探究洛倫茲力的思考與實(shí)踐(fanbo)

1、探究洛倫茲力的教學(xué)思考與實(shí)踐佛山市順德區(qū)第一中學(xué) 范波（528300）摘要：在探究洛倫茲力的教學(xué)中我認(rèn)為主要有三個(gè)難點(diǎn)問題：一是如何提高實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視性；二是如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究帶電粒子的速度方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，帶電粒子不受洛倫茲力；三是如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究洛倫茲力大小的相關(guān)因素。 關(guān)鍵詞：洛倫茲力 可視性 實(shí)驗(yàn)探究洛倫茲力是高中物理學(xué)習(xí)過(guò)程中完成了安培力的學(xué)習(xí)之后進(jìn)行的學(xué)習(xí)內(nèi)容。洛倫茲力是微觀帶電粒子在磁場(chǎng)中的受力，如何更直觀、有效的在教學(xué)實(shí)踐中完成對(duì)洛倫茲力相關(guān)因素的探究是我們中學(xué)物理教師都曾思考過(guò)的一個(gè)問題。在探究洛倫茲力的教學(xué)中我認(rèn)為主要有三個(gè)難點(diǎn)問題：一是如何提高實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視性；二是如何

2、通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究帶電粒子的速度方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，帶電粒子不受洛倫茲力；三是如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究洛倫茲力大小的相關(guān)因素。下面我就圍繞這三個(gè)問題談?wù)勎业恼J(rèn)識(shí)與實(shí)踐。一、 如何提高實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視性。陰極射線管是本節(jié)教學(xué)的必需裝置。正常工作時(shí)其熒光屏上電子徑跡亮度較高，在研究洛倫茲力的方向時(shí)電子束的偏轉(zhuǎn)情況可視性較好，無(wú)需其他設(shè)備的輔助即可完成洛倫茲力方向滿足左手定則的判定，但是對(duì)于學(xué)生觀察電子徑跡偏轉(zhuǎn)的微小變化的情況可視性較差。利用洛倫茲力演示儀觀察電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)，限于電子徑跡的亮度低，可視性差，教學(xué)過(guò)程中一般是學(xué)生輪流到儀器前觀察，教師反復(fù)改變勵(lì)磁電流與加速電壓的大小，讓學(xué)生觀察圓周運(yùn)動(dòng)半

3、徑的變化，全部學(xué)生觀察完畢后再討論電子圓周運(yùn)動(dòng)半徑大小的相關(guān)因素。這個(gè)過(guò)程不但時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)節(jié)繁，而且對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件的變化情況，全部學(xué)生不能同步進(jìn)行討論。為了解決電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)徑跡可視性差的問題，我進(jìn)行了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)與比較后發(fā)現(xiàn)實(shí)物投影儀可以完美解決這個(gè)的問題，用實(shí)物投影儀投影電子運(yùn)動(dòng)徑跡的關(guān)鍵操作是對(duì)實(shí)物投影儀的亮度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，我們降低實(shí)物投影儀的亮度設(shè)置直到投影屏幕上能夠清晰看到陰極射線管中綠色的電子運(yùn)動(dòng)徑跡或者洛倫茲力演示儀中電子圓周運(yùn)動(dòng)的徑跡。實(shí)驗(yàn)條件的改變情況與電子運(yùn)動(dòng)徑跡的微小變化通過(guò)實(shí)物儀都能同步投影到大屏幕上，可視性很好。教學(xué)實(shí)踐證明，利用實(shí)物投影儀解

4、決電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)徑跡可視性差的問題不但可行，而且效果頗佳。二、 帶電粒子速度方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)不受洛倫茲力的實(shí)驗(yàn)探究高中物理實(shí)驗(yàn)室配備的洛倫茲力演示儀本身可以完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，由于洛倫茲力演示儀一般是半密封結(jié)構(gòu)，只有垂直螺線管軸線的一面開放作為觀察通道。調(diào)節(jié)電子束速度方向與磁場(chǎng)方向夾角時(shí)由于觀察角度的限制與電子運(yùn)動(dòng)軌跡的亮度低，電子束的偏轉(zhuǎn)情況不夠直觀，可視性也不好。為了使實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象更加直觀，我對(duì)本實(shí)驗(yàn)做了如下的設(shè)計(jì)：（一） 勻強(qiáng)磁場(chǎng)的獲得改裝洛倫茲力演示儀，去除外殼與電子槍部分，將螺線管裸露在空氣中。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只利用洛倫茲力演示儀的磁場(chǎng)控制部分，根據(jù)右手螺旋定則，螺線管通電后內(nèi)部磁場(chǎng)方向與其軸

5、線方向平行，可近似為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。（二） 研究對(duì)象的獲得陰極射線管產(chǎn)生的定向運(yùn)動(dòng)的電子束作為研究對(duì)象，因?yàn)闊晒馄辽想娮舆\(yùn)動(dòng)的徑跡亮度高，可視性較好。陰極射線管的方位方便控制。（三） 實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程1、螺線管通電，并利用靜止的小磁針驗(yàn)證螺線管中磁場(chǎng)的產(chǎn)生。調(diào)整螺線管的位置，使其軸線與學(xué)生視線基本垂直。2、將陰極射線管放置在兩個(gè)圓形線圈之間，利用墊塊調(diào)整其高度使得陰極射線管的軸線與螺線管的軸線基本重合。3、斷開螺線管勵(lì)磁電流開關(guān)，接通陰極射線管高壓電源，學(xué)生觀察電子運(yùn)動(dòng)的徑跡；接通螺線管勵(lì)磁電流開關(guān)，觀察陰極射線管中電子運(yùn)動(dòng)的徑跡。若按要求將陰極射線管的軸線調(diào)整到與螺線管軸線基本重合，電子運(yùn)動(dòng)徑跡無(wú)明顯

6、變化。4、用絕緣塑料棒輕輕撥動(dòng)陰極射線管，讓它水平內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，學(xué)生會(huì)觀察到電子運(yùn)動(dòng)的徑跡會(huì)豎直平面內(nèi)發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)。在0到90范圍內(nèi)，陰極射線管水平轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大，電子徑跡的偏轉(zhuǎn)就越大。（四）、實(shí)驗(yàn)結(jié)論（1）根據(jù)左手定則可判定，洛倫茲力的方向與v的方向垂直。若電子運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的徑跡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明電子受到的洛倫茲力為零。即當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷速度的方向與磁場(chǎng)的方向平行時(shí)，電荷不受洛倫茲力。（2）在其他條件不變的情況下，洛倫茲力的大小跟電荷速度方向與所在磁場(chǎng)方向的夾角有關(guān)。在0到90范圍內(nèi)，夾角越大其所受洛倫茲力就越大。（3）不計(jì)電荷重力。根據(jù)左手定則，運(yùn)動(dòng)電荷所受洛倫茲力方向與磁場(chǎng)方向垂直，又P=FV

7、cos，所以洛倫茲力不對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷做功。根據(jù)軌跡曲線的形狀與運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)可以判定電荷所做運(yùn)動(dòng)為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，軌跡曲線為圓周的一部分。最好能用軟件仿真物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真模擬分析。三、在電荷速度方向與磁場(chǎng)方向垂直的情況下探究洛倫茲力大小相關(guān)因素根據(jù)定義，運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的磁場(chǎng)力叫洛倫茲力。學(xué)生可以很順利的猜想到洛倫茲力大小相關(guān)的因素：磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，電荷運(yùn)動(dòng)的速度，電荷的電量。其中洛倫茲力大小與磁場(chǎng)強(qiáng)弱和電荷運(yùn)動(dòng)速度大小的定性關(guān)系可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視性，本實(shí)驗(yàn)要利用實(shí)物投影將實(shí)驗(yàn)過(guò)程投影到大屏幕上放大進(jìn)行觀察。探究過(guò)程如下： （一）電子速度大小一定的情況下，洛倫茲力大小與磁場(chǎng)強(qiáng)弱的關(guān)

8、系。將陰極射線管垂直螺線管軸線方向放置。陰極射線管接通高壓電源，調(diào)節(jié)合適的勵(lì)磁電流使得運(yùn)動(dòng)電子束發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流旋鈕，學(xué)生觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。1、勵(lì)磁電流增大時(shí)，磁場(chǎng)增強(qiáng)，電子運(yùn)動(dòng)徑跡偏轉(zhuǎn)加劇，圓周運(yùn)動(dòng)半徑減??；2、勵(lì)磁電流較小時(shí)，磁場(chǎng)減弱，電子運(yùn)動(dòng)徑跡偏轉(zhuǎn)變小，圓周運(yùn)動(dòng)半徑增大。不計(jì)電子重力的情況下，洛倫茲力是電子圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，根據(jù)f=mv2/R，R越小則f越大。故可得結(jié)論：磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，電子所受的洛倫茲力就越大。（二）磁感應(yīng)強(qiáng)度一定的情況下，洛倫茲力大小與電子運(yùn)動(dòng)速度大小的關(guān)系。如上述的實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)節(jié)合適的螺線管勵(lì)磁電流與陰極射線管的高壓，讓運(yùn)動(dòng)電子在磁場(chǎng)中發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)

9、。調(diào)節(jié)高壓電源的電壓，學(xué)生觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。1、升高陰極射線管高壓電源電壓，電子速度增大，運(yùn)動(dòng)軌跡的偏轉(zhuǎn)減小，圓周運(yùn)動(dòng)半徑增大；2、降低陰極射線管高壓電源電壓，電子速度較小，運(yùn)動(dòng)軌跡的偏轉(zhuǎn)加劇，圓周運(yùn)動(dòng)半徑減小。根據(jù)f=mv2/R，v越大R也越大。還不能直接得出洛倫茲力增大還是減小的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)論依然是：洛倫茲力大小可能與v有關(guān)。既然不能得出確定的結(jié)論，為什么要設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？在下面的教學(xué)環(huán)節(jié)中可以通過(guò)理論推算得出f=qvB，進(jìn)一步可推得電子在磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R=mv/qB。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以證明理論推算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，證明理論推算的結(jié)果是正確的。當(dāng)然在教學(xué)過(guò)程中，洛倫茲力公式由實(shí)驗(yàn)并不能直接得出，還需要進(jìn)行一個(gè)理論探究。根據(jù)洛倫茲力是安培的微觀原因，利用I=Q/t，F(xiàn)=BIL從理論上可推出f=qvB。如前所述，上述探究實(shí)驗(yàn)證明該理論探究結(jié)果正確。四、真實(shí)實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)電荷電量的多少是影響洛倫茲力大小的一個(gè)因素，但是中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中難以獲得不同電量的帶電粒子作為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。仿真實(shí)驗(yàn)是解決這個(gè)問題的最佳途徑了，我們可以通過(guò)專業(yè)軟件如仿真物理實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)設(shè)理想的