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研究成果
自制仪器演示“运动电荷在磁场中的受力”
发布时间:2014-11-02 00:00:00  发布人:章青

自制仪器演示“运动电荷在磁场中的受力”

江苏省苏州实验中学   居津

《物理教学》2013.5

  要: 本文自制仪器演示“旋转液体”,让运动电荷在磁场中的受力变得“显而易见”,并尝试教学,总结了利用该实验真实课堂的利与弊。

关键字: 旋转液体   洛伦兹力   实验 

问题引出

本节课演示实验一贯采用磁铁靠近阴极射线管,观察阴极射线在磁场中的偏转来判断洛伦兹力的方向。该实验直观形象,学生一目了然。但是课堂易造成使学生被老师“牵着鼻子走”,如果能让学生自己动手实验探究出洛伦兹力的方向,能使学生各方面能力大大提高。然而运动电荷无法用肉眼看到,又难以捕捉,怎样才能让学生亲身体验到运动电荷在磁场中会受到力的作用呢?笔者想,本节课是在学习了电流在磁场中受力的基础上,探讨运动电荷在磁场中的受力。由于电流的本质是运动电荷的定向移动形成的,所以学生很容易就能想到他们之间的联系。如果能让学生从实验分析安培力而得到洛伦兹力的方向,将会使他们印象深刻。

“旋转液体”实验

实验器材(自制):圆形容器。中间固定一铁钉,四周用铅丝绕成。容器中装有NaCO3溶液。实验时,中间铁钉接24伏特直流电源正极,铅丝接负极,这样就在中间至四周形成辐射状电流,即正负电荷的定向移动。再将该装置置于磁铁(最好是环形磁铁)上方,可以观察到,液体在磁场作用下开始旋转。改变磁场方向或者正负极接线柱接线,可以观察到液体旋转方向发生改变。

实验思路:

1、引导学生如何分析三个物理量之间的关系;

2、    分组探究磁场方向,运动电荷方向和所受洛伦兹力方向的关系,并用手边的材料加以模拟;(15分钟左右)

3、与常识网络中的安培力的分析方法进行类比,小组总结得出结论;

4、    利用分析出的结论对演示实验现象进行说明,并用阴极射线在磁场中发生偏转进行再应用。

实验作用:

虽然洛伦兹力的方向可以通过阴极射线在磁场中的偏转和与安培力方向的类比得到,但实际课堂教学时通常会比较沉闷,过于强调理论探究,显得枯燥无味。通过本分组实验,能让学生自己动手,体会分析总结得出洛伦兹力方向,磁场方向和运动电荷方向的关系,对于学生的实验动手操作能力,实验时解决问题的能力,分组的团队协作能力,类比分析能力都能有所提高。同时,实验操作可以增加学生的学习兴趣,进而提高课堂教学效率,又提升了学生的科学素养,课堂形式多样,不过于枯燥无味。

实验教学过程:

实验前引导学生考虑以下问题:

师:请大家考虑:洛伦兹力的方向可能与哪些因素有关?

生:可能与磁场方向,电荷的定向移动方向有关。

师:要研究三个量之间的关系,要采用什么方法?

生:控制变量法。

师:即保持磁场方向一定,研究运动方向与洛伦兹力方向的关系;保持运动方向一定,研究磁场方向与洛伦兹力方向的关系。

师:如何将这三个方向表示出来?

学生讨论,设计方案。

老师提供记录方案:利用三种不同颜色的笔插在带孔小球上表示三个不同的方向。红色表示磁场方向,绿色表示电荷定向移动方向,蓝色表示洛伦兹力的方向。根据磁场的N极和S极可以知道磁场的方向,根据正负接线柱可以知道电荷的定向移动方向,根据液体的旋转方向可以知道洛伦兹力的方向。

教师具体演示引导学生记录三个方向。要求学生在15分钟内完成本实验。

学生动手进行实验,教师在旁边巡视,对需要帮助的小组进行指点。学生在实验时若不知道如何根据实验现象记录下三个方向,教师可以提示。要给学生留有一定的时间,时间基本控制在15分钟左右,是否需要延长时间可以在教师巡视时视具体情况而决定。

师:请大家展示由实验现象得到的结果。

教师让学生将记录好的小球举起,统一要求:让磁场的方向均相上(即红色笔朝上),电荷移动方向向南(即绿色笔朝南),观察大家的实验结果。

学生得到实验结果:兰色笔方向指西即此时洛伦兹力方向向西。

师:大家从记录的结果得到什么结论?

生:三个方向两两垂直。

师:实验以后,大家再来理论探究一下。大家觉得从记录的实验结果发现的规律与以前哪个规律很像?

生:洛伦兹力的规律与安培力的规律很像。

师:大家有没有考虑过为什么他们的规律会很像?他们之间有没有什么联系呢?

生:安培力是磁场对电流的作用力,洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力,而电流的本质是电荷的定向移动。可以说磁场对电流的作用力,本质上是作用在运动电荷上。

师:很好!大家已经看到了问题的本质。大家可以说安培力是洛伦兹力的宏观表现,洛伦兹力是安培力的微观形式。所以大家说大家该怎样判断洛伦兹力的方向呢?

生:可以用左手定则来判断。

师:具体应该如何表述呢?

生:伸开左手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从掌心进入,并使四指指向正电荷的运动方向,这时拇指所指的方向就是运动正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。

师:很好!那如果运动电荷是负电荷大家又该怎样判断受力方向呢?

生:四指的方向与负电荷的运动方向相反。

师:大家已经基本掌握了洛伦兹力方向的判断方法。下面大家来做个游戏,看大家是否已经真正掌握了左手定则。

先容阴极射线管,演示阴极射线在没有磁场时的运动是一条直线。

教师将磁铁用纸包住,靠近阴极射线管,让学生观察电子束的运动轨迹发生偏转,根据向上或者向下偏转情况来判断靠近的是磁铁的哪一个极。并当场揭开纸,看学生判断是否正确。

特色和创新之处

利用自制仪器演示“旋转液体”来引导学生探究洛伦兹力的方向与磁场方向,电荷运动方向的关系给学生耳目一新的感觉,并且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。这个自制实验,取材简单,制作方便,实验易操作,且易成功,现象明显,实验原理简单,可由学生自行分析得到结论。

对学生的积极意义

利用“旋转液体”来实验教学,以学生为本,面向全体学生,体现物理学科的科学探究,让学生在实验的基础上,自主构建,培养学生良好的物理思维习惯;在探究学习中,鼓励学生自己总结规律,敢于提出自己的假设和预见,敢于动手实验并归纳出自己的结论,让每个学生都能体会到物理规律产生的艰辛过程,同时进一步培养学生的团队协作、共同探究的科学素养。

课后感到不足之处是本节课应用类比的方法将安培力的规律与洛伦兹力的规律相比较是比较成功的,但是由于学生的实验能力较弱,使得课堂时间过于紧张。



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