基于高中物理核心素养的教学设计

赵博

课堂教学设计可在分析课标和研读教材的基础上，以如何提升学生四个具体物理核心素养为教学设计思路建立的逻辑起点，明确教学内容，设置教学环节，选用教学素材和择取教学方法。本文以人教版选修3-1第三章第6节“带电粒子在匀强磁场中的运动”第一课时为例，以提升学生物理学科核心素养为指向进行教学设计。

一、立足经典模型分析，强化运动观念

本课带电粒子垂直进入匀强磁场做匀速圆周运动是电磁学教学中的经典物理模型，也是本课的重点。学生在必修二的学习中已经建立起匀速圆周运动的物理观念，也在之前的学习中获得了分析洛伦兹力大小和方向的基本知识，因此本课中分析带电粒子垂直进入匀强磁场的运动情况，实际上是对已有运动观念的强化和复习巩固，学生有能力独立判断和进行相关推导。教师只需要提出问题，学生对问题独立的分析，就能够达到强化已有运动观念的目的。

【教学片段1】带电粒子在匀强磁场中的运动性质（两种特殊情况）

复习回顾：如何判断洛伦兹力的方向？如何计算洛伦兹力的大小？

学生回答：利用左手定则判断洛伦兹力方向；洛伦兹力大小需要考虑v与B的方向，两种比较特殊的情况是，当v∥B 时F=0，当v⊥B时F=qvB。

提出新问题：根据带电粒子的初速度和受力情况（忽略重力），分析以上两种情况，带电粒子在磁场中做怎样的运动？

学生讨论、分析：当v∥B时，带电粒子在匀强磁场中做匀速直线运动。当v⊥B时，带电粒子在匀强磁场中做圆周运动（匀速圆周运动）。

实验验证：介绍洛伦兹力演示仪结构，说明励磁电流旋钮和加速电压旋钮的作用，分析两个大线圈接通励磁电流后在线圈中间电子枪位置产生的磁场的方向。

①不加磁场时，观察电子的运动轨迹。

②给励磁线圈通电，使玻璃泡处于垂直线圈平面向内的磁场中。观察电子的运动轨迹。

实验结论：带电粒子在v⊥B时在匀强磁场中做圆周运动。

追问：这种圆周运动是不是匀速圆周运动？利用已学知识对你的观点进行论证。

引导学生分别从运动、受力和能量角度论证。

通过理论分析得出结论：带电粒子垂直进入匀强磁场中做匀速圆周运动。

二、利用演示实验论证，参与科学探究

本节课中洛伦兹力演示仪的演示实验可以帮助学生在抽象、微观的粒子运动的学习中获得必要的直观感性认识，为学生的理论推理提供一些实证经验。为了让学生在课堂中能获得更丰富的参与科学探究的体验，笔者选择通过“遇到实际问题—猜想问题成因—实验验证猜想—寻找理论依据”的方式来完成这部分教学任务。

【教学片段2】带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动的半径r与v和B的关系

实际问题（带电粒子垂直进入匀强磁场中运动的一项实际应用）：在探测粒子衰变等科学研究中会用到气泡室来看带电粒子运动的径迹。简介气泡室显示粒子径迹的原理。分析教材插图（100页图3.6-3）单独看某一粒子的径迹，并不是圆周运动，粒子曲線运动的曲率半径在逐渐变小，这可能是什么原因造成的？

学生思考、讨论。有的学生能给出气泡室中运动的粒子受阻力动能减小，速度减小，可能使圆周运动半径变化。

问题猜想：带电粒子在磁场中匀速圆周运动的半径可能与哪些因素有关？（学生可能认为与速度大小、磁感应强度、粒子种类有关）

实验验证：在现有洛伦兹力演示仪只能提供电子一种带电粒子的情况下，学生根据自己的猜想小组讨论设计实验方案，写出实验条件、具体操作步骤、要观察的内容。请一组同学分享自己的实验设计方案，其他组补充和完善方案。完成实验操作。

得到实验结论：电子在匀强磁场中的匀速圆周运动（v⊥B），圆周运动半径r与电子速率v和磁感应强度B有关。B一定时，v越大，r越大；v一定时，B越大，r越小。

寻找理论依据：能否从理论上寻找r与v、B的关系。引导学生从解决匀速圆周运动问题的基本方法角度，分析合力提供向心力，推导r=mv/qB。

验证猜想：通过实验和理论两种方法验证学生的猜想，解释气泡室这个粒子曲线运动曲率半径减小的问题。

三、创设具体问题情境，促进科学思维

本节课教学的各个环节都是调动学生科学思维的过程，但灵活的建模、推理和解决复杂问题需要规范要求的训练和思维流程的熟练，也需要教师提供具体的情境和问题，让学生在问题中将抽象的物理模型具体化。在具体问题的解决过程中，学生的思维得到锤炼，从而能提升学生综合、应用、推理的能力。

【教学片段3】带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动的应用

在实际的研究中，往往比较容易通过气泡室等仪器获得粒子运动半径r的信息，也能够通过控制得到B的大小，根据推出的r=mv/qB定量关系，在已知粒子种类的情况下就可以分析到粒子运动速度v的大小。

应用1：圆形区域内有垂直纸面向内的匀强磁场，三个质量和电荷量都相同的带电粒子a、b、c，以不同的速率对准圆心O沿着AO方向射入磁场，其运动轨迹如图。若带电粒子只受磁场力的作用，下列说法错误的是（ ）

A.三个粒子都带正电荷

B.c粒子速率最小

C.它们做圆周运动的周期Ta =Tb=Tc

D.c粒子在磁场中运动时间最短

学生在分析CD两个选项时，同时完成了T=2πm/qB的推导，并分析周期T与粒子运动速率无关，为后续回旋加速器原理的学习做铺垫。

应用2：如图所示，离子从离子源缓慢飘入电压U的电场加速，再进入磁感应强度为B的匀强磁场中，沿半圆周运动而到达记录它的照相底片上，测得它在P点的位置到入口处距离为L，则该离子的荷质比多大？

学生解决问题。教师归纳：粒子圆周运动的半径是可以通过照相底片、气泡室等方法测量，直接测得半径r，通过计算可以间接得到不容易直接测量出的粒子的q/m，本课所进行的推导在科学研究中有实际意义。

四、体会人类进步历程，激发科学责任

本节课中作为知识应用的质谱仪在地质年代测定、同位素失踪分析等很多领域有广泛的应用，通过对质谱仪相关应用和物理学史内容的介绍，能够让学生感受物理推动科技与时代的进步，渗透正确的科学态度。质谱仪的巧妙设计也能从一定程度上激发学生的科学责任感。

【教学片段4】质谱仪对人类进步的贡献

提供质谱仪相关介绍：在应用2中通过照相底片测得半径r，从而间接测出不容易直接测量出的粒子的q/m，这是真实的微观粒子研究中的质谱仪的基本原理。历史上，阿斯顿用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素的存在，质谱仪是测量粒子质量和分析同位素的重要工具。其他科学课程学习可以知道，同位素可用于地质年代测定，可作为示踪原子等，它有很广泛的应用，质谱仪也因此广泛应用在这些领域。

激发学生的科学责任：这样精妙的设计解决了人类微观粒子研究中对粒子荷质比测量的一些困难，质谱仪的设计和改造将知识转化为技术推动了人类的进步，这其中需要思考、需要尝试，也需要坚持。希望同学们也能具有这样优秀的科学品质，有所学更有所用。

教学小结：当v∥B时，带电粒子在匀强磁场中做匀速直线运动。当v⊥B时，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。

思考问题：v与B既不垂直又不平行时粒子在匀强磁场中将做怎样的运动？

学生类比洛伦兹力和安培力大小的学习过程，提出将速度分解为平行和垂直磁感应强度两个方向，得到粒子可能螺旋式向前运动。

拓展实验论证：将洛伦兹力演示仪中真空室旋转一定角，让学生观察电子速度v与匀强磁场磁感应强度B既不垂直又不平行时的轨迹，论证学生理论分析的正确性。