《探究洛伦兹力的思考与实践(fanbo).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《探究洛伦兹力的思考与实践(fanbo).doc（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、探究洛伦兹力的教学思考与实践佛山市顺德区第一中学 范波（528300）摘要：在探究洛伦兹力的教学中我认为主要有三个难点问题：一是如何提高实验现象的可视性；二是如何通过实验探究带电粒子的速度方向与磁场方向平行时，带电粒子不受洛伦兹力；三是如何通过实验探究洛伦兹力大小的相关因素。 关键词：洛伦兹力 可视性 实验探究洛伦兹力是高中物理学习过程中完成了安培力的学习之后进行的学习内容。洛伦兹力是微观带电粒子在磁场中的受力，如何更直观、有效的在教学实践中完成对洛伦兹力相关因素的探究是我们中学物理教师都曾思考过的一个问题。在探究洛伦兹力的教学中我认为主要有三个难点问题：一是如何提高实验现象的可视性；二是如何
2、通过实验探究带电粒子的速度方向与磁场方向平行时，带电粒子不受洛伦兹力；三是如何通过实验探究洛伦兹力大小的相关因素。下面我就围绕这三个问题谈谈我的认识与实践。一、 如何提高实验现象的可视性。阴极射线管是本节教学的必需装置。正常工作时其荧光屏上电子径迹亮度较高，在研究洛伦兹力的方向时电子束的偏转情况可视性较好，无需其他设备的辅助即可完成洛伦兹力方向满足左手定则的判定，但是对于学生观察电子径迹偏转的微小变化的情况可视性较差。利用洛伦兹力演示仪观察电子在匀强磁场中作圆周运动，限于电子径迹的亮度低，可视性差，教学过程中一般是学生轮流到仪器前观察，教师反复改变励磁电流与加速电压的大小，让学生观察圆周运动半
3、径的变化，全部学生观察完毕后再讨论电子圆周运动半径大小的相关因素。这个过程不但时间长，环节繁，而且对于实验现象与对应实验条件的变化情况，全部学生不能同步进行讨论。为了解决电子在磁场中运动径迹可视性差的问题，我进行了反复的实验与比较后发现实物投影仪可以完美解决这个的问题，用实物投影仪投影电子运动径迹的关键操作是对实物投影仪的亮度进行适当调节。在光学实验室中，我们降低实物投影仪的亮度设置直到投影屏幕上能够清晰看到阴极射线管中绿色的电子运动径迹或者洛伦兹力演示仪中电子圆周运动的径迹。实验条件的改变情况与电子运动径迹的微小变化通过实物仪都能同步投影到大屏幕上，可视性很好。教学实践证明，利用实物投影仪解
4、决电子在磁场中运动径迹可视性差的问题不但可行，而且效果颇佳。二、 带电粒子速度方向与磁场方向平行时不受洛伦兹力的实验探究高中物理实验室配备的洛伦兹力演示仪本身可以完成这个实验，由于洛伦兹力演示仪一般是半密封结构，只有垂直螺线管轴线的一面开放作为观察通道。调节电子束速度方向与磁场方向夹角时由于观察角度的限制与电子运动轨迹的亮度低，电子束的偏转情况不够直观，可视性也不好。为了使实现现象更加直观，我对本实验做了如下的设计：（一） 匀强磁场的获得改装洛伦兹力演示仪，去除外壳与电子枪部分，将螺线管裸露在空气中。实验过程中只利用洛伦兹力演示仪的磁场控制部分，根据右手螺旋定则，螺线管通电后内部磁场方向与其轴
5、线方向平行，可近似为匀强磁场。（二） 研究对象的获得阴极射线管产生的定向运动的电子束作为研究对象，因为荧光屏上电子运动的径迹亮度高，可视性较好。阴极射线管的方位方便控制。（三） 实验操作过程1、螺线管通电，并利用静止的小磁针验证螺线管中磁场的产生。调整螺线管的位置，使其轴线与学生视线基本垂直。2、将阴极射线管放置在两个圆形线圈之间，利用垫块调整其高度使得阴极射线管的轴线与螺线管的轴线基本重合。3、断开螺线管励磁电流开关，接通阴极射线管高压电源，学生观察电子运动的径迹；接通螺线管励磁电流开关，观察阴极射线管中电子运动的径迹。若按要求将阴极射线管的轴线调整到与螺线管轴线基本重合，电子运动径迹无明显
6、变化。4、用绝缘塑料棒轻轻拨动阴极射线管，让它水平内转动一定的角度，学生会观察到电子运动的径迹会竖直平面内发生明显的偏转。在0到90范围内，阴极射线管水平转过的角度越大，电子径迹的偏转就越大。（四）、实验结论（1）根据左手定则可判定，洛伦兹力的方向与v的方向垂直。若电子运动运动的径迹不发生偏转，说明电子受到的洛伦兹力为零。即当运动电荷速度的方向与磁场的方向平行时，电荷不受洛伦兹力。（2）在其他条件不变的情况下，洛伦兹力的大小跟电荷速度方向与所在磁场方向的夹角有关。在0到90范围内，夹角越大其所受洛伦兹力就越大。（3）不计电荷重力。根据左手定则，运动电荷所受洛伦兹力方向与磁场方向垂直，又P=FV
7、cos，所以洛伦兹力不对运动电荷做功。根据轨迹曲线的形状与运动学的知识可以判定电荷所做运动为匀速圆周运动，轨迹曲线为圆周的一部分。最好能用软件仿真物理实验室进行仿真模拟分析。三、在电荷速度方向与磁场方向垂直的情况下探究洛伦兹力大小相关因素根据定义，运动电荷在磁场中受到的磁场力叫洛伦兹力。学生可以很顺利的猜想到洛伦兹力大小相关的因素：磁场的强弱，电荷运动的速度，电荷的电量。其中洛伦兹力大小与磁场强弱和电荷运动速度大小的定性关系可以通过实验探究。为了增强实验的可视性，本实验要利用实物投影将实验过程投影到大屏幕上放大进行观察。探究过程如下： （一）电子速度大小一定的情况下，洛伦兹力大小与磁场强弱的关
8、系。将阴极射线管垂直螺线管轴线方向放置。阴极射线管接通高压电源，调节合适的励磁电流使得运动电子束发生一定的偏转。调节励磁电流旋钮，学生观察并记录实验现象。1、励磁电流增大时，磁场增强，电子运动径迹偏转加剧，圆周运动半径减小；2、励磁电流较小时，磁场减弱，电子运动径迹偏转变小，圆周运动半径增大。不计电子重力的情况下，洛伦兹力是电子圆周运动的向心力，根据f=mv2/R，R越小则f越大。故可得结论：磁感应强度越大，电子所受的洛伦兹力就越大。（二）磁感应强度一定的情况下，洛伦兹力大小与电子运动速度大小的关系。如上述的实验装置，调节合适的螺线管励磁电流与阴极射线管的高压，让运动电子在磁场中发生一定的偏转
9、。调节高压电源的电压，学生观察并记录实验现象。1、升高阴极射线管高压电源电压，电子速度增大，运动轨迹的偏转减小，圆周运动半径增大；2、降低阴极射线管高压电源电压，电子速度较小，运动轨迹的偏转加剧，圆周运动半径减小。根据f=mv2/R，v越大R也越大。还不能直接得出洛伦兹力增大还是减小的结论。实验结论依然是：洛伦兹力大小可能与v有关。既然不能得出确定的结论，为什么要设计这个实验呢？在下面的教学环节中可以通过理论推算得出f=qvB，进一步可推得电子在磁场中圆周运动的半径R=mv/qB。这个实验可以证明理论推算结果与实验结果相吻合，证明理论推算的结果是正确的。当然在教学过程中，洛伦兹力公式由实验并不
10、能直接得出，还需要进行一个理论探究。根据洛伦兹力是安培的微观原因，利用I=Q/t，F=BIL从理论上可推出f=qvB。如前所述，上述探究实验证明该理论探究结果正确。四、真实实验与仿真实验运动电荷电量的多少是影响洛伦兹力大小的一个因素，但是中学物理教学过程中难以获得不同电量的带电粒子作为研究对象进行实验探究。仿真实验是解决这个问题的最佳途径了，我们可以通过专业软件如仿真物理实验室创设理想的实验环境，可以定量的分析不同电量的带电粒子在磁场中的运动情况。真实实验与仿真实验相结合是研究电荷在磁场或者电场中运动的重要手段。实践证明，上述的实验改进可以显著提高实验现象的可视性，节省实验观察时间。实验探究、理论探究及仿真模拟实验相结合加深了学生对洛伦兹力的认识，提高了教学效率，获得了很好的教学效果。
