磁场对运动电荷的作用教法建议

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1、磁场对运动电荷的作用一、教法建议抛砖引玉本单元的内容在高中物理第二册（必修）中没有讲述，是第三册（选修）中的增补教材，对高中学生具有增长知识和提高能力的作用。我们建议，本单元的教学按下列五个步骤进行，供老师们参考。第一步：通过逻辑推理，说明微观本质与宏观现象的一致性。教师引导学生思考：没有电流通过的导体在磁场中是不会受到安培力作用的。由此可见，受到磁场作用的不是构成导体的物质，而是在导体中定向移动的电荷——电流是由荷的定向移动形成的。作用在整个通电导体上的安培力只不过是作用在运动电荷上的力的宏观表现。接下来，教

2、师再引导学生推理：既在导线中定向运动的电荷会受到磁场力的作用，那么不在导线中而是空间定向运动的带电微观粒子（电子、质子、各种离子等）也应受到磁场力的作用。（注：当运动电荷的方向跟磁力线的方向平行时，不会受到磁场力的作用。）然后教师要向学生说明：物理学的规律不能只靠推理来建立，还需要通过实验来验证。第二步：通过演示实验，证明上述推理的正确性。实验器材：电子射线管（内有长条形的荧光屏）；蹄形磁铁；直流高压电源。演示步骤：光将固定好的电子射线管的两极接在直流高压电源上，让学生观察荧光屏上激发出的荧光显示出电子束是沿直

3、线前进的。然后将蹄形磁铁两极横跨在电子射线管的中部，学生会观察到荧光屏上显示出电子束的径迹发生了弯曲。（注：这种电子射线管是中学物理实验室中的专用仪器，都附有详细的使用说明书，所以我们就不在此画图说明使用方法。）验证结论：在空间定向运动的微观带电粒子会受到磁场的作用力，在物理学中把这个力叫做“洛伦兹力”。第三步：导出定量计算式，阐明方向判断法。“力”是矢量，有大小和方向，因此在研究“洛伦兹力”时也应涉及数值计算和方向判断两个方面。在高中物理课本第三册（选修）中，已有关于“洛伦兹力”计算公式的推导过程，在此无须重

4、复，我们只作几点补充说明：若运动电荷的电量为q、运动的速度为v、磁场的磁感应强为B、磁感应强度与运动速度这两个矢量间的夹角为q。则运动电荷在磁场中所受洛伦兹力的计算式为：f=qvBsinq讨论：①当=90°时：f=qvB这表示当电荷在垂直于磁场的方向上运动时，运动电荷所受的洛伦兹力最大。（高中物理课本第三册中所推导出的公式就属这种情况。）②当q=0°或180°时：f=0这表示当电荷在平行于磁场的方向上运动时，运动电荷所受洛伦兹力为零（或者说：运动电荷不受洛伦兹力作用）。③当q≠0°、90°、180°（或180°

5、的倍整倍数）时,f=qvBsinq的作用效果可以作这样的分析——将分解与垂直和平行的两个分速度，其中平行分速度的那部分不受力，而垂直分速度（vsinq）那部分受到与其垂直的洛伦兹力的作用。④洛伦兹力只能改变运动电荷速度的方向。洛伦兹力不对电荷做功。下面我们讨论洛伦兹力的方向判断方法：13判断洛伦兹力的方向也用“左手定则”，在方法上比判断安培力稍复杂一些。这是因为导线中电流的方向（规定为正电荷运动的方向）是唯一明确的。而运动的电荷有正、负电之分，对于运动的正电荷方向就相当于电流的方向；对于运动的负电荷方向相当于与

6、电流相反的方向。因此，用“左手定则”判断洛伦兹力的方向如下表所示：手心——迎着磁力线方向（穿入手心）指向正电荷运动的方向指向负电荷运动的相反方向左手四指拇指——运动电荷所受洛伦兹力的方向（注：左手的手掌伸平，使大拇指、四指和手掌在同一平面内，且让大拇指与其它四指垂直。此手法与判断安培力方向的手式相同。）第四步：综合力学、电磁学知识，计论带电粒子在磁场中的圆周运动。洛伦兹力与带电粒子的运动方向垂直，不对粒子做功，只改变粒子运动的方向，因此洛伦兹力相当于圆周运动的向心力。我们把在力学中学过的匀速圆周运动的规律与电磁

7、学中刚学过的洛伦兹力数值计算式结合起来，就可以进行下列推导。①f=qvB②①式中所要求的F由②式的f来承当时，就可写出下式：③根据③式可以推论出下列几个关系式：四周轨道半径：粒子运动速率：粒子运动周期：第五步：通过练习，培养学生的分析综合能力。我们在后面的“学海导航”中通过例题介绍分析解题的方法；在后面的“智能显示”中提供较多的习题，供读者参考。指点迷津1．“洛伦兹力”与“安培力”有什么区别和联系？“洛伦兹力”是运动电荷在磁场中所受的力，其受力对象多为微观的带电粒子。“安培力”是通电导体在磁场中所受的力，其受力

8、对象为宏观的通电导线、通电线圈等。“安培力”是通电导体内部每个定向运动的电荷所受“洛伦兹力”的合力。也可以说“安培力”是大量“洛伦兹力”的宏观表现。（注：对于金属导体来说，当其两端有电势差时，其中的运动电荷是定向移动的自由电子。但是由于历史沿用的习惯，电流的方向被定为正电荷移动的方向——实为自由电子运动的反方向。）2．带电粒子在电场、磁场中运动的问题可以归纳为哪几类？①带电粒子在电场中