基于核心素养的教学设计案例——带电粒子在匀强磁场中的运动

课题

带电粒子在匀强磁场中的运动

教材分析

人教版高中物理选择性必修二是2019年修订的，这一章节重点讲述了带电粒子在匀强磁场中的运动情况，介绍了带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的特点及与运动间的关系。有助于培养学生的发散思维、逻辑思维和分析推理的能力。

学情分析

通过前面的学习，学生对磁场、磁感应强度、洛伦兹力已有一定的了解。在此基础上，通过教师合理诱导，借助洛伦兹力演示仪演示，五官体验激活思维，科学地设计问题情境，引导学生探究，获得新知。

教学目标

物理观念：

1.能够分析带电粒子平行进入进入匀强磁场时做匀速直线运动，垂直进入磁场时做匀速圆周运动，斜进入磁场时做螺旋形运动。

2.能够根据牛顿第二定律对洛伦兹力与圆周运动的关系进行分析，推理得出轨道半径、周期的公式。

科学思维：

1.通过已学的力与运动方面的知识进行分析综合、推导论证，得出结论。

2.处理实际问题时，忽略次要因素，抓住主要因素，完成模型构建。

科学探究：

1.通过洛伦兹力演示仪演示带电粒子在匀强磁场中的运动情况，经历观察现象、分析原因、分组讨论、归纳总结的探究过程，从物理学视角认识客观事物的本质属性，形成物理观念。

科学态度与责任：

1.体验主动学习合作探究的过程，形成实事求是的科学态度。

2.通过物理规律的运用解释生活中物理现象，理解科学、技术、社会环境（STSE）的关系，形成对科学应有的正确态度和责任感。

教学重难点

1．带电粒子垂直入射匀强磁场中时做匀速圆周运动

2．粒子运动的半径、周期的公式的推导

教学准备

洛伦兹力演示仪、摄像头、遮光布、多媒体

教学方法

启发探究式教学、多媒体辅助教学、演示实验

教学过程

教学过程

教学过程

教师活动

学生活动

核心素养

【新课导入】

观看极光的简短视频，让学生感受极光的神奇与美丽。并引起学生的好奇：极光究竟是如何产生的？

【新课学习】

我们已经知道带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的作用，从而使得粒子的运动轨迹发生偏转，如果以匀强磁场为前提，带电粒子以不同的速度方向进入，运动情况分别是什么样的呢？

提问：带电粒子可以有几种入射方式？

总结：三种，分别是平行于磁场射入、垂直于磁场射入和斜射入磁场。

探究一：带电粒子平行于磁场进入

引导：

在分析物理问题时，我们通常可以抓住主要因素，忽略次要因素，由于粒子所受重力远小于它在磁场中受到的洛伦兹力，所以在探究过程中我们将粒子的重力忽略不计。

提问：

1.粒子是否受洛伦兹力？

2.粒子所受合外力？

3.根据什么定律判断带电粒子做什么运动？

结论：

平行于磁场进入的带电粒子所受合外力为零，根据牛顿第一定律，粒子做匀速直线运动。

探究二：带电粒子垂直于磁场进入

实验观察1：

先简单介绍洛伦兹力演示仪，观察垂直磁场射入的带电粒子的运动轨迹是圆形的。

提问：

圆形轨迹就能判断是匀速圆周吗？匀速圆周应该具备什么条件？

分析：

1.洛伦兹力与速度方向的关系？是否做功？是否改变速度大小和方向？

2.洛伦兹力是否提供向心力且大小是否改变？

3.是否满足匀速圆周运动的条件？

结论：

洛伦兹力不改变速度大小，只改变速度方向，提供了向心力，且大小不变，始终垂直于速度，满足条件，所以带电粒子做匀速圆周运动。

播放视频：

播放事先拍好的视频，视频中老师调整加速电压旋钮，使速度变大，随之轨道半径也会变大。但是先把屏幕下方遮挡，学生无法看到视频中老师调整了哪个物理量。

讨论：

视频中老师调整了哪个物理量，使半径变大了？半径究竟和哪些物理量有关？请同学们以小组为单位进行讨论，利用所学知识进行理论推导，得出半径的表达式。

推导：

由洛伦兹力提供向心力，根据牛顿第二定律

总结：

当粒子的质量、带电量和磁感应强度一定时，半径与速度成正比，当粒子的质量、带电量和速度一定时，半径与磁感应强度成反比。

提问：

刚才老师对速度做了什么改变使半径变大？

播放视频：

请同学们认真观察视频中老师的手，顺时针是使速度变大，逆时针是使速度变小，请同学们认真观察手旋转旋钮的方向。

实验观察2：

现在我们请一位同学上来现场操作仪器，磁感应强度变化，半径会如何变化，是否与大家理论分析的结果一致。

提问：

除了速度，圆周运动还有一个重要的物理量——周期，周期是否也与速度和磁感应强度有关？请同学们运用圆周运动的规律进行理论推导。

结论：

，可见周期与速度无关，当粒子的质量和带电量一定时，运动周期与磁感应强度成反比。

例题：

如果实验中带电粒子的能量有损耗，导致粒子的动能减小，那么粒子的运动方向为到，粒子带电。

气泡室图片：

展示带电粒子在气泡室中运动径迹的照片，选择一条较清晰的进行观察，由于带电粒子在气泡室中会有能量损耗，所以速度会减小，那么半径也就随之减小，就出现了这样半径减小的轨迹。

探究三：带电粒子斜射入磁场

提问：

当带电粒子的速度与磁感应强度成一定夹角，会做什么运动？如果运用运动的合成与分解，我们是否可以借助前面“平行进入”和“垂直进入”的两个结论来帮助我们分析“斜进入”的情况？请同学们再一次讨论。

结论：

带电粒子在平行于磁场方向做匀速直线运动，在垂直于磁场方向做匀速圆周运动，所以合运动是螺旋形运动。

实验观察3：

利用洛伦兹力演示仪让学生看到立体生动的螺旋形轨迹，说明实验结果与理论分析的结果一致

解释自然现象：

回顾课前我们看到的极光，极光的主角其实是“太阳风”，也就是高能带电粒子流，而地球有磁场。所以请同学们思考极光什么情况下会出现，回去查阅资料检验自己的推想。

好奇极光是怎么形成 ？

回答：

垂直射入磁场

平行射入磁场

斜射入磁场

明白探究时抓住主要因素，忽略次要因素。

回答：

1、因为速度与磁感应强度平行，所以带电粒子不受洛伦兹力且合外力为零。

2、根据牛顿第一定律判断带电粒子做匀速直线运动。

观察：

运动轨迹是圆形

回答：

匀速圆周运动的条件是合外力提供向心力，且大小不变，始终与速度垂直。

分析：

洛伦兹力与速度方向始终垂直不做功。不改变速度大小，只改变速度方向。

洛伦兹力提供向心力，根据，速度大小不变，洛伦兹力大小不变，满足条件，所以带电粒子做匀速圆周运动。

推理：

运用力与运动的相关知识进行推导，洛伦兹力等于向心力，得到半径表达式

回答：

使速度变大。

看到手将旋钮顺时针旋转，的确是将速度变大，使得半径变大

学生上来操作，使磁感应强度变大，半径变小，磁感应强度变小，半径变大。

再一次推导：

发现周期与速度无关，与磁感应强度有关。

完成例题训练，掌握关系式的应用

讨论分析：

将速度分解成垂直于磁感线和平行于磁感线两个分量，带电粒子在平行于磁场方向做匀速直线运动，在垂直于磁场方向做匀速圆周运动。

感受到立体螺旋形轨迹对视觉的冲击

推想：太阳风经过地磁场时轨迹成螺旋形，形成极光。

创设情境，激发学生的求知欲望，

提出问题，激发思考

引导学生在探究问题时构建物理模型。

以问题为主线，以情景为依托，注重过程优化，形成正确物理观念。

通过实验将物理现象直观呈现，引发学生思考。

通过问题层层递进引导学生寻找符合匀速圆周运动的条件，以论证自己的猜想。

通过遮挡的视频创设情境，引起学生好奇，并提出疑问。再引导学生运用所学知识进行理论推导。提升科学思维能力

经历合作交流、思考推断、验证分析、解决疑惑，体验到探究过程的快乐和成就感。

让学生亲自体验，现场验证自己推导出的结论，巩固规律。培养实事求是的科学态度

之前是合作，现在让学生独立完成科学推理，科学论证的过程

学以致用，及时检验，通过此题联系到带电粒子在气泡室中运动的径迹，拓展视野。

引导学生经历分析、推理、综合、判断等理性认识，培养学生模型构建，化繁为简的科学思维能力。

直观的实验现象直接验证了结果。获得探究的成就感。

回归生活，回归STSE，运用物理知识解释生活问题，关注课堂文化，培养学生的科学态度和责任意识。