吴玮佳

（南京师范大学附属中学，江苏 南京 210000）

教学资源作为课堂教学中的重要素材，其设计、组织与运用都围绕着教学目标的达成，其中就包括培养学生的核心素养.［1，2］以真实的问题情境作为素材运用在教学中，能够充分激发学生的学习兴趣，给学生充足的空间形成猜想，并制订方案验证猜想，从而开展完整、有效的科学探究，在此过程中进行模型建构、科学推理与论证，培养科学思维.［3］

1 洛伦兹力实验现象的新发现

在进行“磁场对运动电荷的作用力”一节的备课时，笔者发现原本使用的阴极射线管中射出的电子束，在没有外加磁铁磁场的情况下会出现天然的弯曲（图1所示电子束运动方向为自西向东）.

图1 洛伦兹力实验

笔者猜想，产生这一现象的主要原因可能是：

（1）底座内部通电线圈产生的磁场，或射线管金属外壳被磁铁磁化，使得电子束受到洛伦兹力发生偏转.

（2）地磁场使电子束受到洛伦兹力发生偏转.

针对上述两种主要猜想，笔者进行实验验证如下.

① 为排除附近磁铁对电子束的影响，将装置移至周围没有磁铁的空间进行实验.

② 保持管身不动，改变底座的位置.

实验发现电子束偏转方向不随管身与底座相对位置的变化而变化，由此排除猜想（1）.

③ 根据地磁场的分布情况可知，北半球地磁场的方向大致为自南向北，由上斜向下，结合电子的运动方向，由左手定则判断电子束应向南、向下偏转，与电子束实际偏转方向一致.

④ 将射线管反向放置，改变电子运动方向（自东向西），电子束向与③中相反的方向偏转，与左手定则判断的偏转方向一致.

⑤ 调整电子束出射方向，使其与地磁场方向保持一致.观察到调整过程中电子束的轨迹逐渐趋于直线，当调至大致沿磁感线方向时，轨迹基本为直线，如图2所示.

图2 洛伦兹力实验

⑥ 结合数据：电子带电荷量为1.6×10－19C，质量约为9×10－31kg，该阴极射线管的最大加速电压为220 V，南京地区的磁倾角约为46°，磁感应强度大小约为5×10－5T，则电子在地磁场中做圆周运动的轨迹半径约为1.3 m，的确在射线管内可以看到较为明显的偏转.而外接高压电源的阴极射线管（图3）由于加速电压高，电子出射速度大，轨迹半径大，加之其是由电子束掠射在荧光板上显示轨迹，因此观察到的轨迹近乎直线.

图3 阴极射线管

虽然上述方案较为简略，但综合实验及理论分析，可对猜想（2）进行佐证：电子束的偏转原因符合地磁场对其影响的猜想.

2 结合实际现象与学生核心素养培养的教学资源创新设计

本节的教学重点为洛伦兹力的方向和大小，因此，新授内容之后的课堂练习应该突出这两方面的内容.笔者意图将上述实际问题设计为新的教学资源，以探究性问题的形式在课堂中呈现，引导学生在猜想与验证中回顾地磁场知识，分析判断电子受到的洛伦兹力的方向，并将其编成一道例题，让学生对洛伦兹力大小的计算进行练习.同时，题目情境又能够引导教学自然地过渡到下一环节对洛伦兹力的应用之一——极光的介绍上去.

根据上述设想，笔者将题目设计为模拟太阳向地球发射高能粒子的情境，使用阴极射线管射出电子束的实际数据，让学生判断电子受到的洛伦兹力的方向，并计算洛伦兹力的大小.考虑到该例题是学生当堂对新知识进行的练习，题目情境应清晰明了，意图直指洛伦兹力的大小与方向两方面.

例题设计如下.

3 创新教学资源对学生核心素养培养的实践效果

本节课按照先方向、后大小的顺序对洛伦兹力进行教学，接着引出该资源.教学片段如下.

师：请大家来观察一个有意思的现象.老师课前在用这种阴极射线管做实验时，发现电子束在没有外加磁铁磁场的情况下也会出现弯曲［展示现象（图4）］，这是什么原因导致的？

图4

大部分学生：地磁场影响.

个别学生：附近有磁场.

师：在不知道磁场分布的情况下如何验证是否是附近磁体的磁场对电子产生了作用？

生：尽可能使磁铁远离射线管，或调转磁铁极性，看电子偏转方向是否与之前相反.（演示实验，发现电子偏转情况不变）

师：如何验证是地磁场对电子的作用？

生：按地磁场方向判断电子受到的洛伦兹力方向与实际偏转方向是否一致.

师：一致的话就能说明一定是地磁场的影响吗？

生：好像也不一定.

师：但至少我们可以初步地进行佐证.

下面我们将阴极射线管竖直放置，使电子由高处沿竖直方向射向地面，观察电子束向哪里偏.

生：西.

师：能结合理论进一步说明吗？（作图5辅助学生思考）

图5

生：地磁场在北半球方向由南向北，斜向下，地磁场平行于地面的分量使电子受到向西的洛伦兹力，与实际偏转情况一致.

师：根据上述分析，我们至少可以认为地磁场作用的猜想与实际现象不矛盾.老师收集了一些数据，请大家计算一下这种情境下电子受到的洛伦兹力大约有多大.（展示例题）

师：这么小的力为什么会产生如此明显的偏转呢？

生：电子质量小，加速度很大.

师：请计算一下加速度是什么数量级的.

师：（展示矢量图）当然，如果要对带电粒子在磁场中运动轨迹的偏转情况做出进一步说明，我们还需要用到下节课学习的内容.

大家都知道，太阳作为一个高能粒子源，时刻都在向外发射高能粒子.这些能量比阴极射线高得多的粒子如果直击地球，将会对地球造成毁灭性的打击.通过刚才的题目情境，你能解释为什么地球没有毁灭吗？

生：粒子受到地磁场作用产生的洛伦兹力使得运动轨迹发生偏转，绕过地球.

师：不仅如此，地磁场还有使粒子向两极汇聚的作用，这就产生了在两极地区特有的现象——极光.

4 小结与思考

实际生活中的真实问题作为潜在的资源，经过挖掘与开发，在课堂教学中可以起到多方面的作用.本文以“磁场对运动电荷的作用力”一节的教学为例，列举备课过程中发现的实际问题，结合新高考形式和课堂教学设计素材，将问题进行多层次的应用.不仅对新授知识进行了及时的练习与运用，还通过抛出问题，引发学生的科学探究与模型建构过程.自然地衔接了对洛伦兹力理论与应用两部分内容的教学，同时引出对极光的介绍，并为下一节“带电粒子在匀强磁场中的运动”埋下伏笔，让学生有了一定的认识.在此过程中培养学生的科学思维与探究能力，凸显物理学科的核心本质.