《磁场对运动电荷的作用》教学设计

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【摘要】磁场对运动电荷有力的作用，磁场对运动电荷的作用在工程中有重要应用。教学要求学生掌握洛伦兹力公式，以及电荷在匀强磁场中的运动规律，进而掌握在非匀强磁场中的受力运动特点。本文依据我校大学物理改革新要求，设计教学过程。

【关键词】大学物理 磁场 运动电荷 教学

一、教学理念

坚持“教师为主导，学生为主体”，坚持“直观教学和模拟实验教学激发学习兴趣”，坚持“STS教育渗透于科学教育”，坚持“大学物理教学与大学物理实验教学相结合”等原则。课堂充分发挥学生主动性，活跃课堂气氛，提高课堂教学效果。

二、教材内容及地位

“磁场对运动电荷的作用”属大学物理课程电磁学部分重要内容之一。该内容讲述磁场的重要性质--磁场对运动电荷的作用。运动电荷在磁场中受力特点及运动规律相关基础理论为人类现代文明的出现，新技术、新能源的诞生奠定了基础。

三、教学目标

通过教学让学生掌握洛伦兹力概念和洛伦兹力公式;掌握匀强磁场对运动电荷的作用规律;掌握螺旋运动规律;理解非匀强磁场对运动电荷的作用规律;了解磁场作用在工程技术中的重要应用。会用洛伦兹公式处理问题，会分析磁聚焦、磁约束的物理原理。让学生感受物理理论与现代技术的密切联系，体会科学的价值，学会更好地与他人合作。

四、教学重点和难点

教学重点包括洛伦兹力公式，匀强磁场对运动电荷的作用，包括速度方向与磁感应强度方向垂直和成任意夹角两种情况。教学难点是磁聚焦和磁约束两种现象。

五、教学手段与方法

采取传统教学与多媒体教学相结合的教学手段。PPT主要用于展示自然奇观―极光，展示实验图，展示现代应用设备，展示比较表格、关系树。使所讲授内容更立体、更直观、更生动。将“启发式、讨论式、探究式、练习法、比较分析法”等教学法渗透于教学过程。

六、教学过程

引入：教师展示课件图片。并提问：这种美景（极光）是怎样产生的？学生思考“极光”的产生原因。新课教学过程分5个模块。

（一）模块一：运动电荷在磁场中受力。

都是首先展示电荷在磁场中运动实验图片。启发学生分析实验，提出问题：为什么电子束在磁场中运动轨迹会改变？ 学生观察实验现象，思考产生原因后，师生共同归纳得出：运动电荷在磁场中所受的作用力称为洛伦兹力。并阅读教材认知洛伦兹力公式

师生分析得出：（1） 时，F=qvB。（2） 时， 。（3）三者方向满足右手螺旋关系。即q>0时， 沿 方向;q<0时，

沿 反方向。（4）因为 ，所以， 对带电粒子不做功。最后学生完成教材练习，判断三个量的方向。

（二）模块二：带电粒子在磁场中运动。

分速度v方向与磁场B方向垂直和速度v方向与磁场B方向成任意夹角两种情型。

情型一：速度v方向与磁场B方向垂直。教师提问： 时，带电粒子如何运动？

学生运用动力学关系得出： 时，带电粒子作圆周运动，并且推导半径和周期表达式。 即：R=mv/qB ，T=2πm/qB 。

情形二：速度v方向与磁场B方向成任意夹角。教师板图，并设问：速度v方向与磁场B方向成任意夹角θ时，带电粒子如何运动？学生在教师的提示下，将速度进行分解，并推导出：v//=v cosθ v=v sinθ。教师引导学生，共同分析得出：（1）带电粒子速度分解为两个方向，一个方向不受力，一个方向受与之垂直的洛伦兹力。（2）在该洛伦兹力的作用下，带电粒子作匀速圆周运动，其半径R=m v/qB。（3）在B方向上以v//=vcosθ的速度做匀速运动。（4）两种运动合成，带电粒子的运动轨迹是螺旋线，螺旋线的半径为 ，粒子在垂直于磁场方向运动的周期为 。（5）螺距 。最后，教师运用多媒体播放模拟动画，让学生观察带电粒子做螺旋运动，加深理解。

（三）模块三：例题与练习环节。及时巩固洛伦兹力公式、螺旋运动等知识。教师布置课堂练习，学生独立完成洛伦兹力的计算，师指导学生计算粒子运动周期和螺距。为了检查学习效果，增强学生自信，教师另给出两题选择题由学生独立完成。

（四）模块四：应用案例。分析磁透镜和磁约束装置两种应用案例。案例1：磁透镜。教师展示磁透镜图片，展示磁聚焦的物理原理图，讲授电子显微镜的概况。指导学生分析螺旋运动的螺距，掌握磁聚焦的物理原理。学生用已学知识分析电子显微镜的物理原理，认识电子显微镜。体会科学的价值。案例2：磁约束装置（超导托卡马克）。教师用PPT展示磁约束装置（托卡马克）图片，通过受力分析和半径变化分析引导学生认知匀强磁场和非匀强磁场对运动粒子作用的差别，及运动规律差别，进而理解磁约束的的本质。学生在老师的引导下学习磁约束相关内容，掌握托卡马克磁约束的物理原理，了解磁约束的应用前景，认识科学的价值。案例3：极光的产生。教师提出问题：地磁场有什么特点？极光是如何产生的？学生通过思考、分析、讨论并汇报：地球磁场是一个天然的磁约束装置，高能带电粒子流使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生极光。极光的分析让课堂首尾前呼后应。

（五）模块五：总结。用表格打出带电粒子在电场和磁场中运动差异，融会贯通;为了让学生了解磁场对电荷作用的广泛应用，教师用PPT展出各种应用，并作简要介绍。

七、个性化教学

对学习能力较强的学生：要求独立分析所提供巩练习题;提导出运动半径公式、周期公式、螺距公式;独立完成课堂练习;要求掌握各应用案例的物理原理。对学习能力偏弱的学生：组织学生分小组讨论，并逐个辅导，要求了解各应用案例的物理原理。依据学生基础及学习能力布置不同层次课后作业。

物理是一切自然科学的基础。教学贯彻大学物理改革新要求，将大学物理课程教学与工程应用结合、与大学物理实验结合。应用案例的分析，使“课堂沉默症”减少。不同层次练习，使学生能在各自“最近区发展”， 信心增强，体会学习的快乐。

参考文献：

[1]况明星，杨国喜，齐志艺.大学物理学[M].南昌：江西高校出版社，2014.