高中物理-人教版新课标选修3教学设计学情分析教材分析课后反思

PAGE4PAGE《运动电荷在磁场中受到的力》教学设计一、教学设计思路本设计课题是“运动电荷在磁场中受到的力”，人民教育出版社的《普通高中课程标准实验教科书》（选修3-1），物理第三章第5节内容，该课题放在“通电导线在磁场中受到的力”内容之后，意味教材引导教师利用安培力导出洛伦兹力的大小、方向，绝大多数教师在平时的也是采用此思路展开教学的；但新课程倡导探究式学习，强调科学与社会、生活实践的联系，强调对过程和方法的学习，为了让学生成为教学活动的主体，把教学的重点由学习物理知识变为探索知识的过程，以情景设疑让学生主动思考，鼓励学生大胆猜想，设计实验探究、验证猜想，得出结论；其探究过程体现在洛伦兹力方向的判定法则，定性探究洛伦兹力的大小，理论定量探究洛伦兹力的大小，实验与理论、验证与探究充分表现在课堂教学设计中。二、教学目标1.知识与技能目标（1）知道什么是洛伦兹力。（2）会用洛伦兹力解答实际生活中的有关问题。（3）会用左手定则判断有关带电粒子在磁场中受洛伦兹力方向的问题。2.过程与方法目标（1）通过猜想、实验探究洛伦兹力的方向研究来培养学生科学思维能力和观察能力。（2）通过猜想、实验定量探究洛伦兹力的大小培养学生分析推理能力和应用知识的能力。3.情感态度与价值观目标（1）通过“设问—猜想—探究—推理”来体会科学研究最基本的思维方法。（2）再合作探究的过程中，培养学生团结协作的精神。（3）体会物理学习中的逻辑美，规律的统一，联系生活，激发求知的热情。三、教学重点（1）洛伦兹力的大小和方向的判定。（2）初步掌握科学探究的过程。四、教学难点（1）左手定则的生成过程及应用。（2）实验定量探究洛伦兹力的大小。五、教具圆形磁铁、有显像管的电视机、自治旋转液体实验装置、显像管、多媒体设备六、教学过程（一）课题引入创设情景、设置疑问师：观看美丽的极光视频师：美轮美奂的极光现象发生在什么地方？它又是如何形成的？生（预测）。师：带着这两个问题，今天我们一起学习《运动电荷在磁场中受到的力》【设计说明】从生活中发现问题，创设情境，激发热情，引入新课。（二）新课教学师：上节课已经学习了《电导线在磁场中受到的力》，请同学们猜一猜运动电荷在磁场中是否会受到的力呢？（课件展示：问题1）生（预测）：有、不一定有……师：物理学是一门以实验为基础的学科，要用实验去探究同学们的猜想是否正确，我们需要磁场和运动电荷，今天我给同学们带来一套实验装置：阴极射线管、高压感应圈、条形磁铁、蹄形磁铁；下面同学们按照导学案上的实验步骤和组内分工，进行实验去探究运动电荷在磁场中是否会受到力的作用。生：分组进行实验师：同学们已完成实验操作，哪位同学能代表你组展示实验记录结果？生（预测）：电子束在磁场受到了力作用。师：是由于磁场对自由电子有力的作用，使电子束发生偏转。师：像这种运动电荷在磁场中受到的力，在物理学上，叫：洛伦兹力（板书：一、洛伦兹力）,这是以荷兰物理学家洛伦兹力名字命名的（课件展示：洛伦兹和洛伦兹力）【设计说明】1.将猜想与假设、方案设计、实验操作、结果分析、得出结论这一完整的实验探究过程作呈现，告诉学生实验在物理学学习过程中的重要性；2.利用实验，来引导学生探究运动电荷在磁场中确实受到的力，给学生耳目一新的感觉，并由学生自己动手实验探究得到结论，对于他们各方面能力都有所提高。师：我们知道，力是矢量，有大小和方向，结合刚才的实验和已有的知识，请再猜一猜：洛伦兹力的方向与哪些因素有关呢？（课件展示：问题2）生（预测）：与磁场的方向有关，与运动电荷的速度方向有关……（副板书）师：要研究这样一量和多量的关系，用什么方法？生（预测）：控制变量法师：让我们回到刚才的实验，如何获得这三个物理量的方向呢？（课件展示）生（预测）：根据正负接线柱可以知道速度的方向根据磁场的N极和S极可以知道磁场的方向根据电子束的偏转方向可以知道力的方向……师：为了便于记录实验结果，请大家看我的示范，根据实验步骤和组内分工，开始实验。生：分组进行实验师：指导学生进行实验师：我看同学们已完成实验操作，请各小组到前面来展示你们组的实验记录结果。生：四组代表到前面展示记录结果，师：看看刚才的猜想洛伦兹力的方向与B的方向、v的方向有关是否正确？生（预测）：正确，因为如果改变磁场的方向或改变电荷运动速度方向，力的方向会发生变化……师：好的，那三者存在怎样的空间关系？生（预测）：三者两两垂直关系师：这样看起来比较麻烦，可用什么简洁的方法体现这三者的方向关系呢？生（预测）：左手定则，（可能会有伸右手的，如果有伸右手的，就请伸右手的学生展示描述）师：那你如何把这三个量的方向在左手上体现呢？生（预测）：磁场方向垂直过掌心，四指指向正电荷的运动方向，大拇指指向洛伦兹力的方向，师：好的，这种判断方法称为“左手定则”（板书：二、方向判定法则：左手定则）师：这是我们以正电荷为研究对象总结出的法则，如果以自由电子为研究对象，能得到判定法则吗？生（预测）：只需将四指的指向负电荷（自由电子）运动的反方向即可，师：课件展示左手定则的完整内容【设计说明】1.将猜想与假设、方案设计、实验操作、结果分析、得出结论这一完整的实验探究过程作呈现，再次告诉学生实验在物理学学习过程中的重要性；2.学生又分组做“旋转液体”实验，基于实验现象引导学生探究得出洛伦兹力的方向与速度方向、磁场方向存在一定关系，让学生找到左手可以表示这些关系，左手定则就这样出现，而非类比安培力；潜移默化的告诉学生这仅仅是一种表示方法。3.由于学生动手实验能力可能较弱，再加上利用控制变量法、等效替换法等，学生可能感到比较困难。师：既然洛伦兹力也用左手定则去判断，那么它和安培力有什么联系吗？（课件展示）生（预测）：宏观和微观关系……师：板书：三、洛伦兹力和安培力本质相同微观本质宏观体现师：既然安培力和洛伦兹力本质相同，那么为什么不叫安培力而叫洛伦兹力呢？师：前后相差70多年时间，物理学每向前进步一点点，都是很不容易的……【设计说明】简介物理学史，提升课堂内涵，进而落实情感态度价值观目标。师：探讨了方向，请问洛伦兹力大小与哪些因素有关呢？（课件展示）生（预测）：与v大小有关，与B强弱有关，q，m……师：再次回到刚才的实验，磁场的强弱可用磁体的大小产生的磁场知道，速度的大小可用电压大小（电场的强弱知道）知道，按照学案上实验步骤和组内分工进行实验去定性探究猜想是否正确。生：分组进行实验师：指导学生进行实验师：同学们已完成实验操作，哪位同学能代表你组展示实验记录结果？生（预测）：展示实验记录结果，定性介绍如果运动电荷速度确定，磁场越强洛伦兹力越大；如果磁场强弱确定，运动电荷速度越大洛伦兹力越大。师：那它们之间究竟存在怎样的定量关系呢？师：展示课件：有一端长为L的通电导线，横截面积为S，单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电量为q，定向运动的平均速率为v，把这段导线垂直地放入磁感应强度为B的匀强磁场中，求：每个自由电荷受到的洛仑兹力f的大小?（1）写出这段导线中的电流I的微观表达式（用n、q、S、v表示）（2）写出这段导线所受到的安培力F的表达式（3）这段导线中运动电荷的总数N为多少？（4）导线中所有定向运动自由电荷所受洛伦兹力f总体效应表现为导线所受到的安培力F，写出f的表达式（用q、v、B表示）生：认真阅读，仔细思考，组内讨论，展示理论探究过程。师：板书：四、f=qvB师：公式成立的条件是？生（预测）：v和B垂直关系师：如果不垂直呢？生（预测）：f=qvBsinθ【设计说明】由实验定性探究到理论定量探究，引导学生自主生成洛伦兹力大小的计算公式。师：请大家思考我们观看的极光视频后留给你的两个问题？师：大家请看这是电视机显像管原理示意图（课件展示），简介电视机显像管原理示意图。师：现在大家能知道图像变形、偏移的原因了吗？师生互动：完成对电视机荧光屏中图像偏移、变形的分析。【设计说明】再回到新课的开始，呼应开头，回归到生活，解决生活的实际问题，激发学习热情。师(课堂小结)：哪位同学能对本节课进行总结？生（预测）：在知识的层面，在知道运动电荷在磁场中确实受到力的作用，这个力叫做洛伦兹力，同时知道洛伦兹力的方向如何判断，大小如何计算。师：课后思考：1.f=qvBsinθ的速度v是相对于什么参考系的？2.安培力可对磁场中通电导线是做功，既然洛伦兹力是安培力的微观本质，那么洛伦兹力对运动电荷也做功吗？七、板书设计运动电荷在磁场中受到的力一、洛伦兹力二、洛伦兹力和安培力的本质相同三、方向判断方法：左手定则四、大小f=qvBsinθ五、应用学情分析学情分析：1.知识与能力基础

：学生已具备力学、电磁学相关知识，学习完磁场对通电导线作用即安培力。并且也熟悉一直以来物理学的“提出问题—猜想假设—实验验证”的科学探究方法。而且高二的学生已经有了一定的观察、分析、推理能力及空间想象能力，是学习洛仑兹力的能力基础

2.思维障碍：对微观粒子具体运动形态模糊不清，容易导致洛伦兹力大小学习过程产生困难。效果分析看课堂教学效果是评价课堂教学的重要依据。本课从提出问题到实验探究，分析问题，解决问题后又诱使学生提出新的问题，从问题开始，通过实验探究，最后又以问题结束，体现了一种全新的以问题为主链的课堂学习模式，教学效率高，学生思维活跃，气氛热烈，双边活动较多。大部分学生参与了课堂教学中的思考过程。按照课程标准的要求，不仅学生的化学知识与技能，还包括解决问题的能力、思考能力和情感、态度、价值观都得到了发展。此外，学生受益面大，不同程度的学生在原有基础上都有进步。有效利用40分钟，学生学得轻松愉快，积极性高，当堂问题当堂解决，学生负担合理。教材分析教材分析：1.物理学体系中本章是经典电磁学理论的基本内容，而本节课是安培力的延续，又是后面学习带电体在磁场中运动的基础，反应磁场和运动电荷的相互作用，是学生后面了解现代科技回旋加速器，质谱仪，磁流体发电机等的基础，还是力、电、磁综合问题分析中重要的一部分。从新课程改革以来，几乎每年高考都有涉及洛仑兹力的计算大题，由此，足以说明其重要性。

2.教材结构：洛伦兹力属于微观力学范畴，比较抽象，毕竟微观粒子看不见摸不着，怎么给学生感性的认识是能否帮助学生掌握本节课的关键。通常我们利用阴极射线管，使阴极激发出的电子束在荧光屏上产生绿色的径迹，在轨迹上加上磁场，使径迹偏转，来使学生感觉微观粒子的受力。这个方法虽好，但远离学生的经验，还是有些抽象，不能有效地激发学生的思考。爱因斯坦说过：提出问题比解决问题更重要，没有思考就没有新思想的产物。所以在学习过程中一个好的问题的形成是开始建构知识的关键。分三部分首先通过观察演示实验，讨论洛伦兹力的方向，这一部分是学生的一个实验探究活动。然后将安培力看作是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，通过安培力公式导出洛伦兹力的公式，这一部分是学生的一个理论探究活动。最后，研究带电粒子在磁场中的运动，这一部分是学生的一个理论分析和实验验证的探究活动。

教材的这种安排，符合了新课程标准，起到了承上启下的作用，使物理学习能连续进行；符合学生的发展的要求；体现了教材重视课堂教学中的师生互动，学生自觉参与活动和学生合作探究的新课程教学理念。评测练习一、选择题(1～5题为单选题，6～9题为多选题)1.大量的带电荷量均为＋q的粒子，在匀强磁场中运动，下列说法中正确的是()A.只要速度大小相同，所受洛伦兹力就相同B.如果把＋q改为－q，且速度反向但大小不变，与磁场方向不平行，则洛伦兹力的大小方向均不变C.只要带电粒子在磁场中运动，它一定受到洛伦兹力作用D.带电粒子受到的洛伦兹力越小，则该磁场的磁感应强度就越小答案B解析带电粒子在磁场中运动时受到的磁场力不仅与其速度的大小有关，还与其速度的方向有关，当速度方向与磁场方向在一条直线上时，不受磁场力作用，所以A、C、D错误；根据左手定则，不难判断B是正确的.2.两个带电粒子以相同的速度垂直磁感线方向进入同一匀强磁场，两粒子质量之比为1∶4，电荷量之比为1∶2，则两带电粒子受洛伦兹力之比为()A.2∶1 B.1∶1C.1∶2 D.1∶4答案C解析带电粒子的速度方向与磁感线方向垂直时，洛伦兹力F＝qvB与电荷量成正比，与质量无关，C项正确.3.电视显像管原理的示意图如图1所示，当没有磁场时，电子束将打在荧光屏正中的O点，安装在管径上的偏转线圈可以产生磁场，使电子束发生偏转.设垂直纸面向里的磁场方向为正方向，若使电子打在荧光屏上的位置由a点逐渐移动到b点，下列变化的磁场能够使电子发生上述偏转的是()图1答案A解析电子偏转到a点时，根据左手定则可知，磁场方向垂直纸面向外，对应的B－t图的图线应在t轴下方；电子偏转到b点时，根据左手定则可知，磁场方向垂直纸面向里，对应的B－t图的图线应在t轴上方，A正确.4.两个完全相同的带等量的正电荷的小球a和b，从同一高度自由落下，分别穿过高度相同的水平方向的匀强电场和匀强磁场，如图2所示，然后再落到地面上，设两球运动所用的总时间分别为ta、tb，则()图2A.ta＝tb B.ta＞tbC.ta＜tb D.条件不足，无法比较答案C解析a球进入匀强电场后，始终受到水平向右的电场力F电＝qE作用，这个力不会改变a在竖直方向运动的速度，故它下落的总时间ta与没有电场时自由下落的时间t0相同.b球以某一速度进入匀强磁场瞬间它就受到水平向右的洛伦兹力作用，这个力只改变速度方向，会使速度方向向右发生偏转，又因为洛伦兹力始终与速度方向垂直，当速度方向变化时，洛伦兹力的方向也发生变化，不再沿水平方向.如图所示为小球b在磁场中某一位置时的受力情况，从图中可以看出洛伦兹力F洛的分力F1会影响小球竖直方向的运动，使竖直下落的加速度减小(小于g)，故其下落的时间tb大于没有磁场时小球自由下落的总时间t0.综上所述，ta＜tb.5.截面为矩形的载流金属导线置于磁场中，导线中电流方向向右，如图3所示，将出现下列哪种情况()图3A.在b表面聚集正电荷，而a表面聚集负电荷B.在a表面聚集正电荷，而b表面聚集负电荷C.开始通电时，电子做定向移动并向b偏转D.两个表面电势不同，a表面电势较高答案A解析金属导体靠电子导电，金属正离子并没有移动，而电流由金属导体中的自由电子的定向移动(向左移动)形成.应用左手定则，四指应指向电流的方向，让磁感线垂直穿过手心，拇指的指向即为自由电子的受力方向.也就是说，自由电子受洛伦兹力方向指向a表面一侧，实际上自由电子在向左移动的同时，受到指向a表面的作用力，并在a表面进行聚集，由于整个导体是呈电中性的(正、负电荷总量相等)，所以在b的表面“裸露”出正电荷层，并使b表面电势高于a表面电势.6.如图4所示，水平放置的平行板电容器两板间有垂直纸面向里的匀强磁场，开关S闭合时一带电粒子恰好水平向右匀速穿过两板，重力不计.对相同状态入射的粒子，下列说法正确的是()图4A.保持开关闭合，若滑片P向上滑动，粒子可能从下极板边缘射出B.保持开关闭合，若将磁场方向反向，粒子仍可能沿直线射出C.保持开关闭合，若A极板向上移动后，调节滑片P的位置，粒子仍可能沿直线射出D.如果开关断开，调节滑片P的位置，粒子可能继续沿直线射出答案AC解析带电粒子匀速通过两极间，电场力和洛伦兹力相等.若开关闭合，滑片P向上滑动，两极间电压减小，电场力减小，粒子向下偏转，A正确.若磁场反向，洛伦兹力也反向，粒子不能沿直线射出，B错误.开关闭合，A板向上移动后，调节滑片P的位置，可使电场强度不变，粒子仍可能沿直线射出，C正确.开关断开，电容器通过电阻放电，粒子不再受电场力作用，也就不能沿直线射出，D错误.7.目前世界上有一种新型发电机叫磁流体发电机，如图5表示它的原理：将一束等离子体(包含正、负离子)喷射入磁场，在磁场中有两块金属板A、B，于是金属板上就会聚集电荷，产生电压.以下说法正确的是()图5A.B板带正电B.A板带正电C.其他条件不变，只增大射入速度，UAB增大D.其他条件不变，只增大磁感应强度，UAB增大答案ACD解析根据左手定则，正离子进入磁场受到的洛伦兹力向下，A正确，B错误.最后，离子受力平衡有qBv＝qeq\f(UAB,d)，可得UAB＝Bvd，C、D正确.8.如图6所示，用丝线吊着一个质量为m的带电(绝缘)小球处于匀强磁场中，空气阻力不计，当小球分别从A点和B点向最低点O运动且两次经过O点时()图6A.小球的动能相同B.丝线所受的拉力相同C.小球所受的洛伦兹力相同D.小球的向心加速度相同答案AD解析带电小球受到的洛伦兹力和丝线的拉力与速度方向时刻垂直，对小球不做功只改变速度方向，不改变速度大小.只有重力做功，故两次经过O点时速度大小不变，动能相同，选项A正确；小球分别从A点和B点向最低点O运动且两次经过O点时速度方向相反，由左手定则可知两次过O点时洛伦兹力方向相反，丝线的拉力大小也就不同，故选项B、C错误；由an＝eq\f(v2,R)可知向心加速度相同，选项D正确.9.如图7所示，在一绝缘、粗糙且足够长的水平管道中有一带电荷量为q、质量为m的带电球体，管道半径略大于球体半径.整个管道处于磁感应强度为B的水平匀强磁场中，磁感应强度方向与管道垂直.现给带电球体一个水平速度v，则在整个运动过程中，带电球体克服摩擦力所做的功可能为()图7A.0B.eq\f(1,2)m(eq\f(mg,qB))2C.eq\f(1,2)mv2 D.eq\f(1,2)m[v2－(eq\f(mg,qB))2]答案ACD解析当小球带负电时，对小球受力分析如图甲所示，随着向右运动，速度逐渐减小，直到速度减小为零，所以克服摩擦力做的功为W＝eq\f(1,2)mv2.当小球带正电时，设当安培力等于重力时，小球的速度为v0，则mg＝qv0B，即v0＝eq\f(mg,qB).当v＝v0时，受力分析如图乙所示，重力与洛伦兹力平衡，所以小球做匀速运动时克服摩擦力做的功为W＝0；当v＜v0时，受力分析如图丙所示，管壁对小球有向上的支持力，随着向右减速运动，速度逐渐减小，支持力、摩擦力逐渐增大，直到速度减小到零，所以克服摩擦力做的功为W＝eq\f(1,2)mv2；当v＞v0时，受力分析如图丁所示，管壁对小球有向下的弹力，随着小球向右减速运动，洛伦兹力逐渐减小、弹力逐渐减小，摩擦力逐渐减小，直到弹力减小到零，摩擦力也为零，此时重力和洛伦兹力平衡，此后小球向右做匀速运动，所以克服摩擦力做的功为W＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝eq\f(1,2)m[v2－(eq\f(mg,qB))2]，综上分析，可知A、C、D项正确.二、非选择题10.质量为m、带电荷量为＋q的小球，用一长为l的绝缘细线悬挂在方向垂直纸面向里的匀强磁场中，磁感应强度为B，如图8所示，用绝缘的方法使小球位于能使悬线呈水平的位置A，然后由静止释放，小球运动的平面与B的方向垂直，小球第一次和第二次经过最低点C时悬线的拉力FT1和FT2分别为多少？图8答案3mg－qBeq\r(2gl)3mg＋qBeq\r(2gl)解析小球由A运动到C的过程中，洛伦兹力始终与v的方向垂直，对小球不做功，只有重力做功，由动能定理有mgl＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,C)，解得vC＝eq\r(2gl).在C点，由左手定则可知洛伦兹力向上，其受力情况如图甲所示.由牛顿第二定律，有FT1＋F洛－mg＝meq\f(v\o\al(2,C),l)，又F洛＝qvCB，所以FT1＝3mg－qBeq\r(2gl).同理可得小球第二次经过C点时，受力情况如图乙所示，所以FT2＝3mg＋qBeq\r(2gl).11.如图9所示，质量为m＝1kg、电荷量为q＝5×10－2C的带正电的小滑块，从半径为R＝0.4m的光滑绝缘eq\f(1,4)圆弧轨道上由静止自A端滑下.整个装置处在方向互相垂直的匀强电场与匀强磁场中.已知E＝100V/m，方向水平向右，B＝1T，方向垂直纸面向里，g＝10m/s2.求：图9(1)滑块到达C点时的速度；(2)在C点时滑块所受洛伦兹力；(3)在C点滑块对轨道的压力.答案(1)2m/s，方向水平向左(2)0.1N，方向竖直向下(3)20.1N，方向竖直向下解析以滑块为研究对象，自轨道上A点滑到C点的过程中，受重力