力与洛伦兹力之前的联系 1、 由于电流平行于电荷位移方向，通过洛伦兹力的宏观现象的安培力受力方向来反推电荷的方向。

2、 通过做电解NaCl 实验，液体在容器中旋转来巩固知识
通过电子束的径迹演示来得知洛伦兹力只改变电
子的速度方向，永不做功，分析推理洛伦兹力大小
通过安培力的公式可
得：
应用：解释极光，回顾
【教学过程】
一、现象导入：
1、图片、flash:神奇而炫丽的极光
2、实验：通电白炽灯灯丝在磁场中不停抖动的现象
（设计思想：通过新奇炫丽的实验、图片来吸引同学们的注意、增加他们对本节课堂的兴趣）
二、引入新课
教师：（复习提问）前面我们学习了磁场对电流的作用力，通过左手定则
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可判断通电导体在磁场中受到的力的方向
下面思考两个问题：
（1）如图，判定安培力的方向
学生上黑板做，解答如下：
若已知上图中：B=4.0×10-2 T，导线长L=10 cm，I=1 A。

求：导线所受的安培力大小？
学生解答：
F=BIL=4×10-2 T×1 A×0.1 m=4×10-3 N
答：导线受的安培力大小为4×10-3 N。

（2）电流是如何形成的？
学生：电荷的定向移动形成电流。

教师：磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，大家会想到什么？
学生：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。

［录像演示实验］用阴极射线管研究磁场对运动电荷的作用。

如图
（无磁场时）；（Ｓ极磁场时）教师：说明电子射线管的原理：
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从阴极发射出来电子，在阴阳两极间的高压作用下，使电子加速，形成电子束，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。

学生：观察实验现象。

实验结果：在没有外磁场时，电子束沿直线运动，将蹄形磁铁靠近阴极射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲。

学生分析得出结论：
1、运动的电荷在磁场中受力的作用，这个力叫做洛伦兹力
2．安培力是洛仑兹力的宏观表现；洛仑兹力是安培力的微观原因。

（设计意图：通过旧知识的复习深入，构建旧知识与新知识之间的联系，突出安培力是洛伦兹力的宏观表现；层层深入，使学生更有效地接收新知识）
三、进行新课
（一）洛伦兹力的方向
教师讲述：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安培力实际是洛伦兹力的宏观表现。

我们用安培定则判断安培力的方向，因此可以用安培定则判断洛伦兹力的方向。

（投影）
左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都和手掌在一个平面内，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向正电荷运动的方向，那么，大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。

如果运动的是负电荷，则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。

那到底是不是这样的呢，我们用阴极射线管实验来研究一下：
1、磁场方向不变，洛伦兹力方向与电子束运动方向的的关系
磁场方向电子束运动方向洛伦兹力方向
垂直纸面向外从左到右向上
从右到左向下
垂直纸面向里从左到右向下
从右到左向上
实验结论：当磁场方向不变时，运动方向改变，洛伦兹力方向也改变
2、电子束运动方向不变，洛伦兹力方向与磁场方向的的关系
（Ｓ极磁场时）（Ｎ极磁场时）
电子束运动方向磁场方向洛伦兹力方向
从左到右垂直纸面向外向上
垂直纸面向里向下
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从右到左垂直纸面向外向下
垂直纸面向里向上
实验结论：当运动方向不变时，磁场方向改变，洛伦兹力方向也改变。

综上两个实验得出：洛伦兹力方向与磁场方向和电荷运动方向有关，且洛伦兹力方向与磁场方向垂直，与电荷运动方向也垂直，也就说，完全符合用安培定则来判断洛伦兹力所受到的力的方向。

实验巩固：电解食盐水（NaCl），放在磁场当中，溶液不断旋转，解释原理
［投影片出示练习题］
（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。

甲乙丙丁
学生解答：
甲中正电荷所受的洛伦兹力方向向上；
乙中负电荷所受的洛伦兹力方向向上；
丙中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向纸内；
丁中负电荷所受的洛伦兹力的方向垂直于纸面指向纸外
教师：下面我们来讨论B、v、F三者方向间的相互关系。

如图所示。

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。

（二）研究洛伦兹力的大小
教师：大家知道，力是有大小有方向的，刚才我们已经研究了洛伦兹力的方向，现在我们来研究洛伦兹力的大小。

若有一段长度为L的通电导线，横截面积为S，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。

教师：这段导体所受的安培力为多大？ 学生：F 安=BIL
教师：电流强度I 的微观表达式是什么？ 学生：I 的微观表达式为I=nqSv
教师：这段导体中含有多少自由电荷数？ 学生：这段导体中含有的电荷数为nLS 。

教师：每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多大？
学生：安培力可以看作是作用在每个运动上的洛伦兹力F 的合力，这段导体中含有的自由电荷数为nLS ，所以
qvB nLS nqvSLB
nLS BIL nLS
F F ===
=
安洛
教师：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
θ，则电荷所受的洛伦兹力大小为多大？
学生：
θ
sin qvB F =洛
教师指出：上式中各量的单位：洛
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：同学们讨论一下带电粒子在磁场中运动时，洛伦兹力对带电粒子是否做功？说明理由。

教师通过电子束的径迹，引导学生分析得：
洛伦兹力的方向垂直于v 和B 组成的平面即洛伦兹力垂直于速度方向，因此，洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，所以洛伦兹力对电荷不做功。

投影片出示练习题：
练习1、电子的速率v=3×106 m/s ，垂直射入B=0.10 T 的匀强磁场中，它
受到的洛伦兹力是多大？
学生分析求解，教师巡回指导：
f=qvB=1.60×10-19×3×106×0.10=4.8×10-14 N
练习2、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
学生分析解答：B。

地球表面地磁场方向由南向北，质子是氢原子核带正电，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。

（设计意图：通过旧知识与新知识的联系，通过实验的演示，一步步地探究洛伦兹力的方向、大小，并通过生活现象和习题来巩固，从而使学生一步步地构建知识结构）
四、原理解释与应用：
1、通过flash动画来解释：
极光现象的由来：来自太阳的带电粒子到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。

当他们进入极地的高层大气时，与大气中的原子和分子碰撞并激发，产生光芒，形成极光
灯丝跳跃的由来：灯丝牌高温时，放出离子，在磁场中受到洛伦兹力从而产生跳跃的现象
2、通过多媒体来讲述现代的一些应用及原理：
1、显像管：
2、质谱仪
3、回旋加速器
（设计意图：让学生体会到从生活走向物理，从物理走向生活的意味。

）
五、课堂总结、点评
教师活动：让学生概括总结本节的内容。

请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。

学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。

点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。

教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。

六、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
A．F、B、v三者必定均保持垂直
B．F必定垂直于B、v，但B不一定垂直于v
C．B必定垂直于F、v，但F不一定垂直于v
D．v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
B
v
+
E
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qE=Bqv，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：D
【版书设计】
研究洛伦兹力
1、生活趣现象：极光
跳跃的灯丝
2、安培力与洛伦兹力的关系：安培力是洛伦兹力的宏观现象；
洛伦兹力是安培力的微观现象
3、研究洛伦兹力的方向：（１）定Ｂ，探究电流方向（电荷正负）
对洛伦兹力方向的影响；
（２）定Ｉ，探究Ｂ方向对洛伦兹力方向的影响
总结：左手定则
4、研究洛伦兹力的大小：
5、解释极光与灯丝跳跃现象
6、应用：显像管，质谱仪，回旋加速器
【教学反思】
(1)思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。

学生素质的培养就成了镜中花，水中月。

（2）在教学目标上要重视了学生的全面发展，将知识与能力并重，学习与创新并重。

(3)在课堂教学中，为学生提供优质的舞台，在这舞台上学生是主角。

在尽情表演发挥的同时练就了各方面的能力；在教学的各个环节中，探索、提问穿插于整节教学过程，在这过程中，学生受到了探究科学的体验和经历的熏陶、掌握了正确的学习方法和思维方法。

(4)在教学手段上充分运用了媒体技术，极大提高了教学效果，激发了学生高涨的学习热情。