磁场教学与教学设计.doc

磁场教学与教学设计史献计（南京师范大学附属扬子中学 210048）一教学内容1教学核心内容磁感应强度、安培力、洛仑兹力、带电体在磁场的运动2教学关注点 注重渗透STS思想，联系生活实际。 注重物理实验，为学生形成物理概念、掌握物理规律奠定坚实的基础。除了常规的演示实验以外，需要开发一些实验，如“验证环形电流的磁场”、“ 用传感器研究磁场”、“用小磁针估测磁感应强度”、“旋转的液体”等小实验，这些实验基本上学生都可以自己做，很简单但蕴含着重要的科学知识。 注重知识的应用过程，培养分析和解决问题的能力。如 “从安培力公式推导洛伦兹力的公式”、“推导带电粒子在匀速圆周运动中的半径公式、周期公式”、“霍尔效应”等，要让学生有充分的思考与空间。 注重学生的自主学习，引导学生积极思考，拓展学生思维。3单元课、时分配建议磁场及其描述第一单元：磁现象和磁场1课时磁感应强度1课时几种常见的磁场1课时磁场力的力属性第二单元：磁场对通电导线的作用2课时磁场对运动电荷的作用 1课时带电粒子在匀强磁场中的运动 (2+1)课时 第三单元：章节复习 (1+1) 课时二教学要求内 容教 学 要 求水平磁现象和磁场知道电流的磁效应；知道磁场的基本特性；了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响。了解磁感应强度理解磁感应强度定义；会用磁感应强度的定义式进行有关计算。理解几种常见的磁场知道什么叫磁感线；知道几种常见磁场磁感线的分布情况；会用安培定则判定直线电流、环形电流和通电螺线管的磁场方向；了解安培分子电流假说。了解磁通量知道磁通量。了解磁场对运动电荷的作用力通过实验认识洛仑兹力，会用左手定则判断洛仑兹力的方向，会计算洛仑兹力的大小；了解电子束的磁偏转原理以及在科学技术中的应用。理解带电粒子在匀强磁场中的运动会分析带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动，并能进行有关计算；理解洛仑兹力对粒子不做功；知道回旋加速器工作原理。认识电磁现象的研究在社会发展中的作用。应用二教学设计1磁现象和磁场 教材分析： 教材在背景材料方面介绍了人们对磁现象的认识过程、我国古代对磁现象的研究、指南针的发明和郑河下西洋等知识。 教材详细的介绍了电流的磁效应的发现过程，体现了物理思想（电与磁有联系）和研究方法（奥斯特实验）。 教学设计建议： 充分做好演示实验，重视学生直观经验的获得:可以通过演示实验(磁极之间的相互作用、磁铁对铁钉的吸引、对铝等材料的不吸引)和生活生产中涉及的磁体(喇叭、磁盘、磁带、磁卡、门吸、电动机、电流表)来形象生动地认识磁现象。 重视在教学中渗透STS教育思想:理论联系实际、拓宽知识面、培养创造能力、激发学习兴趣、提高科学素养。 教法建议:运用自主学习与合作学习的方式进行教学。把学生分小组搜集素材，各组选派学生，由学生主讲，然后师生交流与讨论，在讨论与过程形成关于磁场的一些基本认识。2磁感应强度 教材分析：磁感应强度是描述磁场力的属性的物理量，反映了磁场强弱，是教学重点内容，也是学生学习的难点。要求利用控制变量的方法研究物理量的影响因素。 教学设计建议 注重探究方案的设计: 做好教材上的演示实验，也可以让学生设计实验. 注重方法的渗透：比值定义法、取元思想 教法建议: 引导学生类比检验电荷引入电流元，磁感应强度类比于电场强度，比值定义磁感应强度。然后让学生通过实验，定性探究影响通电导线受力的因素，结合物理学家的精确实验，给出通电导线受力的表达式，其中的比例系数正是表征磁场强弱的物理量磁感应强度。电场磁 场电场有强弱，需要描述电场强度磁场有强弱，需要描述磁场强度磁感应强度如何研究？ 检验电荷如何研究？ 小磁针但N极不能单独存在，也不可能测量N极受力的大小，怎么办？ 通电直导线磁场不一定是均匀的！ 电流元孤立的电流元是不存在的，实际上仍需要使用相当长的通电导线。 在匀强磁场中对较长导线进行实验，从而推知一小段电流元的情况。通过什么研究？ 检验电荷受力通过什么研究？ 通电导线受力定义的方式 比值定义定义的方式 比值定义同时，也要注意引导学生注意两种场的区别。如电场力的方向总是与电场强度E的方向相同或相反；而磁场力的方向恒与磁感应强度B的方向垂直。 磁感应强度的理解：根据实际情况与教学内容的不断深入，要在教学的不同时期逐步深化磁感应强度的理解，让学生对磁感应强度的认识不断升华。例1对磁感应强度大小的说法中正确的是 （ D ） A通电导线受磁场力大的地方磁感应强度一定大 B通电导线在磁感应强度大的地方所受磁场力一定大 C放在匀强磁场中各处的通电导线，所受磁场力大小和方向处处相同 D磁感应强度大小跟放在磁场中的通电导线所受的磁场力的大小无关例2某班同学讨论磁感应强度单位时有以下四种观点，其中正确的是（ ABC ） A磁感应强度的国际单位是特斯拉。符号是T，且1T = 1N/AmB特斯拉是导出单位，是由长度、质量、时间和电流强度四个基本量导出的C1T相当于1kg/As2D特斯拉是电磁学里的基本单位例3关于磁感应强度方向的说法中正确的是 （ BD ） A某处磁感应强度的方向就是一小段通电导体放在该处所受磁场力的方向B小磁针针自由静止时，N极所受磁场力的方向就是该处磁场感应强度方向C垂直于磁场放置的通电导线的受力方向就是处磁场感应强度方向磁感应线的方向D磁场中某点的磁感线的切线方向就是该点磁场感应强度方向ba例4如图所示，为某磁场的磁感应线的分布情况，在a、b处放置相同的通电导线，则下列说法中正确的是 （ AC ） Aa点的磁感应强度大于b点的磁感应强度 Ba点的磁感应强度小于b点的磁感应强度 C通电导线在b处所的磁场力大例5有一小段通电直导线，长为1cm，电流强度为5A，把它放入匀强磁场中某处时，受到的磁场力大小 0.1N，则该处磁感应强度大小可能为 （ BCD ）abcdI1I2 A1T B3T C2T D2.5TAabCDSE例6两根通电的长直导线平行放置，电流分别为I1和I2，电流方向如图所示。在与导线垂直的平面上有a、b、c、d四个点，其中a、b在导线横截面连线的延长线上，则导体中的电流在这四点产生产的磁场的磁感应强度可能为零的是 （ AB ） Aa点 Bb点 Cc点 Dd点例7如图是测量磁感应强度的一种装置。一长方体绝缘容器内部高为l，厚度为d，左右两管等高处装有两根完全相同开口向上的管子a、b，上下两侧装有电极C（正极）和D（负极），并经过开关与电源连接。容器中注满导电液体，液体的密度为，将容器置于一匀强磁场中，磁场的方向垂直纸面向里，当开关断开时，竖直管子a、b中液面高度相同；开关闭合后，a、b管中液面将出现稳定高度差h，此时电流表计数为I，则磁场磁感应强度B为（ B ） A B C D说明：上述7道习题从七个不同侧面分别就磁感应强度的定义、大小、单位、方向、叠加和测量几个方面检测学生对磁感应强度的认识与理解。3几种常见的磁场 教材分析：对于常见磁场磁感线分布以及磁通量作一些了解。磁感强度是矢量，空间某点的磁场的叠加遵循平行四边形法则。 教学设计建议： 认识几种常见磁场：条形磁铁、蹄形磁铁、直线电流、环形电流、通电螺线管的磁场以及匀强磁场。 磁感线的特点与性质：磁场中某点，磁感线的切线方向就是该点的磁场方向；磁感线疏密表示了磁场的强度；磁感应线是闭合曲线；磁感线永不相交。 磁感线的认识：学生课堂实验：在一块硬纸板的下面放两块磁铁，并且让它们的S极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。观察会发生什么现象？（铁的粉末会自动排列起来，形成一串串曲线的样子。）并进一步引入磁感线的概念。 利用传感器进行研究:（a）研究地磁场：可以利用传感器对着不同的方向，测量并记录各个方向地磁场的大小。磁传感器探头指向磁铁（被测磁场）S极，即传感器指向与磁感线方向相同时，测量值呈正值；当磁传感器探头指向磁铁（被测磁场）N极，即传感器指向与磁感线方向相反时，测量值呈负值。测量显示当传感器测量端指向北的时候，测量值最大，指向南的时候，测量值最小，说明地理北极为S极，地理南极为N极。（b）利用磁传感器和位移传感器，研究磁传感器与通电螺线管之间的相对位置与磁感应强度之间的关系。推拉磁传感器在通电螺线管中运动，由位移传感器读出位置变化，可在实验中作出螺线管不同位置的磁感强度曲线。（c）利用磁传感器和电流传感器，研究磁感应强度与电流之间的关系。实验中，可以发现“电流磁感强度图线”是过原点的直线，说明通电螺线管内的磁感强度与螺线管中的电流呈正比关系。 安培分子电流假说的教学:应结合环形电流产生的磁场的知识及安培定则进行讲解，以便学生更容易理解“它的两侧相当于两个磁极”这句话，使他们了解磁极为什么不能以单独的N极或S极存在的道理。可以用回形针、酒精灯、条形磁铁、充磁机做好磁化和退磁的演示实验，加深学生的印象。举生活中的例子说明，比如磁卡不能与磁铁放在一起等等。 通过教学在不同教学阶段让学生逐渐理解磁感线特点例1关于磁感线的说法中正确的是 （ AB ） A磁感线上任何一点的切线方向，就是该点的磁场方向 B磁体外部的磁感线都是从磁体的N极出来，回到S极SabcdNv C磁场中的磁感线是客观存在的 D磁感线是由铁屑构成的例2如图所示，水平放置的扁平条形磁铁，在磁铁的左端正上方有一线框，线框平面与磁铁垂直。当线框从左端正上方水平平移到右端正上方的过程中，穿过它的磁通量 （ D ） A先减小后增大 B始终减小 C始终增大 D先增大后减小例3在通电螺线管内部有一点A，通过A点的磁感线方向一定是（ BC ）A从螺线管的N极指向S极B放在该点的小磁针北极受力的方向C该点的磁感应强度方向D放在该点的小磁针的南极受力的方向例4在图中，已知下列各图中的电流方向，请画出相应的磁力线。例519世纪20年代，以塞贝克（数学家）为代表的科学家已认识到：温度差会引起电流，安培考虑到地球自转造成了太阳照射后正面与背面的温度差，从而提出如下假设：地球磁场是由地球的环形电流引起的，则该假设中的电流方向是（注：磁子午线是地球磁场N极与S极在地球表面的连线） （ B ）A由西向东垂直磁午线 B由东向西垂直磁子午线C由南向北沿磁子午线 D由赤道向两极沿磁子午线方向 说明：上述5例从不同侧面来理解磁感线。4磁场对通电导线的作用 教材分析：通过控制变量的方法探究安培力的方向，得出左手定则，通过磁感应强度的定义得出安培力的计算公式，进而拓展到磁场对通电线圈的作用效果，使大家认识磁电式电流表的工作原理。通过本节的学习，应会用公式F = BIL解答有关问题、知道左手定则的内容，并会用它解答有关问题，知道磁电式电流表的工作原理。 教学设计建议：磁场具有吸引铁钴镍性质 磁场对电流有作用力的两组观察实验：磁场对放入其中的铁管有作用力磁场对电流有力的作用磁场对放入其中的铜导线没有作用力磁场对放入其中的铜导线没有作用力磁场对放入其中的通电铜导线有作用力 磁场对电流的作用力与哪些因素有关: 导线长度、电流、磁场强弱、材料等 实验验证：改变电流的大小方向、磁感应强度的大小方向，改变导体在磁场中的方位和角度，分别观察对应的力有什么变化。 磁场对电流作用力方向：有关判定方向的“定则”，都是人为规定的。学习磁的过程中，将遇到多个定则。运用某一定则时，要对相关物理量作已知、未知的区分，教师要有意识地变更由某一定则所联系的几个物理量的已知、未知情况，让学生比较熟练和灵活地应用这一定则。例如本章的安培定则和左手定则即是如此。对左手定则的教学要重视学生空间能力的培养，可以引导学生会画侧视图、俯视图和剖面图。INS例1如图所示，蹄形磁铁固定在一定位置，在磁铁的正下方有一水平放置的长直导线，长直导线可自由转动。当导线中通以由左向右的电流时，导线的运动情况将是 （ C ） A静止不动 B向纸外平动 C导线左边向内转动，右边向外转动，再向上靠近磁铁 D导线左边向外转动，右边向内转动，再向下远离磁铁说明：要求能够对蹄形磁铁周围磁场分布要有比较清楚的认识。对称分割直线电流。I2abI1例2如图所示，两根靠近的平行直导线通入方向相同的电流时，它们之间相互作用力的方向如何？（相互吸引）说明：电流的磁场与磁场对电流的作用两者要分清，左、右手要分清。例3在地球赤道附近，一条由东向西方向放置的导线，当通以由东向西方向的电流时，导线受到地磁场作用力的方向如何？（竖直向下）说明：理解地磁场分布，以及需要空间想象能力的支撑。-abB+例4在图示电路中，导线ab受到安培力的方向如何？ （垂直ab向右上方，与竖直方向成角）说明：要求学生能够识别题中电流方向与ab垂直的，空间关系要分清。III例5按图示放置的螺线管和矩形线圈，通以图示方向的电流时，如果把螺线管固定，矩形线圈可以自由运动，那么矩形线圈将如何运动？ （矩形线圈受到螺线管的斥力作用，故向右摆动）说明：可以借助于等效法进行判断与分析。环形电流等效为小磁针，通电螺线管等效为条形磁针。INS例6如图所示，把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在磁铁N极附近，磁铁的轴线穿过线圈的圆心且垂直于线圈平面。当线圈内通入如图所示的电流后，判断线圈如何运动？ （线圈受到安培力的合力水平向左，线圈向左摆动）说明：可以利用等效法，也可以利用“微元法”进行分析与研究。例7如图所示，一条形磁铁平放在水平桌面上，在其正方中央固定一根直导线，直导线与磁铁垂直，给导线通以垂直向外的电流时，下列说法中正确的是（ B ）INS A磁铁对桌面的压力增大，受到桌面的摩擦力的作用 B磁铁对桌面的压力增大，不受到桌面的摩擦力的作用 C磁铁对桌面的压力减小，受到桌面的摩擦力的作用 D磁铁对桌面的压力减小，不受到桌面的摩擦力的作用说明：通过转换研究对象，利用牛顿第三定律进行分析与研究。 关于磁电式电流表:建议结合实物和理论分析引导学生弄清其结构和工作原理。 安培力的求解方法可以从公式F = BIl、通电体在磁场的中平衡、等效、微元法等方面进行训练与练习，让学生掌握求解安培力的方法。5磁场对运动电荷的作用 教材分析：通过学习磁场对运动电荷的作用力（洛伦兹力），知道洛伦兹力是安培力的微观表现，会推导公式F = qvB，并会用此公式解答有关问题，会用左手定则解答有关带电粒子在磁场中受力方向的问题，并知道电视机显象管的工作原理。 教学设计建议： 注重探究：从宏观到微观 洛伦兹力与安培力的关系。 认识洛伦兹力的几个重要抓手：洛伦兹力的概念、大小、方向；洛伦兹力的特点；洛伦兹力与安培力的关系；电场与磁场对电荷作用的区别；带电体在磁场中的受力分析等。 仔细分析：电视显像管的工作原理。在条件允许的情况下，可让学生观察显像管的实物，认清偏转线圈的位置、形状，然后运用安培定则和左手定则说明从电子枪射出的电子束是怎样在洛伦兹力的作用下发生偏转的。如果有可能的话，还可以对比一下“显像管”与 “示波管”的差异。 通过实例理解洛仑兹力的分析与运用例1一个长螺线管中通有恒定直流电，把一个带电粒子（不计粒子重力）沿着管轴线射入管中，粒子在管中做什么运动？ （匀速直线运动）说明：了解通电螺线管内部的磁场分布情况的基础，分析带电粒子在磁场中的受力情况，从而判断粒子的运动。BA例2如图所示，一阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线的径迹向弯曲，则 （ BC ）A导线中的电流从A到BB导线中的电流从B到A C若要使电子束的径迹向上弯曲，可以改变AB中的电流方向来实现D电子束的径迹与AB 中的电流方向无关说明：电子在通电直导线产生的磁场中运动，无论直导线中的电流方向如何，电子的运动速度都是和磁感应强度的方向是垂直的本题运动电荷带负电，所以四指应指向其运动速度方向的反方向磁感应强度方向、粒子的速度方向中任意一个反向，都会导致洛伦兹力反向，如果两个都反向，则洛伦兹力方向保持不变I例3半导体靠自由电子（带负电）和空穴（相当于带正电）导电，分为p型和n型两种。p型中空穴为多数载流子；n型中自由电子为多数载流子。用以下实验可以判定一块半导体材料是p型还是n型：将材料放在匀强磁场中，通以图示方向的电流I，用电压表判定上下两个表面的电势高低，若上极板电势高，就是p型半导体；若下极板电势高，就是n型半导体。试分析原因。说明：分别判定空穴和自由电子所受的洛伦兹力的方向，由于四指指电流方向，都向右，所以洛伦兹力方向都向上，它们都将向上偏转。p型半导体中空穴多，上极板的电势高；n型半导体中自由电子多，上极板电势低。学BMNFl例4如图所示，在空间有水平方向的匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里在磁场中有一长为l、内壁光滑且绝缘的细筒MN细筒的底部有一质量为m、带电量为 +q的电荷(重力不计)现使细筒沿垂直磁场方向在水平作用力F的作用下由静止向右做匀加速直线运动，设小球带电量不变，细筒的质量不计则下列说法中正确的是 （ BD ）A电荷将一直在水平方向上做直线运动B在整过的运动过程中洛沦兹力始终都没有做功C在整过的运动的某一过程中洛沦兹力始终在小球做功D小球在某一时刻对管底的压力可能为零说明：涉及的洛伦兹力做的功，实际上只是它的一个分力对带电小球A所做的正功，它的另一个分力同时做了等量的负功，所以洛伦兹力做的总功为零。例5如图所示，质量为m，带电量为q的小球，在倾角为 的光滑斜面上由静止开始下滑，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直纸面向外，若带电小球下滑后某个时刻对斜面的压力恰好为零，问： 小球带电性质如何？ 此时小球下滑的速度和位移分别是多大？（ 小球带正电 v = mgcos/Bq、s = m2gcos2/(2B2q2sin)）xyzOv1q1F1v1说明：小球在运动过程中只有重力做功，机械能是守恒的，随着速度的增加，洛伦兹力随之增大，是一个变力，但是小球在斜面方向上的合力是恒力，所以小球做匀加速运动，故本题可以用匀变速运动来处理；当速度达到一定值时，小球对斜面的压力为零，以后小球将离开斜面在空中运动，所以本题的位移是小球在斜面运动的最大位移例6一个不计重力的带正电的微粒电荷量为q = 4.010-10C。当以v1 = 3.0105 m/s的速度，在xoy平面内沿与x轴正方向成1 = 45角的方向运动时，一个匀强磁场作用在该粒子上的力F1沿负z轴方向。当以v2 = 2.0105 m/s的速度沿z轴正方向运动时，它受到的一个沿x轴正方向的力F2 = 4.010-5N。求：磁场的磁感应强度的大小和方向； F1的大小。（B = 0.5 T、F1 = 4.2105N）说明：根据带电粒子在匀强磁场中所受的洛伦兹力的规律可知，不论粒子以怎样的速度进入磁场，如果它受到洛伦兹力，则该力必与磁场的方向垂直。第一种情况下，洛伦兹力沿负z轴方向，故B的方向在xOy平面内，第二种情况下，洛伦兹力沿x轴正方向，故B的方向在yOz平面内，而同时在两个平面内的一定是沿y轴方向，在第一或第二种情况下用左手定则，可判定B的方向是沿y轴负方向。6带电粒子在匀强磁场中的运动 教材分析：本节是本章的重点。本节学习带电粒子垂直进入匀强磁场时的运动规律，应学会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式、周期公式，并会用它们解答有关问题。质谱仪是带电粒子在匀强磁场中的圆周运动的应用实例，它可以用来测定粒子的比荷。课本介绍了回旋加速器，通过学习应了解回它的基本构造和加速原理，知道加速器的基本用途。 教学设计建议： 课时安排建议：作为本章核心内容，教学过程中要作为重点来抓。建议分为2课时，第1课时，学习带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动基本知识及简单应用，第2课时，学习质谱仪、回旋加速器等重要应用类问题。如果课时允许可以再加一节，学习带电粒子在复合场的运动情况，通过一些典型案例分析，让学生掌握分析与处理这类问题的方法。 教学方法建议：重点是要求学生自主学习与合作学习，让学生在课堂上进行充分的讨论。如好用洛伦兹力演示仪观察运动电子在磁场中的偏转的实验。每项观察之前，先进行讨论，根据洛伦兹力的知识预测电子束的径迹，然后观察，检验大家的预测。对于带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的情况，提出问题，引导学生思考、讨论，进行理论分析，最后得出结论。质谱仪和回旋加速器是带电粒子在磁场中运动的具体应用，仍然以学生自己分析为主，注重培养学生解决实际问题的能力。 课内外习题或课外知识介绍中，与带电粒子在磁场中运动相关的问题有以下一些，有些是在后面学习中逐渐遇到，教师要引导学生进行比较和整理：质谱仪、回旋加速器、速度选择器、磁流体发电、磁偏转、磁聚焦、电磁泵、电磁流量计、测定导电液体的电阻、霍尔效应等。 多解问题：BvOx例1如图所示，在x轴的上半区域存在磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场，一质量为m、电荷量为 q 的粒子（不计重力）从 x 轴上的O点以速度 v 垂直射入该磁场，v 与x 轴夹角为，则该粒子穿出磁场时经过的时间为 （ AC ） A B C D说明：由于带电粒子带电性的不确定性造成多解。例2一质量为m，电量为q的负电荷在磁感应强度为B的匀强磁场中绕固定的正电荷沿固定的光滑轨道做匀速圆周运动，若磁场方向垂直于它的运动平面，且作用在负电荷的电场力恰好是磁场力的三倍，则负电荷做圆周运动的角速度可能是 （ AC ）ABCD说明：由于磁场方向的不确定性造成多解。+qmllvm例3如图所示，长为l的水平极板间，有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，板间距离也为l，板不带电，现有质量为m、电荷量为q的带正电粒子（不计重力），从极板左边中点处垂直磁感线以速度v水平射入磁场，欲使粒子不打极板上，可采取的办法是（ AB ） A使粒子速度v 5qBl/4m C使粒子速度v qBl/m D使粒子速度qBl/4m v 0，0 x 0，x a的区域有垂直于纸面向外的匀强磁场，两区域内的磁感应强度大小均为B。在O点处有一小孔，一束质量为m、带电量为q（q 0）的粒子沿x轴经小孔射入磁场，最后打在竖直和水平荧光屏上，使荧光屏发亮。入射粒子的速度可取从零到某一最大值之间的各种数值已知速度最大的粒子在0 x a的区域中运动的时间之比为2：5，在磁场中运动的总时间为7T