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高中物理3-1《洛伦兹力与现代技术》的“问题导学”式教学

2020-08-14练庆清

中学课程辅导·教育科研 2020年22期
关键词:匀速圆周强磁场带电粒子

练庆清

【摘要】本文尝试用“问题导学式”教法来进行《洛伦兹力与现代技术》的教学,使得教学更具探究性和启发性。

【关键词】洛伦兹力与现代技术    问题导学式教学

本教学设计按照“教师为主导,学生为主体,过程为主线”的教学设想,采取了引导探究的教学方法,把教材内容有机地划分成6个探究小课题,辅之以一系列环环相扣的探究小问题,并结合物理学史料来开展教学。在整个过程中,既有学生的积极参与、拾级攀登,又有教师的点拨引导、及时调控。通过师生双边的信息交流,不断地将教学活动引向深入,使学生在获取新知的同时,还亲身经验到科学研究的思想方法,进一步培养了他们的能力。

教学过程:

探究小课题1:垂直射入匀强磁场中的带电粒子,在洛伦兹力的作用下,将会偏离原来的方向。那么,粒子的运动径迹是怎样的呢?

学生活动:讨论和交流,并作出猜想。

教学活动:(1)展示实验器材,简单介绍洛仑兹力演示仪的构造和工作原理。(2)演示实验:不加磁场时电子束的径迹、施加与电子束平行磁场时的径迹、施加与电子束垂直磁场时的径迹。(3)归纳:通过实验我们发现垂直射入匀强磁场中的带电粒子,在洛伦兹力的作用下,将会作匀速圆周运动。

设计意图:问题引出探究课题,激发学生的求知欲。

提出探究小课题2:带电粒子为什么做匀速圆周的运动?

学生活动:分小组讨论,然后每组选一位学生回答。(1)f洛在什么平面内?与v的关系怎样?(2)f洛对运动电荷是否做功?(3)f洛 对运动电荷的运动起何作用?(4)带电粒子在磁场中运动有什么特点?

教学活动:(1)讲解:带电粒子垂直进入匀强磁场,洛仑兹力对运动粒子起着向心力的作用,因此粒子的运动一定是匀速圆周运动,观看flash动画理解粒子作匀速圆周运动。(2)归纳:既然带电粒子垂直进入匀强磁场时作匀速圆周运动,那么下面我们来研究它的半径和周期。

设计意图:通过问题,引导学生分析问题。

提出探究小课题3:一个带电粒子的质量为m,电荷量为q,速率为v,它在磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径和周期是多大呢?

学生活动:根据匀速圆周运动知识和洛伦兹力提供向心力解决问题。

教学活动:我们可以看出带电粒子的半径与运动速率成正比;而周期与运动速率无关。

设计意图:创设物理情境。

提出探究小课题4:历史事件:汤姆逊在做磁偏转的实验时发现经过化学提纯的粒子以相同的初速度进入匀强磁场怎么会得到两条不同的轨迹?

学生活动:具有相同质子数,不同中子数的同一元素的不同核素互为同位素,化学行为几乎相同,但原子量或质量数不同,从而物理性质有所差异。

教学活动:注重学科间的联系,结合所学的知识以及老师的提问引导学生思考。

设计意图:创设物理情境,激发学生的好奇心,加深同学们对半径公式的理解,并经历新事物的发现过程。

提出探究小课题5:同位素的发现也引发了一个新的难题:怎么测量同位素的质量?同学们能不能用已学的知识研发一个测量的仪器?

学生活动:(1)用什么原理测量粒子质量?洛伦兹力提供向心力的公式里含有m.(2)怎样使得粒子获得速度?电场可以对带电粒子做功。(3)怎样选择特定速度的粒子?上节课学习的速度选择器。(4)需要测量什么物理量?结合公式和实际情况。

教学活动:带电粒子进入磁场将沿着不同的半径做圆周运动,打到照相底片的不同地方,在底片上 形成若干的谱线状细条,叫質谱线,每一条谱线对应于一定的质量。从谱线的位置可以知道圆周运动的半径。如果再已知带电粒子的电荷量,就可以算出它质量,这种仪器叫质谱仪。

设计意图:创设物理情境,激发学生探究的欲望。

提出探究小课题6: 在现代物理学中,人们也利用洛伦兹力到最前沿、最复杂的试验中去(视频)。那怎么使得粒子获得很高的能量呢?

学生活动:分小组进讨论,提出解决方案。(1)用什么方式可以使得带电粒子获得速度?利用电场加速。(2)这种加速器受到实际所能达到的电势差的限制,粒子获得的能量并不太高,只能达到几十万到几兆电子伏。如何才能获得较大的能量呢?学生讨论,并能得出采取多级加速的办法使粒子获得较大的能量。(3)这是合乎道理的想法。实际上,也的确存在这这个多级加速器,我们叫做“直线加速器”,目前已经建成的直线加速器有几公里,甚至几十公里长。但是,直线加速器占地面积太大,能否既让带电粒子多次加速,获得较高能量,又尽可能减少占地面积呢?思考并提出方案:外加磁场!利用匀强磁场使它重返电场,再次加速。

教学活动:1932年美国物理学家劳伦斯正是沿着与我们相仿的巧妙思路发明了回旋加速器。

设计意图:通过提出课题,引出回旋加速器。引导学生自主设计方案,根据所学知识解决问题。

课后思考7:(1)为使带电粒子不断得到加速,提供加速电压的电源应符合怎样的要求?(2)粒子所能达到的最大速度是多大?

设计意图:留有空间让学生课后独立尝试和思考

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