1.2 洛伦兹力 教学设计 -2024-2025学年高二下学期物理鲁科版（2019）选择性必修第二册

1.2《洛伦兹力》教学设计 一、教材分析 本节是鲁科版教材中的选择性必修第二册第 1 章第 2 节，主要介绍磁场对运动电荷的作用力，通过实验探究洛伦兹力方向的判定方法，并由安培力理论推导出洛伦兹力的大小，分析带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨迹，导出轨迹半径和周期。本节既是上一节安培力内容的延续和深化，也是解释与微观带电粒子运动有关的宏观物理现象的基础，在学生的知识结构和认知领域上都起着承上启下的作用。 二、课标分析 《普通高中物理课程标准》的内容标准中，涉及本节的内容有：“能用洛伦兹力分析带 电粒子在匀强磁场中的圆周运动。了解带电粒子在匀强磁场中的偏转及应用。”根据课标要 求，学生要通过实验和理论推导，学会判断洛伦兹力方向和计算洛伦兹力大小，能用洛伦兹 力分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动，进而将所学知识应用到生产生活中。 三、学情分析 探究洛伦兹力所需要的知识和原理包括安培力公式、电流的微观表达式以及磁感应强度 等，在本节之前的学习中均有涉及。因此学生具备相应的知识基础参与本节的探究过程。 四、重难点分析 重点：安培力本质的理解，洛伦兹力方向的判断和大小的计算 难点：理解洛伦兹力是安培力的微观本质，洛伦兹力计算公式的推导过程 五、学习目标 物理观念 (1)通过实验,认识洛伦兹力,了解洛伦兹力在生产生活中的应用 (2)了解霍尔元件的基本构造及工作的基本原理 科学思维 (1)能判断洛伦兹力的方向,会计算洛伦兹力的大小 (2)经历由安培力公式推导出洛伦兹力公式的过程，体会模型建构与演绎推理的方法 (3)能推导出垂直入射的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，并推导运动的半径、周期公式，解答简单问题。 科学探究 通过实验探究影响洛伦兹力的方向和大小的因素 科学态度与责任 认识霍尔元件,体会物理知识与科学技术的关系 教学 环节 教学活动 发生顺序 教师活动 学生活动 设计意图 1．引入 事件 1 电动车车把是如何改变电动车车速的？ 课前预习 设置悬念，激发兴趣和求知欲 2．定义 洛伦兹力 事件 2 分组实验：观察阴极射线在磁场中的 偏转，思考并回答下列问题。 （1）把条型磁铁 N 极垂直于荧光屏 从前方靠近阴极射线管，电子的轨迹 发生了什么变化？说明了什么？猜 测其受力方向并在图中标出。 （2）将磁铁 N、S 极的位置对调，观 察阴极射线的轨迹是否发生变化？ 说明了什么？猜测其受力方并在图 中标出。 个别学生回 答： 现象：当阴极射线管的 周围不存在磁场时，电子的 运动轨迹是直线；当阴极射线管的周围存在磁场时，电 子的运动轨 迹是曲 线 ； 当调转磁极时，电子偏转方向发生改变。结论：磁场对运动电荷有力的作用。 对现象有直观的认知 3. 探 究 洛 伦 兹 力 的 方向 事件 3 （1）对比安培力和洛伦兹力，两者 有什么关系和区别？ （2）通过对比安培力和洛伦兹力关 系，猜测如何判断洛伦兹力的方向？ （3）思考洛伦兹力方向与磁场方向 和电荷的运动方向有什么关系？它 在改变带电粒子运动时有何作用？ 洛伦兹力对带电粒子做功吗？ 学生思考回答： 1、安培力洛 伦兹力的宏观表现。 2、洛伦兹力方向由左手定则判定：伸出左手，拇指与其余四指垂直，且都与手掌处于同一平面内，让磁感线垂直穿过 手心，四指指向正电荷运动的方向，那么拇 指所指的方 向就是正电荷所受 洛伦兹力的方向。负电荷所受力 的方向与正 电荷所受力 的方向相反。 3、洛伦兹力与磁场方向垂直，与速度方向垂直，对带电粒子不做功，只改变速度的方向不 改变速度的大小。 通过实验探究猜测洛伦兹力方向的判定方法并验证 4．探 究 洛 伦 兹 力 的 大小 事件 4 猜测安培力和洛伦兹力的大小关系？ 学生思考、讨论得到 相关物理关系： I=nqsv F=nf 事件 5 模型建立:如图设导线横截面积为 S，单位体积中含有的自由电子数为 n，每个自由电子的电荷量为 e，定向移动的平均速率为 v，垂直于磁场方向放入磁感应强度为 B 的磁场中。截取一段长 度 l＝vΔt 的导线。 思考一: （1）这段导线中所含的自由电子数 N （2）通过导线横截面的电荷Δq （3）通过导线的电流 I （4）这段导线所受到的安培力 F （5）每个自由电子所受到的洛伦兹力f 学生思考、讨论得到洛伦 兹力的表达 式 f=qvB 培养学生物理模型建构能力 事件 6 思考： （1）上面推导出的洛伦兹力大小计 算公式的使用条件是什么？ （2）当电荷速度 v 的方向与磁感应 强度 B 的方向平行时，洛伦兹力的大小 f 如何？ （3）当电荷速度 v 的方向与磁感应 强度 B 的方向夹角为θ时，洛伦兹力的大小 f 该怎样来计算？试推导。 归纳总结：洛伦兹力的大 小 ： f＝qvBsinθ，θ为电荷运动的方向与磁感 应强度方向 的夹角。 (1)当 θ＝90°时， v⊥B， f＝qvB，即运 动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力最大。 (2)当θ＝0 时， f＝0，即运动方向与磁 场方向平行时，不受洛伦兹力。 培养学生思考能 力 事件 7 （1）猜测垂直射入匀强磁场中的运 动电荷做什么运动。 （2）用洛伦兹力演示仪进行演示。 （3）分析带电粒子在匀强磁场中的运动特点，推导出半径和周期的表达式 模型建立:质量为 m,电量为 q 的粒子,以速度 v 垂直射入匀强磁场 B 中，忽略粒子受到的重力，试写出动力学方程，并推导出周期和半径表达式。 学生回答： 1.垂直射入匀强磁场中的 运动电荷受 到的洛伦兹 力不与磁感应强度方向垂直，而且总与 速度方向垂直，因此伦兹力不对运动电荷做功，它不 改变运动电 荷的速率，只改变运动电荷 的运动方 向 。 因此，运动电荷垂直射入磁场后，在磁场中做圆周运动。 2. (1)带电粒子在磁场中的运动半径带 粒子在磁场 中做圆周运动时，轨道半径 与粒子的运 动速率正比，与比荷、磁感应强度成反比。 (2)带电粒子圆周运动的周期 带电粒子在磁场中做圆周运动时，轨道周期与粒子的质量成正比，与比荷、磁感应强度成反比。但是与轨道半径和速率无关。 培养学生思考推理能力 5．应 用-探究 电 动 车 上 霍 尔 元 件 的 应 用 及 原 理 事件 8 （1） 拆解电动车调速把手，了解构 造； （2）演示实验：将电动车输出信号接 到电压传感器上，通上 4.5V 直流电压，转动车把，改变磁铁和霍尔元件的相对位置，观察输出电压的大小变化； 演示实验 学生直观感受电压变化 事件 9 模型建立:将一高为h 的导体导电薄板放入垂直于板的匀强磁场B 中，当的电流通过时，运动电荷会在磁场的作用下向导电薄板某边发生偏转，这样就使导电薄板两边聚集了正、负电荷。使导电薄板两边出现了电势差，称霍尔电压。当产生的电压稳定后。粒子受到的电场力与洛伦兹力平衡。 学 生 分 析 推 导 得 到 归 纳 ： 霍 尔 电压:U=Bvh 培养学生思考推 理能力 六、教学体会与反思 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。本次教学中，我首先以电动车车把工作原理为导入，激发学生学习兴趣，然后以磁场对电流有作用力和电流是电荷的定向运动这两个依据提出假设：磁场对运动电荷有作用力。再通过阴极射线受磁场作用发生偏转验证洛伦兹力的存在，让学生体验"推理假设一验证"的科学思维方法。接着从安培力到洛伦兹力的推理，让学生推导如何判断洛伦兹力方向。之后根据安培力和洛伦兹力的联系，建立物理模型导出洛伦兹力公式，学生通过自己的探索提高了分析推理以及综合运用知识的能力。之后通过演示实验让学生看到带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹半径的变化，在此基础上引导学生运用已有的动力学和圆周运动知识，推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期。最后，回归到电动车车把原理的问题上，提出霍尔元件，引导学生思考并推导出霍尔电压的表达式，从而揭示电动车车把工作原理，形成学习闭环。 学科网（北京）股份有限公司 $$