磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用教法建議(已修改)
2025-07-05 03:13 本頁(yè)面
【正文】 精品資源磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)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(cè)（必修）中沒(méi)有講述，是第三冊(cè)（選修）中的增補(bǔ)教材，對(duì)高中學(xué)生具有增長(zhǎng)知識(shí)和提高能力的作用。我們建議，本單元的教學(xué)按下列五個(gè)步驟進(jìn)行，供老師們參考。第一步：通過(guò)邏輯推理，說(shuō)明微觀本質(zhì)與宏觀現(xiàn)象的一致性。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：沒(méi)有電流通過(guò)的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中是不會(huì)受到安培力作用的。由此可見(jiàn)，受到磁場(chǎng)作用的不是構(gòu)成導(dǎo)體的物質(zhì)，而是在導(dǎo)體中定向移動(dòng)的電荷——電流是由荷的定向移動(dòng)形成的。作用在整個(gè)通電導(dǎo)體上的安培力只不過(guò)是作用在運(yùn)動(dòng)電荷上的力的宏觀表現(xiàn)。接下來(lái)，教師再引導(dǎo)學(xué)生推理：既在導(dǎo)線中定向運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用，那么不在導(dǎo)線中而是空間定向運(yùn)動(dòng)的帶電微觀粒子（電子、質(zhì)子、各種離子等）也應(yīng)受到磁場(chǎng)力的作用。（注：當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷的方向跟磁力線的方向平行時(shí)，不會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用。）然后教師要向?qū)W生說(shuō)明：物理學(xué)的規(guī)律不能只靠推理來(lái)建立，還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。第二步：通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，證明上述推理的正確性。實(shí)驗(yàn)器材：電子射線管（內(nèi)有長(zhǎng)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(xué)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(jìn)的。然后將蹄形磁鐵兩極橫跨在電子射線管的中部，學(xué)生會(huì)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)室中的專用儀器，都附有詳細(xì)的使用說(shuō)明書，所以我們就不在此畫圖說(shuō)明使用方法。）驗(yàn)證結(jié)論：在空間定向運(yùn)動(dòng)的微觀帶電粒子會(huì)受到磁場(chǎng)的作用力，在物理學(xué)中把這個(gè)力叫做“洛倫茲力”。第三步：導(dǎo)出定量計(jì)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(shí)也應(yīng)涉及數(shù)值計(jì)算和方向判斷兩個(gè)方面。在高中物理課本第三冊(cè)（選修）中，已有關(guān)于“洛倫茲力”計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程，在此無(wú)須重復(fù)，我們只作幾點(diǎn)補(bǔ)充說(shuō)明：若運(yùn)動(dòng)電荷的電量為q、運(yùn)動(dòng)的速度為v、磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)為B、磁感應(yīng)強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)速度這兩個(gè)矢量間的夾角為q。則運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的計(jì)算式為：f =qvBsinq討論：① 當(dāng)=90176。時(shí)：f=qvB這表示當(dāng)電荷在垂直于磁場(chǎng)的方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷所受的洛倫茲力最大。（高中物理課本第三冊(cè)中所推導(dǎo)出的公式就屬這種情況。）② 當(dāng)q=0176?；?80176。時(shí)：f=0這表示當(dāng)電荷在平行于磁場(chǎng)的方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷所受洛倫茲力為零（或者說(shuō)：運(yùn)動(dòng)電荷不受洛倫茲力作用）。③ 當(dāng)q≠0176。、90176。、180176。（或180176。的倍整倍數(shù)）時(shí),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(gè)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(yùn)動(dòng)電荷速度的方向。洛倫茲力不對(duì)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(fù)雜一些。這是因?yàn)閷?dǎo)線中電流的方向（規(guī)定為正電荷運(yùn)動(dòng)的方向）是唯一明確的。而運(yùn)動(dòng)的電荷有正、負(fù)電之分，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的正電荷方向就相當(dāng)于電流的方向；對(duì)于運(yùn)動(dòng)的負(fù)電荷方向相當(dāng)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(yùn)動(dòng)的方向指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的相反方向左手 四指 拇指——運(yùn)動(dòng)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(xué)、電磁學(xué)知識(shí)，計(jì)論帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)。洛倫茲力與帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直，不對(duì)粒子做功，只改變粒子運(yùn)動(dòng)的方向，因此洛倫茲力相當(dāng)于圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。我們把在力學(xué)中學(xué)過(guò)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律與電磁學(xué)中剛學(xué)過(guò)的洛倫茲力數(shù)值計(jì)算式結(jié)合起來(lái)，就可以進(jìn)行下列推導(dǎo)。 ①f=qvB ②①式中所要求的F由②式的f來(lái)承當(dāng)時(shí)，就可寫出下式： ③根據(jù)③式可以推論出下列幾個(gè)關(guān)系式：四周軌道半徑：粒子運(yùn)動(dòng)速率：粒子運(yùn)動(dòng)周期：第五步：通過(guò)練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的分析綜合能力。我們?cè)诤竺娴摹皩W(xué)海導(dǎo)航”中通過(guò)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(xí)題，供讀者參考。指點(diǎn)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(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受的力，其受力對(duì)象多為微觀的帶電粒子。 “安培力”是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受的力，其受力對(duì)象為宏觀的通電導(dǎo)線、通電線圈等。 “安培力”是通電導(dǎo)體內(nèi)部每個(gè)定向運(yùn)動(dòng)的電荷所受“洛倫茲力”的合力。也可以說(shuō)“安培力”是大量“洛倫茲力”的宏觀表現(xiàn)。（注：對(duì)于金屬導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，當(dāng)其兩端有電勢(shì)差時(shí)，其中的運(yùn)動(dòng)電荷是定向移動(dòng)的自由電子。但是由于歷史沿用的習(xí)慣，電流的方向被定為正電荷移動(dòng)的方向——實(shí)為自由電子運(yùn)動(dòng)的反方向。） 2．帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題可以歸納為哪幾類？ ① 帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)：在這類問(wèn)題中又可分為直線加速和偏轉(zhuǎn)等問(wèn)題。 ② 帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)：主要討論帶電粒子在磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。 ③ 帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同存在的空間中運(yùn)
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