带电粒子在匀强磁场中运动轨迹作图仪

◇ 邹 华

1 背景

传统物理教学一直以传授系统的物理知识为最终教学目标，新课程改革把全面提高学生学科核心素养作为总目标．物理学科核心素养包含物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任．科学思维的有效形成是高中物理教学的关键问题之一，科学思维即学生从物理学的角度对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式．通过高中阶段的学习，学生应能定性、定量地对物理问题进行科学推理、找出规律、得出结论．

带电粒子在磁场中的运动轨迹问题，一直以来是学生较难理解的问题，其原因在于磁场的抽象性．带电粒子在匀强磁场中运动“多功能轨迹作图仪”，能定性分析带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹，得出带电粒子的入射速度与在磁场中运动轨迹之间的规律．

经过多年的教学实践发现，对于带电粒子入射的速度大小、方向和入射点确定的粒子的运动轨迹，大部分学生能够掌握得较好．但对于粒子入射速度的大小、方向和入射点三个量之一不确定的带电粒子的可能运动轨迹，学生掌握起来较为困难．例如带电粒子射入匀强磁场的速度大小和入射点确定，但是粒子的入射方向不确定，此时带电粒子可能的运动轨迹就有多种．那么带电粒子在磁场中可能经过的区域是怎样的呢?很明显，这类题目应该用“动圆旋转法”来作图．这类问题如果用传统的方法，即用圆规画图，既耗时，又不够形象．因此笔者设计了一个作图仪，该作图仪能够快速形象地还原带电粒子射入匀强磁场中，入射速度特点不同时带电粒子的运动轨迹．

2 制作仪器的原理和使用方法

2.1 原理

物理源于生活，用于生活．生活中常见的轻薄压木板或者硬质泡沫材料均可快速切割成圆形，而带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹恰好可以利用圆盘快速形象地描绘出来．该圆盘使用轻薄压木板或硬质泡沫材料制成，圆盘的圆心处打一个比粉笔稍大的孔，用于将圆盘固定在黑板上，在圆盘的某一直径上打一排孔，以中心的孔为圆心，中心的孔到直径上某个孔的距离为半径，即可画出半径不同的圆．

图1 多功能作图仪

2.2 教学用途与方法

该仪器的主要教学用途是解决带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的可能运动轨迹的画图问题．

1)动圆缩放:带电粒子射入方形边界磁场的速度方向确定，入射点确定，速度大小不确定，粒子恰好不从某一边界飞出的速度的大小范围，此时需要用“动圆缩放法”还原学生解题的思维过程，利用作图仪能够快速画出半径不同的圆，找刚好和这一边界相切的圆，从而形象直观地解决问题．

2)动圆旋转:带电粒子射入单边界磁场，入射速度的大小和入射点确定，方向不确定，求粒子可能经过的区域，带电粒子的运动轨迹的半径是确定的，只需将圆盘边缘上的一点确定，在180°内旋转圆盘，模拟粒子的运动轨迹，即可快速确定粒子可能经过的区域．

3)动圆平移:带电粒子射入单边界磁场，速度的大小和方向确定，入射点不确定，此时粒子可能的运动轨迹是一组平移圆，通过水平移动圆盘画出一组半径相同的圆即可得到粒子可能的运动轨迹．

图2 多功能作图仪的使用

画粒子可能的运动轨迹图象的过程，也是还原粒子运动轨迹的过程，如画“旋转圆”，教师只需将圆盘在黑板上旋转，即可画出多个半径相同的圆，形象、直观．此作图仪教师可以使用生活中常见的材料自己动手制作，制作和携带都很方便．另外还可以设计一个可以在半径方向上移动的小孔，从而画出任意半径的圆．该作图仪的制作与使用基于物理思维的生成过程，能为学生呈现更形象的物理模型，让学生更好地实现物理模型的构建．