人教版(新教材)高中物理選擇性必修2教學(xué)設(shè)計1：1 2磁場對運動電荷的作用力教案

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE11.2磁場對運動電荷的作用力〖教材分析〗洛倫茲力是安培力的延續(xù)，也為下一節(jié)《帶電粒子在勻強磁場中的運動》做好基礎(chǔ)。本節(jié)起到承上啟下的作用。用作左手定則判斷負(fù)電荷的受力情況比較容易出錯，這點是本節(jié)的難點容之一?！冀虒W(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)〗物理觀念：通過觀察電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)，體會洛倫茲力概念的生成。科學(xué)思維：通過洛倫茲力方向及大小的學(xué)習(xí)，體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用。科學(xué)探究：運用陰極射線管研究洛倫茲力，能在具體問題中用左手定則判斷洛倫茲力方向?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過電視顯像管工作原理分析，體會科學(xué)技術(shù)對社會發(fā)展的促進作用?！冀虒W(xué)重難點〗教學(xué)重點：洛倫茲力的大小計算和方向判定。教學(xué)難點：用左手定則判定洛倫茲力的方向。〖教學(xué)過程〗一、新課引入我們知道，磁場對通電導(dǎo)線有作用力；我們還知道，帶電粒子的定向移動形成了電流。那么，磁場對運動電荷有作用力嗎？如果有，力的方向和大小又是怎樣的呢？展示圖片：介紹陰極射線管——觀察電子束運動軌跡的裝置。二、新課教學(xué)（一）洛倫茲力的方向課本的演示實驗：觀察電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)（閱讀），分別用演示①沒有磁場時的徑跡，②有磁場（改變磁場）時的徑跡?，F(xiàn)象1：由于電子束的速度很快重力可以忽略，所以這次咱們看到的軌跡是一條直線?，F(xiàn)象2：加上一個這個方向的磁場，那么軌跡就會向下彎曲，而不再是直線。現(xiàn)象3：把磁場方向調(diào)換過來，那么電子束的軌跡變?yōu)橄蛏蠌澢?。這些現(xiàn)象說明電子在運動過程中受到磁場對它的作用力，電子束受到磁場的力的作用，徑跡發(fā)生了彎曲。這個現(xiàn)象由荷蘭物理學(xué)家洛倫茲于1895年發(fā)現(xiàn)，為了紀(jì)念他就把這種力稱為洛倫茲力。結(jié)論：運動電荷在磁場中受到的力稱為洛倫茲力。問題：那么洛倫茲力和安培力之間存在怎么樣的關(guān)系呢？1.洛倫茲力與安培力的關(guān)系在磁場中的通電導(dǎo)線會受到安培力的作用，導(dǎo)線必須有電流通過才有可能受到安培力，而電流是由電荷的定向移動形成的，導(dǎo)線中每一個定向移動的電荷都會受到洛倫茲力的作用，所以洛倫茲力的矢量和就是安培力，公式表達那就是F安=N·F洛。也可以說洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)，而安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。即通電導(dǎo)線在磁場中受到的安培力，實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。2.洛倫茲力與磁場、電子速度的關(guān)系剛才的實驗中運動軌跡發(fā)生了彎曲，根據(jù)曲線運動的條件，可知并洛倫茲力的方向與電子的運動方向并不在同一條直線上，導(dǎo)致了電子運動方向變化。實驗表明運動的帶電粒子在磁場中所受洛倫茲力的方向，與運動方向和磁感應(yīng)強度的方向都垂直。和前面一樣畫成立體圖形就是這樣的。洛倫茲力垂直于B垂直于v，也就是垂直于Bv所在的平面，但是B與v不一定垂直。問題：那么洛倫茲力的方向要怎么判斷呢？3.洛倫茲力的方向思考與討論：我們曾經(jīng)用左手定則判定安培力的方向。能不能用類似的方法判定運動電荷的受力方向?剛才說了安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，判斷安培力的方向用左手定則。那洛倫茲力的方向當(dāng)然也可以用左手定則了。現(xiàn)在用這個圖來檢驗一下看看。安培力的左手定則，是這樣的四指指向電流方向，磁感線扎手心，拇指方向就是安培力方向。電流是由電荷運動形成的，我們以正電荷為例，用法跟之前完全一樣。即伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內(nèi)；讓磁感線從掌心垂直進入，并使四指指向正電荷運動的方向，這時拇所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。即不過要注意一下電流方向，對于正電荷，電流方向就是它的運動方向；對于負(fù)電荷，電流方向就與它運動方向相反?；仡檮偛诺难菔緦嶒灐４鸥芯€由N極指向S極，讓磁感線垂直穿過手心，四指要指向電流的方向，電子是負(fù)電荷所以電流方向與運動方向相反，那么拇指指向就是洛倫茲力的方向。電子束就向上彎曲，與咱們的實驗結(jié)果一致。（二）洛倫茲力的大小上次咱說了安培力和洛倫茲力的關(guān)系。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本質(zhì)。那我們就根據(jù)這個關(guān)系來推導(dǎo)洛倫茲力的大小。思考與討論：如何由安培力的表達式推導(dǎo)出洛倫茲力的表達式？1.設(shè)靜止導(dǎo)線中定向運動的帶電粒子的速度都是v，單位體積的粒子數(shù)為n。算出一段導(dǎo)線中的粒子數(shù)，這就是在時間t內(nèi)通過橫截面S的粒子數(shù)。如果每個粒子的電荷量記為q，由此可以算出q與電流I的關(guān)系。I=nqsv2.寫出這段長為vt的導(dǎo)線所受的安培力F安。F安=BIL=B·nqsv·vt3.求出每個粒子所受的力，它等于洛倫茲力F洛。這時許多中間量，如n、v、s、t等都應(yīng)不再出現(xiàn)。這樣我們就得出來單個電荷在磁場中受到洛倫茲力的表達式。電荷量為q的粒子以速度v運動時，如果速度方向與磁感應(yīng)強度方向垂直，那么粒子所受的洛倫茲力為：F洛=qvB式中力F、磁感應(yīng)強度B、電荷量q、速度v的單位分別為牛頓（N）、特斯拉（T）、庫侖（C）、米每秒（m/s）。剛才討論過程中，導(dǎo)線和B方向垂直，那v也就和B垂直。這也是這個公式的使用條件。即①當(dāng)v垂直B時：F洛=qvB；②當(dāng)v∥B時：F洛=0。問題：如果v和B不垂直，比如像這個圖這樣，又該怎么算呢？很簡單，只需要將v這樣正交分解。垂直于v的分量等于vsinθ，平行于v的分量等于vcosθ，平行于v的分量不產(chǎn)生洛倫茲力，只有垂直于v的分量產(chǎn)生洛倫茲力。把它乘上F洛=qvB，就得F洛=qvBsinθ當(dāng)θ=0時sinθ=0，也就是前面說的兩者平行：F洛=0。當(dāng)θ=90°時sinθ=1，也就是前面說的兩者垂直：F洛＝qvB。（三）電子束的磁偏轉(zhuǎn)洛倫茲力的方向與粒子的運動速度方向垂直，當(dāng)粒子在磁場中運動時，因受到洛倫茲力的作用，就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。顯像管電視機中就應(yīng)用了電子束磁偏轉(zhuǎn)的原理。展示顯像管圖片：介紹顯像管。顯像管中有一個電子槍，工作時它能發(fā)射高速電子。撞擊熒光屏，就能發(fā)光。可是，很細的一束電子打在熒光屏上只能使一個點發(fā)光，要使整個熒光屏發(fā)光，就要靠磁場來使電子束偏轉(zhuǎn)了。思考與討論從圖中可以看出，沒有磁場時電子束打在熒光屏正中的O點。為使電子束偏轉(zhuǎn)，由安裝在管頸的偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場。1.要使電子束在水平方向偏離中心，打在熒光屏上的A點，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該沿什么方向?（垂直紙面向外，注意四指的方向）2.要使電子束打在B點，磁場應(yīng)該沿什么方向?（垂直紙面向里）3.要使電子束打在熒光屏上的位置由B點逐漸向A點移動，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該怎樣變化?（磁場先垂直紙面向里逐漸減小，再垂直紙面向外逐漸增大）實際上，在偏轉(zhuǎn)區(qū)的水平方向和豎直方向都有偏轉(zhuǎn)磁場，其方向、強弱都在不斷變化，因此電子束打在熒光屏上的光點就像圖那樣不斷移動，這在顯示技術(shù)中叫作掃描。電子束從最上一行到最下一行掃描一遍叫作一場，電視機中的顯像管每秒要進行50場掃描，所以我們感到整個熒光屏都在發(fā)光?！及鍟O(shè)計〗1.2磁場對運動電荷的作用力1.洛倫茲力∶運動電荷在磁場中受到的作用力。2.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本質(zhì)。3.洛倫茲力的方向既垂直于磁場，又垂直于速度，即垂直于，v和B所組成的平面。