“判实验之美,格物以致知”

张凯

摘要：本文作者在刚结束的重庆市中学物理青年教师优质课大赛决赛中获得一等奖。比赛题目是司南版选修3－2中《磁场对运动电荷的作用》，本文系作者参赛时所用的教学设计。该设计注重实验在物理学科中的独特作用，强调科学探究时思想与方法的渗透。为我们展现了一节新课程理念下的规律探究课。同时，本文也是江津中学在课改中探索物理教学模式的成果之一。

关键词：洛伦兹力：磁场；左手定则

中图分类号：G633，7

文献标识码：A

文章编号：1003-6148(2012)1(S)-0004-3

司南版选修3－2第六章第2节：《磁场对运动电荷的作用》。

知识与技能：(1)认识洛伦兹力的产生条件；(2)能够计算洛伦兹力的大小；(3)掌握洛伦兹力方向的判断方法——左手定则。

过程与方法：(1)学生通过实验观察，加深对洛伦兹力产生条件、研究方法的认识与理解；(2)培养学生对新物理知识的学习能力，从方法论的角度体味研究物理问题的途径。

情感、态度与价值观：(1)培养学生对物理规律客观性和科学性的认识；(2)在研究物理问题中体会物理学研究思想的价值；(3)体会物理学与现实生活、自然社会的联系；(4)认识交流、合作的重要性，有主动与他人合作的精神。

重点：洛伦兹力的大小、方向

难点：洛伦兹力大小的理论推导、左手定则

教具：阴极射线管、低压气体发光管、高压感应圈、学生电源、高强磁铁、静电感应起电机、亥姆霍兹线圈、绝缘棒、锡箔小球、细铜丝、铁架台等

新课引入

“判天地之美，格物以致知”，很高兴同大家继续探索电与磁的世界。

1820年，丹麦物理学家奥斯特在一次偶然的实验中发现：通电导线可以对附近的小磁针产生力的作用。受此启发，法国物理学家安培研究后证实：磁场对放入其中的通电导线有力的作用。不妨让我们从电与磁相互作用的角度进行一下推想：既然磁场对电流有力的作用，那么，磁场对电荷是否也有力的作用呢?

1洛伦兹力产生的条件

(师)先看一个实验：一根细长的金属丝跨过绝缘棒，一端悬挂一个锡箔纸做的轻质小球，另一端连接静电感应起电机(如图1)。摇动起电机：小球下方的金属箔片张开，小球带了电。

再看，绝缘棒上还悬有另一个相同的锡箔小球，也同感应起电机相连并带了电。将一根条形磁铁轻轻地靠近带电小球，大家观察：小球依然静止。据此，大家能够得到什么结论?

(生)磁场对静止的电荷没有力的作用。

(师)既然磁场对静止的电荷没有力的作用，那么，对于运动的电荷呢?

大家看，展示平台上的仪器叫做球形阴极射线管。玻璃泡抽成真空。内置一个可以自由转动的小风车。射线管两极的连线上总会出现风车的风叶。射线管接上高压电源后，电子沿直线从阴极运动到阳极。

打开电源，大家观察：风车的叶片发生转动(如图2(a))。什么原因使风车转动?

(生)运动的电子撞击叶片时对叶片产生了力的作用。

(师)分析得很好。再看，我们在射线管的阴极加上一块高强磁铁。大家再观察，风车的转动方向是否发生了变化?

(生)风车的转动方向发生改变(如图2(b))。

(师)风车的转向为何会发生变化?

(生)可能是由于磁场对带电粒子产生了力的作用，使粒子运动的方向发生偏转。

(师)对。磁场对运动的电荷可以产生力的作用，我们把这种力称为洛伦兹力，以纪念荷兰著名物理学家洛伦兹(展示洛伦兹照片)。洛伦兹是上世纪著名的物理学家，不仅在经典物理学领域中有卓越建树，在相对论的创建过程中亦起到了非常重要的作用。同其它的力一样，洛伦兹力也有三个要素：大小、方向和作用点。接下来就让我们研究洛伦兹力的大小和方向。

2洛伦兹力的大小及研究方法

(师)在我们研究洛伦兹力之前，大家能否根据前面的实验，大胆地推测一下：洛伦兹力可能同哪些因素有关?

(生)磁场的强弱、电子束的长度、电子的运动速度……

(师)大家的猜想很好。可是，由于中学阶段实验条件的限制，我们无法用实验的方法将大家的猜想一一进行验证。物理学上，除了实验探究，对于物理规律的研究还有另一种方法：理论推导。

著名物理学家费曼讲：科学是一种方法。前面学过一种研究磁场力的方法：用电流元研究安培力。如果找到了电流同运动电荷的关系，是不是就可以用研究安培力的方法来研究洛伦兹力?那么，电流同运动电荷有关系吗?

(生)运动的电荷形成电流。

(师)对。电流形成的本质是电荷的定向移动，为了研究的方便，我们都把电流的形成看成是正电荷的移动。那么，这些定向移动的电荷受到的洛伦兹力是否都相同呢?说说你的看法。

(生)应该相同，因为这些运动的电荷电荷量相同，磁场相同，运动的速度也相同。

(师)分析得很透彻。微观电荷的集体定向移动形成电流，它在宏观上受到安培力的作用。而微观的层面，运动的电荷只受到洛伦兹力的作用。我们可以说：安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观解释(演示FLASH)。这种关系犹如：一本书的重力是每页纸重力的宏观表现，每页纸的重力是整本书重力的微观解释。那么，你能根据这种关系，找出安培力和洛伦兹力的定量关系吗?

(生)一段导体受到的安培力等于洛伦兹力乘上电荷的总数。

(师)对。接下来，大家就以各小组为单位，用这种方法推导一下洛伦兹力的大小。

(学生讨论后，用展示平台展示结果)

f_洛=qυB。

(师)大家推导得很好。现在大家看，我们推导的时候有一个隐含的条件：速度同磁场的方向相互垂直。那么，是不是运动的电荷在磁场中一定会受到洛伦兹力的作用呢?

(生)……

(展示平台上展示亥姆霍兹线圈)

(师)大家看到的这套装置有两个平行的大圆环。它们实际上是两组线圈，通以相同方向的电流，线圈间会形成一个平行于轴线方向的匀强磁场。磁场的强弱可以通过电流旋钮进行调节。

将阴极射线管沿垂直于磁场的方向放人磁场，大家看：电子束发生偏转，线圈间有磁场(如图3(a))。接下来，调节阴极射线管的位置：将阴极射线管沿磁场方向放置(如图3(b))。不断调节电流控制旋钮，大家观察：电子束还会发生偏转吗?由此，你又能够得到什么结论呢?

(生)当电荷的运动方向同磁场平行时，电荷不受洛伦兹力。

(师)我们学到了：电荷运动方向同磁场平行时不受洛伦兹力，同其垂直时所受洛伦兹力大小为f_洛=qυB。那么一般情形下的状况(如图4)，大家如何进行分析呢?

(生)将电荷的速度在平行和垂直于磁场两个方向上进行分解，只有垂直的速度分量能够产生洛伦兹力，最后的结果应该是厂f_洛=qυBsinθ。

(师)分析得很好，我们接下来看洛伦兹力的

方向。

3洛伦兹力的方向

(师)我们继续用研究安培力的方法来研究洛伦兹力。已知通电电流和磁场的方向，我们能否用具体的方法判断出安培力的方向，说说看?

(生)用左手定则。让磁感线垂直穿过手心，四指指向电流的方向，大拇指的指向就是安培力的方向。

(师)很好。那我们比较一下洛伦兹力同安培力吧(如图5)。电流的方向同正电荷定向移动的方向是一样的，安培力同洛伦兹力的方向一样，相同的磁场。大家观察，能否也用左手定则来判断济伦兹力的方向?

(生)可以。

(师)那四指的指向表示什么?

(生)正电荷移动的方向。

(师)很好，如果是负电荷的运动呢?

(生)四指指向正电荷的运动方向，同负电荷运动的方向相反。

4洛伦兹力的应用

(师)最后，让我们看一下洛伦兹力同我们生活的联系吧(展示电视机显像管的原理图)。日常生活中的电视机中，电子束通过一个通电的线圈，线圈形成磁场，电子在洛伦兹力的作用下进行偏转，这才有了我们看到的电视画面。

再有，地球有把“磁保护伞”。我们的“邻居”太阳很不安分，不断地向四周发射大量的高能带电粒子。而日常生活中，我们却极少受到这些高能带电粒子的影响。原因就是：地球自身有个磁场，当带电粒子进入地球的磁场中时会受到洛伦兹力的作用，从而向偏离地球的方向运动。很多艺术家受此启发，拍摄了很多科幻电影(展示电影《地心末日》剧照，如图6)，用来描述地磁场消失后对人类产生的灾难性后果。

不仅如此，地磁场和高能带电粒子一起还为我们奉献了地球上的一种自然奇观：极光。少量的带电粒子进入地磁场后，在洛伦兹力作用下偏向南北两极，同空气发生剧烈作用后产生这梦幻的景色。下面，老师就通过一个简单的实验来给大家演示一下极光。

(挑选两名同学戴上绝缘手套。一名同学将高压电源的一级接到低压放电管的一端，另一极接上放电针后接触放电管的另一端。)

(师)我们通过低压气体放电来模拟高能太阳粒子与大气发生剧烈作用时的发光现象。再请另一位同学将磁铁放在放电管上，大家观察到什么现象?

(生)磁极附近发光强度更亮。(如图7)

(师)很好，磁极附近的磁场最强，洛伦兹力就会使带电粒子更多地聚集在磁场比较强的区域。大家再看一下地球的磁场(展示地磁场)，能够解释极光为什么只出现在南、北两极附近吗?

(生)南北两极附近磁场强度最强。

(师)大家分析得很细致。

课堂小结：

(师)本节课，我们学习了一种新的力——洛伦兹力，一种磁场对运动电荷产生的力；采用了一种方法——类比法，利用安培力的研究方法来研究洛伦兹力；使用了一对互补的研究方式——实验研究同理论推导相结合：体会到一种理念——理论同实际相结合。物理学总是以其特有的美感影响着我们，期待同大家的进一步学习。

(本案例在设计时，得到了备课组陈刚、张华、王建等老师的支持与帮助，在此一并致谢。)