磁場對運動電荷的作用教法建議(已修改)
2025-07-05 03:13 本頁面
【正文】 精品資源磁場對運動電荷的作用一、教法建議拋磚引玉本單元的內(nèi)容在高中物理第二冊（必修）中沒有講述，是第三冊（選修）中的增補教材，對高中學生具有增長知識和提高能力的作用。我們建議，本單元的教學按下列五個步驟進行，供老師們參考。第一步：通過邏輯推理，說明微觀本質(zhì)與宏觀現(xiàn)象的一致性。教師引導學生思考：沒有電流通過的導體在磁場中是不會受到安培力作用的。由此可見，受到磁場作用的不是構(gòu)成導體的物質(zhì)，而是在導體中定向移動的電荷——電流是由荷的定向移動形成的。作用在整個通電導體上的安培力只不過是作用在運動電荷上的力的宏觀表現(xiàn)。接下來，教師再引導學生推理：既在導線中定向運動的電荷會受到磁場力的作用，那么不在導線中而是空間定向運動的帶電微觀粒子（電子、質(zhì)子、各種離子等）也應受到磁場力的作用。（注：當運動電荷的方向跟磁力線的方向平行時，不會受到磁場力的作用。）然后教師要向?qū)W生說明：物理學的規(guī)律不能只靠推理來建立，還需要通過實驗來驗證。第二步：通過演示實驗，證明上述推理的正確性。實驗器材：電子射線管（內(nèi)有長條形的熒光屏）；蹄形磁鐵；直流高壓電源。演示步驟：光將固定好的電子射線管的兩極接在直流高壓電源上，讓學生觀察熒光屏上激發(fā)出的熒光顯示出電子束是沿直線前進的。然后將蹄形磁鐵兩極橫跨在電子射線管的中部，學生會觀察到熒光屏上顯示出電子束的徑跡發(fā)生了彎曲。（注：這種電子射線管是中學物理實驗室中的專用儀器，都附有詳細的使用說明書，所以我們就不在此畫圖說明使用方法。）驗證結(jié)論：在空間定向運動的微觀帶電粒子會受到磁場的作用力，在物理學中把這個力叫做“洛倫茲力”。第三步：導出定量計算式，闡明方向判斷法?！傲Α笔鞘噶浚写笮『头较?，因此在研究“洛倫茲力”時也應涉及數(shù)值計算和方向判斷兩個方面。在高中物理課本第三冊（選修）中，已有關于“洛倫茲力”計算公式的推導過程，在此無須重復，我們只作幾點補充說明：若運動電荷的電量為q、運動的速度為v、磁場的磁感應強為B、磁感應強度與運動速度這兩個矢量間的夾角為q。則運動電荷在磁場中所受洛倫茲力的計算式為：f =qvBsinq討論：① 當=90176。時：f=qvB這表示當電荷在垂直于磁場的方向上運動時，運動電荷所受的洛倫茲力最大。（高中物理課本第三冊中所推導出的公式就屬這種情況。）② 當q=0176。或180176。時：f=0這表示當電荷在平行于磁場的方向上運動時，運動電荷所受洛倫茲力為零（或者說：運動電荷不受洛倫茲力作用）。③ 當q≠0176。、90176。、180176。（或180176。的倍整倍數(shù)）時,f=qvBsinq的作用效果可以作這樣的分析——將分解與垂直和平行的兩個分速度，其中平行分速度的那部分不受力，而垂直分速度（vsinq）那部分受到與其垂直的洛倫茲力的作用。④ 洛倫茲力只能改變運動電荷速度的方向。洛倫茲力不對電荷做功。下面我們討論洛倫茲力的方向判斷方法：判斷洛倫茲力的方向也用“左手定則”，在方法上比判斷安培力稍復雜一些。這是因為導線中電流的方向（規(guī)定為正電荷運動的方向）是唯一明確的。而運動的電荷有正、負電之分，對于運動的正電荷方向就相當于電流的方向；對于運動的負電荷方向相當于與電流相反的方向。因此，用“左手定則”判斷洛倫茲力的方向如下表所示： 手心——迎著磁力線方向（穿入手心）指向正電荷運動的方向指向負電荷運動的相反方向左手 四指 拇指——運動電荷所受洛倫茲力的方向（注：左手的手掌伸平，使大拇指、四指和手掌在同一平面內(nèi)，且讓大拇指與其它四指垂直。此手法與判斷安培力方向的手式相同。）第四步：綜合力學、電磁學知識，計論帶電粒子在磁場中的圓周運動。洛倫茲力與帶電粒子的運動方向垂直，不對粒子做功，只改變粒子運動的方向，因此洛倫茲力相當于圓周運動的向心力。我們把在力學中學過的勻速圓周運動的規(guī)律與電磁學中剛學過的洛倫茲力數(shù)值計算式結(jié)合起來，就可以進行下列推導。 ①f=qvB ②①式中所要求的F由②式的f來承當時，就可寫出下式： ③根據(jù)③式可以推論出下列幾個關系式：四周軌道半徑：粒子運動速率：粒子運動周期：第五步：通過練習，培養(yǎng)學生的分析綜合能力。我們在后面的“學海導航”中通過例題介紹分析解題的方法；在后面的“智能顯示”中提供較多的習題，供讀者參考。指點迷津 1．“洛倫茲力”與“安培力”有什么區(qū)別和聯(lián)系？ “洛倫茲力”是運動電荷在磁場中所受的力，其受力對象多為微觀的帶電粒子。 “安培力”是通電導體在磁場中所受的力，其受力對象為宏觀的通電導線、通電線圈等。 “安培力”是通電導體內(nèi)部每個定向運動的電荷所受“洛倫茲力”的合力。也可以說“安培力”是大量“洛倫茲力”的宏觀表現(xiàn)。（注：對于金屬導體來說，當其兩端有電勢差時，其中的運動電荷是定向移動的自由電子。但是由于歷史沿用的習慣，電流的方向被定為正電荷移動的方向——實為自由電子運動的反方向。） 2．帶電粒子在電場、磁場中運動的問題可以歸納為哪幾類？ ① 帶電粒子在電場中的運動：在這類問題中又可分為直線加速和偏轉(zhuǎn)等問題。 ② 帶電粒子在磁場中的運動：主要討論帶電粒子在磁場中作圓周運動的問題。 ③ 帶電粒子在電場和磁場共同存在的空間中運
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