自制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具 展現(xiàn)洛倫茲力魅力

李 冬

(北京師范大學(xué)鹽城附屬學(xué)校 江蘇 鹽城 224000)

洛倫茲力是電磁學(xué)的重要知識，它與學(xué)科內(nèi)其他知識綜合應(yīng)用是歷年高考的必考內(nèi)容之一，要想讓學(xué)生透徹理解洛倫茲力的方向與大小，既要做好實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)探究，又要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維理論推導(dǎo).設(shè)計(jì)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方案，可以讓學(xué)生從感知到認(rèn)知，不斷思辨；自制創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教具，可以讓學(xué)生從認(rèn)知到理解，不斷深入；利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，可以讓學(xué)生從理解到應(yīng)用，不斷進(jìn)步.

1 自制創(chuàng)新教具 科學(xué)探究洛倫茲力方向

傳統(tǒng)演示洛倫茲力的實(shí)驗(yàn)儀器是用陰極射線管，開啟后，手持條形永久磁鐵，使磁鐵一端靠近陰極射線管側(cè)面，電子束就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，讓學(xué)生猜想為何磁鐵能讓電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)？以此引入洛倫茲力，然后結(jié)合類比思想用該裝置多次尋找概括洛倫茲力方向的方法：左手定則.但是這個(gè)尋找的過程較為繁瑣、無味.學(xué)生參與度與興致不高，以致后續(xù)洛倫茲力空間關(guān)系的建立容易出現(xiàn)知識斷層.此次改進(jìn)是依然采用陰極射線管的趣味實(shí)驗(yàn)引入洛倫茲力，使學(xué)生建立洛倫茲力的物理觀念.但是尋找左手定則時(shí)改為自制的改裝教具如圖1所示.

圖1 自制創(chuàng)新教具，探究洛倫茲力的方向

把一臺黑白電視的后蓋打開，把場掃描和行掃描各引出一個(gè)開關(guān)，當(dāng)把開關(guān)都關(guān)閉，電視中心為一亮斑，學(xué)生很容易理解亮斑是電子槍發(fā)射電子擊中屏幕所致[1].

然后自制一個(gè)可繞中心旋轉(zhuǎn)的圓筒，圓筒外側(cè)用膠棒貼上兩塊磁鐵，圓筒中間可近似看做一個(gè)勻強(qiáng)磁場，把圓筒套在電子槍上，有了磁場的作用，電子槍發(fā)射的電子會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，熒光屏上面的光斑也隨之偏轉(zhuǎn)；當(dāng)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁場方向改變，光斑會圍繞中心做圓周運(yùn)動(dòng)，如圖2所示.這些有趣而難以預(yù)料的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象讓學(xué)生目不暇接，思維不斷被刷新，學(xué)生經(jīng)歷了感知，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的好奇心.在這一過程中，筆者選取幾個(gè)特殊的位置，學(xué)生通過提出問題→猜想與假設(shè)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→歸納總結(jié)的科學(xué)探究方法，總結(jié)了判斷洛倫茲力方向的左手定則.這樣做，不僅空間立體感更強(qiáng)，學(xué)生興致高昂，參與度高，互動(dòng)性強(qiáng)；而且培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的意識，分析論證的能力，合作與交流的意愿和能力.更為下一步電視機(jī)顯像管的教學(xué)做了鋪墊.

圖2 自制創(chuàng)新教具，動(dòng)態(tài)演示電子偏轉(zhuǎn)

2 自制洛倫茲力演示儀 展示洛倫茲力三維空間關(guān)系

傳統(tǒng)講解洛倫茲力三維空間關(guān)系的方法可將不同顏色的木棒插在橡皮泥上來構(gòu)造左手定則的三維立體模型,如圖3所示，用不同顏色的木棒表示磁場方向、偏轉(zhuǎn)方向(力的方向)和電子的運(yùn)動(dòng)方向，學(xué)生按照立體圖學(xué)習(xí)左手定則，然后應(yīng)用到洛倫茲力方向的判定上.實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生對磁場方向與電子運(yùn)動(dòng)方向有夾角時(shí)，使用橡皮泥模型判定受力方向有時(shí)就會犯錯(cuò).主要原因是顧此失彼，不能很好地理解磁場或運(yùn)動(dòng)的分量對實(shí)驗(yàn)的影響.

圖3 傳統(tǒng)探究洛倫茲力的方法

此次改進(jìn)是自制可動(dòng)三維框架如圖4所示.

圖4 自制洛倫茲力演示儀，展示洛倫茲力三維空間關(guān)系

圖中紅黃綠3種顏色分別表示速度v，洛倫茲力F，磁場B.(力F與速度vx分別粘貼在兩個(gè)金屬滑環(huán)上，滑環(huán)下面一端與細(xì)線相連,一端與橡皮筋相連).其中速度v的金屬棒可以繞原點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng).一旦轉(zhuǎn)動(dòng)就會帶動(dòng)細(xì)線，通過聯(lián)動(dòng)裝置進(jìn)而帶動(dòng)速度的水平分量vx和洛倫茲力F的邊縮短.當(dāng)速度與磁場平行時(shí)，洛倫茲力減小為零.由于裝置底部有橡皮筋，因此當(dāng)增大速度v與B的夾角時(shí)，橡皮筋拉動(dòng)F與vx兩個(gè)金屬滑環(huán)又恢復(fù)到原來的長度，用以演示洛倫茲力隨著B與v的夾角增大而增大.用該裝置既可以演示洛倫茲力F始終垂直v的規(guī)律，又可以動(dòng)態(tài)演示洛倫茲力的大小與夾角的關(guān)系.由于裝置可操作性強(qiáng)，學(xué)生先上臺判定，然后親自實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)歷了認(rèn)知到理解，不斷深入思考的過程，很快就會理解洛倫茲力的三維空間關(guān)系.

3 制作演示動(dòng)畫 科學(xué)探究洛倫茲力與安培力的內(nèi)在聯(lián)系

安培力是磁場對載流導(dǎo)體的作用力，洛倫茲力是磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力.要真正講清這兩個(gè)力的關(guān)系必須把安培力與洛倫茲力的內(nèi)在聯(lián)系、轉(zhuǎn)化過程的微觀本質(zhì)及定性關(guān)系揭示出來，傳統(tǒng)的教學(xué)方式就是教師講解，學(xué)生看書，學(xué)生理解較困難.

此次改進(jìn)是利用PPT制作演示動(dòng)畫，構(gòu)造物理模型，生動(dòng)直觀地演示洛倫茲力與安培力的微觀聯(lián)系.

如圖5所示，一根通電導(dǎo)線內(nèi)部有大量向右定向移動(dòng)的電荷，當(dāng)加上磁場時(shí)，這些定向移動(dòng)電荷會受到向上的洛倫茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使導(dǎo)線上側(cè)積累負(fù)電荷，下方因缺失負(fù)電荷而帶正電.導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生自下而上的橫向電場，后續(xù)移動(dòng)的電荷同時(shí)受到洛倫茲力與電場力的作用，只要電場力小于洛倫茲力，電荷就會繼續(xù)積累，直到電場力與洛倫茲力達(dá)到二力平衡.整個(gè)導(dǎo)線內(nèi)部達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)定向移動(dòng)的電荷都會受到一個(gè)向下的電場力，這個(gè)力的施力物體是除去這個(gè)電荷之外的其余部分，也稱之為晶格骨架.那么反之，每個(gè)定向移動(dòng)的電荷會對晶格骨架產(chǎn)生一個(gè)反作用力F′電[1]，而這些反作用力的合力就是我們所說的安培力.依據(jù)我們的理論分析不難發(fā)現(xiàn)

F洛=F電=F′電

用動(dòng)畫說明了洛倫茲力和安培力的聯(lián)系后，想要得到洛倫茲力的表達(dá)式還需要教師細(xì)心引導(dǎo)，通過分步問題，結(jié)合PPT動(dòng)畫演示，引導(dǎo)學(xué)生體會洛倫茲力大小推導(dǎo)的思維線索和邏輯過程.具體步驟如下：

已知該段導(dǎo)線的長度為L，其中的電流為I,垂直放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，導(dǎo)線的橫截面積為S，導(dǎo)線內(nèi)單位體積的自由電荷數(shù)為n.推導(dǎo)分析如表1所示的幾個(gè)問題.

表1 科學(xué)探究洛倫茲力表達(dá)式

分析到這里學(xué)生會以為得到了正確的表達(dá)式，教師需要介入引導(dǎo)：分析上述表達(dá)式，你覺得洛倫茲力應(yīng)該與哪些因素有關(guān)？與哪些因素?zé)o關(guān)(與I,S,n3個(gè)宏觀量無關(guān))，上述表達(dá)式中哪些物理量不應(yīng)該出現(xiàn)[2]，是不是還可以繼續(xù)化簡？電流I和S以及n之間是不是具有一定的關(guān)系？這里需要用到兩個(gè)新的物理量：導(dǎo)線中每個(gè)帶電粒子的電荷量為q，電荷定向移動(dòng)的速率為v；接下來繼續(xù)續(xù)表所示的推導(dǎo).

利用PPT通過模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證的方法，引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)的視角對洛倫茲力的本質(zhì)屬性、與安培力的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行探究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，這也是新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求[2].

4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任 了解電視機(jī)顯像管原理

有了前面的基礎(chǔ)，學(xué)生們會猜測電視機(jī)顯像管的原理，可以讓學(xué)生猜想為什么電視機(jī)的屏幕滿屏都是畫面，讓學(xué)生們大膽地說出自己的想法，基于已學(xué)習(xí)的知識和邏輯發(fā)表自己的見解，教師給予鼓勵(lì)與幫助，目的在于充分培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.同時(shí)為了激發(fā)學(xué)生興趣，筆者這里再次使用電視機(jī)進(jìn)行了趣味演示：當(dāng)兩對偏轉(zhuǎn)線圈只有一個(gè)工作時(shí)，會出現(xiàn)圖6(a),(b)所示的水平或豎直兩線.與此同時(shí)，使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，整條亮線也會像圖6(c),(d)所示轉(zhuǎn)動(dòng).

圖6 了解電視機(jī)顯像管原理

5 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐體會到充分利用自制教具和現(xiàn)代化的教學(xué)手段，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，展示實(shí)驗(yàn)效果，讓學(xué)生從感性與理性兩個(gè)方面真切體會到物理知識的神奇，進(jìn)而下功夫去探究物理原理，應(yīng)用物理原理去解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.在教學(xué)中緊抓兩條主線：一是實(shí)驗(yàn)探究洛倫茲力的方向，二是理論推導(dǎo)洛倫茲力的大小，探究洛倫茲力與安培力的關(guān)系.在實(shí)驗(yàn)過程中潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，增強(qiáng)創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力，逐步形成科學(xué)態(tài)度觀、科學(xué)世界觀和正確的價(jià)值觀，為進(jìn)入高等學(xué)校課程的學(xué)習(xí)以及畢業(yè)后的發(fā)展奠定基礎(chǔ).