《運動電荷在磁場中受到的力》教學(xué)設(shè)計
一、教學(xué)設(shè)計思路
本設(shè)計課題是“運動電荷在磁場中受到的力”，人民教育出版社的《普通高中課程標準實驗教科書》（選修3-1），物理第三章第5節(jié)內(nèi)容，該課題放在“通電導(dǎo)線在磁場中受到的力”內(nèi)容之后，意味教材引導(dǎo)教師利用安培力導(dǎo)出洛倫茲力的大小、方向，絕大多數(shù)教師在平時的也是采用此思路展開教學(xué)的；但新課程倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)，強調(diào)科學(xué)與社會、生活實踐的聯(lián)系，強調(diào)對過程和方法的學(xué)習(xí)，為了讓學(xué)生成為教學(xué)活動的主體，把教學(xué)的重點由學(xué)習(xí)物理知識變?yōu)樘剿髦R的過程，以情景設(shè)疑讓學(xué)生主動思考，鼓勵學(xué)生大膽猜想，設(shè)計實驗探究、驗證猜想，得出結(jié)論；其探究過程體現(xiàn)在洛倫茲力方向的判定法則，定性探究洛倫茲力的大小，理論定量探究洛倫茲力的大小，實驗與理論、驗證與探究充分表現(xiàn)在課堂教學(xué)設(shè)計中。
二、教學(xué)目標
1.知識與技能目標
（1）知道什么是洛倫茲力。
（2）會用洛倫茲力解答實際生活中的有關(guān)問題。
（3）會用左手定則判斷有關(guān)帶電粒子在磁場中受洛倫茲力方向的問題。
2.過程與方法目標
（1）通過猜想、實驗探究洛倫茲力的方向研究來培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和觀察能力。
（2）通過猜想、實驗定量探究洛倫茲力的大小培養(yǎng)學(xué)生分析推理能力和應(yīng)用知識的能力。
3.情感態(tài)度與價值觀目標
（1）通過“設(shè)問—猜想—探究—推理”來體會科學(xué)研究最基本的思維方法。
（2）再合作探究的過程中，培養(yǎng)學(xué)生團結(jié)協(xié)作的精神。
（3）體會物理學(xué)習(xí)中的邏輯美，規(guī)律的統(tǒng)一，聯(lián)系生活，激發(fā)求知的熱情。
三、教學(xué)重點
（1）洛倫茲力的大小和方向的判定。
（2）初步掌握科學(xué)探究的過程。
四、教學(xué)難點
（1）左手定則的生成過程及應(yīng)用。
（2）實驗定量探究洛倫茲力的大小。
五、教具
圓形磁鐵、有顯像管的電視機、自治旋轉(zhuǎn)液體實驗裝置、顯像管、多媒體設(shè)備
六、教學(xué)過程
（一）課題引入
創(chuàng)設(shè)情景、設(shè)置疑問
師：觀看美麗的極光視頻
師：美輪美奐的極光現(xiàn)象發(fā)生在什么地方？它又是如何形成的？
生（預(yù)測）。
師：帶著這兩個問題，今天我們一起學(xué)習(xí)《運動電荷在磁場中受到的力》
【設(shè)計說明】
從生活中發(fā)現(xiàn)問題，創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)熱情，引入新課。
（二）新課教學(xué)
師：上節(jié)課已經(jīng)學(xué)習(xí)了《電導(dǎo)線在磁場中受到的力》，請同學(xué)們猜一猜運動電荷在磁場中是否會受到的力呢？（課件展示：問題1）
生（預(yù)測）：有、不一定有……
師：物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，要用實驗去探究同學(xué)們的猜想是否正確，我們需要磁場和運動電荷，今天我給同學(xué)們帶來一套實驗裝置：陰極射線管、高壓感應(yīng)圈、條形磁鐵、蹄形磁鐵；下面同學(xué)們按照導(dǎo)學(xué)案上的實驗步驟和組內(nèi)分工，進行實驗去探究運動電荷在磁場中是否會受到力的作用。
生：分組進行實驗
師：同學(xué)們已完成實驗操作，哪位同學(xué)能代表你組展示實驗記錄結(jié)果？
生（預(yù)測）：電子束在磁場受到了力作用。
師：是由于磁場對自由電子有力的作用，使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
師：像這種運動電荷在磁場中受到的力，在物理學(xué)上，叫：洛倫茲力（板書：一、洛倫茲力）,這是以荷蘭物理學(xué)家洛倫茲力名字命名的（課件展示：洛倫茲和洛倫茲力）
【設(shè)計說明】
1.將猜想與假設(shè)、方案設(shè)計、實驗操作、結(jié)果分析、得出結(jié)論這一完整的實驗探究過程作呈現(xiàn)，告訴學(xué)生實驗在物理學(xué)學(xué)習(xí)過程中的重要性；
2.利用實驗，來引導(dǎo)學(xué)生探究運動電荷在磁場中確實受到的力，給學(xué)生耳目一新的感覺，并由學(xué)生自己動手實驗探究得到結(jié)論，對于他們各方面能力都有所提高。
師：我們知道，力是矢量，有大小和方向，結(jié)合剛才的實驗和已有的知識，請再猜一猜：洛倫茲力的方向與哪些因素有關(guān)呢？（課件展示：問題2）
生（預(yù)測）：與磁場的方向有關(guān)，與運動電荷的速度方向有關(guān)……（副板書）
師：要研究這樣一量和多量的關(guān)系，用什么方法？
生（預(yù)測）：控制變量法
師：讓我們回到剛才的實驗，如何獲得這三個物理量的方向呢？（課件展示）
生（預(yù)測）：根據(jù)正負接線柱可以知道速度的方向
根據(jù)磁場的N極和S極可以知道磁場的方向
根據(jù)電子束的偏轉(zhuǎn)方向可以知道力的方向……
師：為了便于記錄實驗結(jié)果，請大家看我的示范，根據(jù)實驗步驟和組內(nèi)分工，開始實驗。
生：分組進行實驗
師：指導(dǎo)學(xué)生進行實驗
師：我看同學(xué)們已完成實驗操作，請各小組到前面來展示你們組的實驗記錄結(jié)果。
生：四組代表到前面展示記錄結(jié)果，
師：看看剛才的猜想洛倫茲力的方向與B的方向、v的方向有關(guān)是否正確？
生（預(yù)測）：正確，因為如果改變磁場的方向或改變電荷運動速度方向，力的方向會發(fā)生變化……
師：好的，那三者存在怎樣的空間關(guān)系？
生（預(yù)測）：三者兩兩垂直關(guān)系
師：這樣看起來比較麻煩，可用什么簡潔的方法體現(xiàn)這三者的方向關(guān)系呢？
生（預(yù)測）：左手定則，（可能會有伸右手的，如果有伸右手的，就請伸右手的學(xué)生展示描述）
師：那你如何把這三個量的方向在左手上體現(xiàn)呢？
生（預(yù)測）：磁場方向垂直過掌心，四指指向正電荷的運動方向，大拇指指向洛倫茲力的方向，
師：好的，這種判斷方法稱為“左手定則”（板書：二、方向判定法則：左手定則）
師：這是我們以正電荷為研究對象總結(jié)出的法則，如果以自由電子為研究對象，能得到判定法則嗎？
生（預(yù)測）：只需將四指的指向負電荷（自由電子）運動的反方向即可，
師：課件展示左手定則的完整內(nèi)容
【設(shè)計說明】
1.將猜想與假設(shè)、方案設(shè)計、實驗操作、結(jié)果分析、得出結(jié)論這一完整的實驗探究過程作呈現(xiàn)，再次告訴學(xué)生實驗在物理學(xué)學(xué)習(xí)過程中的重要性；
2.學(xué)生又分組做“旋轉(zhuǎn)液體”實驗，基于實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生探究得出洛倫茲力的方向與速度方向、磁場方向存在一定關(guān)系，讓學(xué)生找到左手可以表示這些關(guān)系，左手定則就這樣出現(xiàn)，而非類比安培力；潛移默化的告訴學(xué)生這僅僅是一種表示方法。
3.由于學(xué)生動手實驗?zāi)芰赡茌^弱，再加上利用控制變量法、等效替換法等，學(xué)生可能感到比較困難。
師：既然洛倫茲力也用左手定則去判斷，那么它和安培力有什么聯(lián)系嗎？（課件展示）
生（預(yù)測）：宏觀和微觀關(guān)系……
師：板書：三、洛倫茲力和安培力本質(zhì)相同
微觀本質(zhì) 宏觀體現(xiàn)
師：既然安培力和洛倫茲力本質(zhì)相同，那么為什么不叫安培力而叫洛倫茲力呢？
師：前后相差70多年時間，物理學(xué)每向前進步一點點，都是很不容易的……
【設(shè)計說明】
簡介物理學(xué)史，提升課堂內(nèi)涵，進而落實情感態(tài)度價值觀目標。
師：探討了方向，請問洛倫茲力大小與哪些因素有關(guān)呢？（課件展示）
生（預(yù)測）：與v大小有關(guān)，與B強弱有關(guān)，q，m……
師：再次回到剛才的實驗，磁場的強弱可用磁體的大小產(chǎn)生的磁場知道，速度的大小可用電壓大小（電場的強弱知道）知道，按照學(xué)案上實驗步驟和組內(nèi)分工進行實驗去定性探究猜想是否正確。
生：分組進行實驗
師：指導(dǎo)學(xué)生進行實驗
師：同學(xué)們已完成實驗操作，哪位同學(xué)能代表你組展示實驗記錄結(jié)果？
生（預(yù)測）：展示實驗記錄結(jié)果，定性介紹如果運動電荷速度確定，磁場越強洛倫茲力越大；如果磁場強弱確定，運動電荷速度越大洛倫茲力越大。
師：那它們之間究竟存在怎樣的定量關(guān)系呢？
師：展示課件：
有一端長為L的通電導(dǎo)線，橫截面積為S，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，定向運動的平均速率為v，把這段導(dǎo)線垂直地放入磁感應(yīng)強度為B 的勻強磁場中，求：每個自由電荷受到的洛侖茲力f 的大小 ?
（1）寫出這段導(dǎo)線中的電流I的微觀表達式（用n、q、S、v表示）
（2）寫出這段導(dǎo)線所受到的安培力F的表達式
（3）這段導(dǎo)線中運動電荷的總數(shù)N為多少？
（4）導(dǎo)線中所有定向運動自由電荷所受洛倫茲力f總體效應(yīng)表現(xiàn)為導(dǎo)線所受到的安培力F，寫出f的表達式（用q、v 、B表示）
生：認真閱讀，仔細思考，組內(nèi)討論，展示理論探究過程。
師：板書：四、f=qvB
師：公式成立的條件是？
生（預(yù)測）：v和B垂直關(guān)系
師：如果不垂直呢？
生（預(yù)測）：f=qvBsinθ
【設(shè)計說明】
由實驗定性探究到理論定量探究，引導(dǎo)學(xué)生自主生成洛倫茲力大小的計算公式。
師：請大家思考我們觀看的極光視頻后留給你的兩個問題？
師：大家請看這是電視機顯像管原理示意圖（課件展示），簡介電視機顯像管原理示意圖。
師：現(xiàn)在大家能知道圖像變形、偏移的原因了嗎？
師生互動：完成對電視機熒光屏中圖像偏移、變形的分析。
【設(shè)計說明】
再回到新課的開始，呼應(yīng)開頭，回歸到生活，解決生活的實際問題，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。
師(課堂小結(jié))：哪位同學(xué)能對本節(jié)課進行總結(jié)？
生（預(yù)測）：在知識的層面，在知道運動電荷在磁場中確實受到力的作用，這個力叫做洛倫茲力，同時知道洛倫茲力的方向如何判斷，大小如何計算。
師：課后思考：
1.f=qvBsinθ的速度v是相對于什么參考系的？
2.安培力可對磁場中通電導(dǎo)線是做功，既然洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)，那么洛倫茲力對運動電荷也做功嗎？
七、板書設(shè)計
運動電荷在磁場中受到的力
一、洛倫茲力
二、洛倫茲力和安培力的本質(zhì)相同
三、方向
判斷方法：左手定則
四、大小f=qvBsinθ
五、應(yīng)用
學(xué)情分析
學(xué)情分析：
1.知識與能力基礎(chǔ) ：學(xué)生已具備力學(xué)、電磁學(xué)相關(guān)知識，學(xué)習(xí)完磁場對通電導(dǎo)線作用即安培力。并且也熟悉一直以來物理學(xué)的“提出問題—猜想假設(shè)—實驗驗證”的科學(xué)探究方法。而且高二的學(xué)生已經(jīng)有了一定的觀察、分析、推理能力及空間想象能力，是學(xué)習(xí)洛侖茲力的能力基礎(chǔ)
2.思維障礙：對微觀粒子具體運動形態(tài)模糊不清，容易導(dǎo)致洛倫茲力大小學(xué)習(xí)過程產(chǎn)生困難。
效果分析
看課堂教學(xué)效果是評價課堂教學(xué)的重要依據(jù)。本課從提出問題到實驗探究，分析問題，解決問題后又誘使學(xué)生提出新的問題，從問題開始，通過實驗探究，最后又以問題結(jié)束，體現(xiàn)了一種全新的以問題為主鏈的課堂學(xué)習(xí)模式，教學(xué)效率高，學(xué)生思維活躍，氣氛熱烈，雙邊活動較多。大部分學(xué)生參與了課堂教學(xué)中的思考過程。按照課程標準的要求，不僅學(xué)生的化學(xué)知識與技能，還包括解決問題的能力、思考能力和情感、態(tài)度、價值觀都得到了
發(fā)展。此外，學(xué)生受益面大，不同程度的學(xué)生在原有基礎(chǔ)上都有進步。有效利用40分鐘，學(xué)生學(xué)得輕松愉快，積極性高，當堂問題當堂解決，學(xué)生負擔合理。
教材分析
教材分析：
1.物理學(xué)體系中本章是經(jīng)典電磁學(xué)理論的基本內(nèi)容，而本節(jié)課是安培力的延續(xù)，又是后面學(xué)習(xí)帶電體在磁場中運動的基礎(chǔ)，反應(yīng)磁場和運動電荷的相互作用，是學(xué)生后面了解現(xiàn)代科技回旋加速器，質(zhì)譜儀，磁流體發(fā)電機等的基礎(chǔ)，還是力、電、磁綜合問題分析中重要的一部分。從新課程改革以來，幾乎每年高考都有涉及洛侖茲力的計算大題，由此，足以說明其重要性。
