《运动电荷在磁场中受到的力》教学设计
一、教学设计思路
本设计课题是“运动电荷在磁场中受到的力”，人民教育出版社的《普通高中课程标准实验教科书》（选修3-1），物理第三章第5节内容，该课题放在“通电导线在磁场中受到的力”内容之后，意味教材引导教师利用安培力导出洛伦兹力的大小、方向，绝大多数教师在平时的也是采用此思路展开教学的；但新课程倡导探究式学习，强调科学与社会、生活实践的联系，强调对过程和方法的学习，为了让学生成为教学活动的主体，把教学的重点由学习物理知识变为探索知识的过程，以情景设疑让学生主动思考，鼓励学生大胆猜想，设计实验探究、验证猜想，得出结论；其探究过程体现在洛伦兹力方向的判定法则，定性探究洛伦兹力的大小，理论定量探究洛伦兹力的大小，实验与理论、验证与探究充分表现在课堂教学设计中。
二、教学目标
1.知识与技能目标
（1）知道什么是洛伦兹力。
（2）会用洛伦兹力解答实际生活中的有关问题。
（3）会用左手定则判断有关带电粒子在磁场中受洛伦兹力方向的问题。
2.过程与方法目标
（1）通过猜想、实验探究洛伦兹力的方向研究来培养学生科学思维能力和观察能力。
（2）通过猜想、实验定量探究洛伦兹力的大小培养学生分析推理能力和应用知识的能力。
3.情感态度与价值观目标
（1）通过“设问—猜想—探究—推理”来体会科学研究最基本的思维方法。
（2）再合作探究的过程中，培养学生团结协作的精神。
（3）体会物理学习中的逻辑美，规律的统一，联系生活，激发求知的热情。
三、教学重点
（1）洛伦兹力的大小和方向的判定。
（2）初步掌握科学探究的过程。
四、教学难点
（1）左手定则的生成过程及应用。
（2）实验定量探究洛伦兹力的大小。
五、教具
圆形磁铁、有显像管的电视机、自治旋转液体实验装置、显像管、多媒体设备
六、教学过程
（一）课题引入
创设情景、设置疑问
师：观看美丽的极光视频
师：美轮美奂的极光现象发生在什么地方？它又是如何形成的？
生（预测）。
师：带着这两个问题，今天我们一起学习《运动电荷在磁场中受到的力》
【设计说明】
从生活中发现问题，创设情境，激发热情，引入新课。
（二）新课教学
师：上节课已经学习了《电导线在磁场中受到的力》，请同学们猜一猜运动电荷在磁场中是否会受到的力呢？（课件展示：问题1）
生（预测）：有、不一定有……
师：物理学是一门以实验为基础的学科，要用实验去探究同学们的猜想是否正确，我们需要磁场和运动电荷，今天我给同学们带来一套实验装置：阴极射线管、高压感应圈、条形磁铁、蹄形磁铁；下面同学们按照导学案上的实验步骤和组内分工，进行实验去探究运动电荷在磁场中是否会受到力的作用。
生：分组进行实验
师：同学们已完成实验操作，哪位同学能代表你组展示实验记录结果？
生（预测）：电子束在磁场受到了力作用。
师：是由于磁场对自由电子有力的作用，使电子束发生偏转。
师：像这种运动电荷在磁场中受到的力，在物理学上，叫：洛伦兹力（板书：一、洛伦兹力）,这是以荷兰物理学家洛伦兹力名字命名的（课件展示：洛伦兹和洛伦兹力）
【设计说明】
1.将猜想与假设、方案设计、实验操作、结果分析、得出结论这一完整的实验探究过程作呈现，告诉学生实验在物理学学习过程中的重要性；
2.利用实验，来引导学生探究运动电荷在磁场中确实受到的力，给学生耳目一新的感觉，并由学生自己动手实验探究得到结论，对于他们各方面能力都有所提高。
师：我们知道，力是矢量，有大小和方向，结合刚才的实验和已有的知识，请再猜一猜：洛伦兹力的方向与哪些因素有关呢？（课件展示：问题2）
生（预测）：与磁场的方向有关，与运动电荷的速度方向有关……（副板书）
师：要研究这样一量和多量的关系，用什么方法？
生（预测）：控制变量法
师：让我们回到刚才的实验，如何获得这三个物理量的方向呢？（课件展示）
生（预测）：根据正负接线柱可以知道速度的方向
根据磁场的N极和S极可以知道磁场的方向
根据电子束的偏转方向可以知道力的方向……
师：为了便于记录实验结果，请大家看我的示范，根据实验步骤和组内分工，开始实验。
生：分组进行实验
师：指导学生进行实验
师：我看同学们已完成实验操作，请各小组到前面来展示你们组的实验记录结果。
生：四组代表到前面展示记录结果，
师：看看刚才的猜想洛伦兹力的方向与B的方向、v的方向有关是否正确？
生（预测）：正确，因为如果改变磁场的方向或改变电荷运动速度方向，力的方向会发生变化……
师：好的，那三者存在怎样的空间关系？
生（预测）：三者两两垂直关系
师：这样看起来比较麻烦，可用什么简洁的方法体现这三者的方向关系呢？
生（预测）：左手定则，（可能会有伸右手的，如果有伸右手的，就请伸右手的学生展示描述）
师：那你如何把这三个量的方向在左手上体现呢？
生（预测）：磁场方向垂直过掌心，四指指向正电荷的运动方向，大拇指指向洛伦兹力的方向，
师：好的，这种判断方法称为“左手定则”（板书：二、方向判定法则：左手定则）
师：这是我们以正电荷为研究对象总结出的法则，如果以自由电子为研究对象，能得到判定法则吗？
生（预测）：只需将四指的指向负电荷（自由电子）运动的反方向即可，
师：课件展示左手定则的完整内容
【设计说明】
1.将猜想与假设、方案设计、实验操作、结果分析、得出结论这一完整的实验探究过程作呈现，再次告诉学生实验在物理学学习过程中的重要性；
2.学生又分组做“旋转液体”实验，基于实验现象引导学生探究得出洛伦兹力的方向与速度方向、磁场方向存在一定关系，让学生找到左手可以表示这些关系，左手定则就这样出现，而非类比安培力；潜移默化的告诉学生这仅仅是一种表示方法。
3.由于学生动手实验能力可能较弱，再加上利用控制变量法、等效替换法等，学生可能感到比较困难。
师：既然洛伦兹力也用左手定则去判断，那么它和安培力有什么联系吗？（课件展示）
生（预测）：宏观和微观关系……
师：板书：三、洛伦兹力和安培力本质相同
微观本质 宏观体现
师：既然安培力和洛伦兹力本质相同，那么为什么不叫安培力而叫洛伦兹力呢？
师：前后相差70多年时间，物理学每向前进步一点点，都是很不容易的……
【设计说明】
简介物理学史，提升课堂内涵，进而落实情感态度价值观目标。
师：探讨了方向，请问洛伦兹力大小与哪些因素有关呢？（课件展示）
生（预测）：与v大小有关，与B强弱有关，q，m……
师：再次回到刚才的实验，磁场的强弱可用磁体的大小产生的磁场知道，速度的大小可用电压大小（电场的强弱知道）知道，按照学案上实验步骤和组内分工进行实验去定性探究猜想是否正确。
生：分组进行实验
师：指导学生进行实验
师：同学们已完成实验操作，哪位同学能代表你组展示实验记录结果？
生（预测）：展示实验记录结果，定性介绍如果运动电荷速度确定，磁场越强洛伦兹力越大；如果磁场强弱确定，运动电荷速度越大洛伦兹力越大。
师：那它们之间究竟存在怎样的定量关系呢？
师：展示课件：
有一端长为L的通电导线，横截面积为S，单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电量为q，定向运动的平均速率为v，把这段导线垂直地放入磁感应强度为B 的匀强磁场中，求：每个自由电荷受到的洛仑兹力f 的大小 ?
（1）写出这段导线中的电流I的微观表达式（用n、q、S、v表示）
（2）写出这段导线所受到的安培力F的表达式
（3）这段导线中运动电荷的总数N为多少？
（4）导线中所有定向运动自由电荷所受洛伦兹力f总体效应表现为导线所受到的安培力F，写出f的表达式（用q、v 、B表示）
生：认真阅读，仔细思考，组内讨论，展示理论探究过程。
师：板书：四、f=qvB
师：公式成立的条件是？
生（预测）：v和B垂直关系
师：如果不垂直呢？
生（预测）：f=qvBsinθ
【设计说明】
由实验定性探究到理论定量探究，引导学生自主生成洛伦兹力大小的计算公式。
师：请大家思考我们观看的极光视频后留给你的两个问题？
师：大家请看这是电视机显像管原理示意图（课件展示），简介电视机显像管原理示意图。
师：现在大家能知道图像变形、偏移的原因了吗？
师生互动：完成对电视机荧光屏中图像偏移、变形的分析。
【设计说明】
再回到新课的开始，呼应开头，回归到生活，解决生活的实际问题，激发学习热情。
师(课堂小结)：哪位同学能对本节课进行总结？
生（预测）：在知识的层面，在知道运动电荷在磁场中确实受到力的作用，这个力叫做洛伦兹力，同时知道洛伦兹力的方向如何判断，大小如何计算。
师：课后思考：
1.f=qvBsinθ的速度v是相对于什么参考系的？
2.安培力可对磁场中通电导线是做功，既然洛伦兹力是安培力的微观本质，那么洛伦兹力对运动电荷也做功吗？
七、板书设计
运动电荷在磁场中受到的力
一、洛伦兹力
二、洛伦兹力和安培力的本质相同
三、方向
判断方法：左手定则
四、大小f=qvBsinθ
五、应用
学情分析
学情分析：
1.知识与能力基础 ：学生已具备力学、电磁学相关知识，学习完磁场对通电导线作用即安培力。并且也熟悉一直以来物理学的“提出问题—猜想假设—实验验证”的科学探究方法。而且高二的学生已经有了一定的观察、分析、推理能力及空间想象能力，是学习洛仑兹力的能力基础
2.思维障碍：对微观粒子具体运动形态模糊不清，容易导致洛伦兹力大小学习过程产生困难。
效果分析
看课堂教学效果是评价课堂教学的重要依据。本课从提出问题到实验探究，分析问题，解决问题后又诱使学生提出新的问题，从问题开始，通过实验探究，最后又以问题结束，体现了一种全新的以问题为主链的课堂学习模式，教学效率高，学生思维活跃，气氛热烈，双边活动较多。大部分学生参与了课堂教学中的思考过程。按照课程标准的要求，不仅学生的化学知识与技能，还包括解决问题的能力、思考能力和情感、态度、价值观都得到了
发展。此外，学生受益面大，不同程度的学生在原有基础上都有进步。有效利用40分钟，学生学得轻松愉快，积极性高，当堂问题当堂解决，学生负担合理。
教材分析
教材分析：
1.物理学体系中本章是经典电磁学理论的基本内容，而本节课是安培力的延续，又是后面学习带电体在磁场中运动的基础，反应磁场和运动电荷的相互作用，是学生后面了解现代科技回旋加速器，质谱仪，磁流体发电机等的基础，还是力、电、磁综合问题分析中重要的一部分。从新课程改革以来，几乎每年高考都有涉及洛仑兹力的计算大题，由此，足以说明其重要性。
