2020-2021学年选修3-1第三章 磁场5 电荷在磁场中受到的力教学设计及反思

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第三章 磁 场
3.5 磁场对运动电荷的作用力
★新课标要求
（一）知识与技能
1、知道什么是洛伦兹力。
2、利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。
3、知道洛伦兹力大小的推理过程。
4、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。
5、理解洛伦兹力对电荷不做功。
6、了解电视机显像管的工作原理。
（二）过程与方法
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。
（三）情感、态度与价值观
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。
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
1、理解洛伦兹力对运动电荷不做功。
2、洛伦兹力方向的判断。
★教学方法
实验观察法、讲述法、分析推理法
★教学用具：
电子射线管、电源、磁铁、投影仪、投影片
★教学过程
（一）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，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。
［演示实验］用阴极射线管研究磁场对运动电荷的作用。如图3.5-1
教师：说明电子射线管的原理：
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：磁场对运动电荷有作用。
（二）进行新课
1、洛伦兹力的方向和大小
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。
［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。
教师：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
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：
教师指出：上式中各量的单位：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。
2、电视显像管的工作原理
教师：引导学生阅读教材相关内容，思考并回答问题。
电子束是怎样实现偏转的？
在图3.5－4中，如图所示：
（1）要是电子打在A点，偏转磁场应该沿什么方向？
（2）要是电子打在B点，偏转磁场应该沿什么方向？
（3）要是电子打从A点向B点逐渐移动，偏转磁场应该怎样变化？
学生：思考并回答问题：
（1）要是电子打在A点，偏转磁场应该垂直纸面向外
（2）要是电子打在B点，偏转磁场应该垂直纸面向里
（3）要是电子打从A点向B点逐渐移动，偏转磁场应该先垂直纸面向外并逐渐减小，然后垂直纸面向里并逐渐增大。
教师：电子打在荧光屏上只能有一个亮点，为什么整个荧光屏都能发光能？
学生阅读教材，进一步了解显像管的工作过程。
（三）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。
（四）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
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
★课余作业
完成P103“问题与练习”第1、2、5题。书面完成第3、4题。
★教学体会
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。