基于類比方法的《研究洛倫茲力》教學(xué)設(shè)計

彭漫率 彭曉春

【摘要】本節(jié)教材體現(xiàn)了“提出假說—實驗驗證”這一科學(xué)研究的基本思維方法，而假說的提出是運用了邏輯推理分析。因而在研究洛倫茲力時，基于教材內(nèi)容之上，運用類比方法，充分調(diào)動學(xué)生的思維，在學(xué)生已有知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行猜想，與安培力的進(jìn)行比較，從而進(jìn)行洛倫茲力方向的研究，并通過實驗進(jìn)一步驗證。然后將安培力看作是大量運動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，通過安培力計算公式導(dǎo)出洛倫茲力計算的公式，這一部分是學(xué)生的一個理論探究活動。這充分體現(xiàn)了觀察、實驗與科學(xué)思維相結(jié)合的物理學(xué)科基本特征。

【關(guān)鍵詞】類比方法;研究洛倫茲力;教學(xué)設(shè)計

一、教材分析

粵教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書 物理（選修3-1）》第三章第五節(jié)《研究洛倫茲力》節(jié)首啟發(fā)學(xué)生提出猜想，參考答案為：磁場對運動電荷有力的作用。本節(jié)學(xué)習(xí)是在前面已研究安培力的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，磁場對電流有安培力的作用，而電流是由電荷定向移動形成的，那么，磁場對移動的電荷有沒有力的作用呢？筆者通過以下幾方面進(jìn)行闡述：

二、物理學(xué)科核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)

（一）物理觀念

通過與安培力進(jìn)行類比分析，進(jìn)一步運用演示實驗，認(rèn)識洛倫茲力。能夠判斷洛倫茲力的大小與計算洛倫茲力的方向。

（二）科學(xué)思維和創(chuàng)新

1.判斷洛倫茲力方向時，通過類比的方向進(jìn)行合理的邏輯推理，提出假說，再通過演示實驗進(jìn)一步驗證，讓學(xué)生能在安培力方向的判斷與洛倫茲力方向的判斷中找到二者之間本質(zhì)的聯(lián)系。

2.研究洛倫茲力大小時，因為有安培力大小計算鋪墊，通過安培力與洛倫茲力本質(zhì)的聯(lián)系，二者實質(zhì)上集體與個體的聯(lián)系，尋找洛倫茲力大小計算的途徑。

（三）科學(xué)探究與交流

1.由學(xué)生猜想洛倫茲力的方向，并通過實驗，驗證洛倫茲力方向判斷的方法，并由學(xué)生運用方法分析洛倫茲力的方向。

2.通過理論探究，由安培力公式推導(dǎo)出洛倫茲力公式，會計算洛倫茲力大小。

3.理解洛倫茲力對運動電荷不做功。

4.分析在只有洛倫茲力作用下的帶電粒子的運動。

（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

1.通過觀察電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)研究洛倫茲力的方向，體驗研究物理學(xué)的實驗方法。

2.比較安培力與洛倫茲力，從理論上導(dǎo)出洛倫茲力公式，認(rèn)識科學(xué)探究方法的多樣性。

3.培養(yǎng)學(xué)生分析問題和抽象思維能力，在學(xué)習(xí)過程中不斷地猜想，培養(yǎng)學(xué)生對知識學(xué)習(xí)的預(yù)見性。

三、教學(xué)重、難點

1.研究洛倫茲力的方向

明確洛倫茲力的定義以及介紹陰極射線管，總結(jié)出用左手定則判定洛倫茲力方向的方法，與安培力比較，提醒學(xué)生注意的是對于負(fù)電荷，電流的方向與電荷運動的方向相反。并向?qū)W生強(qiáng)調(diào)洛倫茲力既與磁場方向垂直又與電荷運動速度方向垂直，但磁場方向與電荷運動速度方向的夾角則是任意的。當(dāng)磁場方向與電荷運動速度方向平行時，洛倫茲力大小為零。

2.研究洛倫茲力的大小

安培力可以看作是大量運動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，安培力與洛倫茲力是集體與個體的關(guān)系。從而可能通過電流受到的安培力的計算式從理論上導(dǎo)出運動電荷受到的洛倫茲力的計算式。需要突破的是：電流的表達(dá)式、自由電荷的總電量、單位體積內(nèi)所含的自由電荷數(shù)、自由電荷定向移動的速率。這些概念要理解清楚。

四、教學(xué)方法

1.演示實驗驗證法：學(xué)生通過猜想，老師引導(dǎo)進(jìn)行演示實驗驗證，讓學(xué)生明了科學(xué)規(guī)律總結(jié)的一般過程，使學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)素養(yǎng)和思維習(xí)慣。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的態(tài)度和唯物主義的思想方法。表明了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識的過程不是將現(xiàn)有的知識灌輸進(jìn)學(xué)生頭腦內(nèi)的過程，而是在原有認(rèn)識的基礎(chǔ)上自主建構(gòu)知識的過程。

2.多媒體輔助教學(xué)：演示電流定向移動展示，輔助學(xué)生思考，將看不見的電流形象化，便于學(xué)生分析思考并進(jìn)行洛倫茲力大小的推導(dǎo)。

3.類比比較分析法：安培力可能看作是大量運動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，因而在力的方向與大小上有著緊密的聯(lián)系。方向判斷的方法是同出一轍，由此推彼，存大同分析小異，知識構(gòu)建容易完成。大小上是宏觀與微觀，集體與個體的關(guān)系，由此進(jìn)行推導(dǎo)，學(xué)生容易理解。

五、教學(xué)器材

陰極射線管、蹄型磁鐵、導(dǎo)線、投影儀

六、教學(xué)過程

（一）方法引入

1.奧斯特“電生磁”實驗到法拉弟“磁生電”類比方法與可逆思維方式

2.平拋運動與帶電粒子垂直入射勻強(qiáng)電場發(fā)生偏轉(zhuǎn)類比方法

本節(jié)研究主要方法之一：類比

（二）環(huán)節(jié)一 認(rèn)識洛倫茲力

1.學(xué)生猜想

2.實驗驗證

1）在沒有磁場時，接通電源可觀察到什么現(xiàn)象？

在沒有外加磁場時，電子徑跡是直線。

2）光束實質(zhì)是什么？

光束的實質(zhì)是定向移動的電子流。

3）若在陰極射線管上加磁場，可觀察到什么現(xiàn)象？

垂直加磁場，陰極射線偏轉(zhuǎn)，磁場對運動的電子有力的作用。

結(jié)論：磁場對運動電荷有力的作用——洛倫茲力。

（三）環(huán)節(jié)二? 洛倫茲力的方向

1.學(xué)生思考：安培力與洛倫茲力是什么關(guān)系？

磁場對電流有安培力的作用，而電流是由電荷定向移動形成的，且磁場對運動電荷有洛倫茲力的作用。

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解釋。

2.學(xué)生類比分析

3.實驗驗證——洛倫茲力的方向符合左手定則

4.學(xué)生練習(xí)

練習(xí)：試判斷下圖中所示的帶電粒子剛進(jìn)入磁場時所受洛倫茲力的方向。

習(xí)題體會：洛倫茲力方向一定與磁場方向垂直，一定與電荷定向移動速度方向垂直，而磁場方向與電荷定向移動方向不一定垂直。洛倫茲力不做功。

（四）環(huán)節(jié)三? 洛倫茲力的大小

1.洛倫茲力大小公式推導(dǎo)引導(dǎo)

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解釋。

2.洛倫茲力大小推導(dǎo)

建立推導(dǎo)模型：設(shè)有一段長為L，橫截面積為s的直導(dǎo)線，單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電量為q，自由電荷定向移動速率為v，這段通電導(dǎo)線垂直磁場方向放入磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中。

1）這段導(dǎo)線內(nèi)的自由電荷數(shù)

2）通電導(dǎo)線中的電流

3）通電導(dǎo)線所受安培力

4）每個電荷所受的洛倫茲力

結(jié)論：電荷定向移動的方向與磁感強(qiáng)度方向垂直時，洛倫茲力大小

拓展分析：電荷定向移動的方向與磁感強(qiáng)度方向夾角為θ時，

類比方法歸納總結(jié)表一：

類比方法歸納總結(jié)表二

（五） 環(huán)節(jié)四? 課堂小結(jié)（板書設(shè)計）

（六） 環(huán)節(jié)五? 布置課外作業(yè)