探究洛倫茲力的思考與實踐(fanbo)

1、探究洛倫茲力的教學(xué)思考與實踐佛山市順德區(qū)第一中學(xué) 范波（528300）摘要：在探究洛倫茲力的教學(xué)中我認(rèn)為主要有三個難點問題：一是如何提高實驗現(xiàn)象的可視性；二是如何通過實驗探究帶電粒子的速度方向與磁場方向平行時，帶電粒子不受洛倫茲力；三是如何通過實驗探究洛倫茲力大小的相關(guān)因素。 關(guān)鍵詞：洛倫茲力 可視性 實驗探究洛倫茲力是高中物理學(xué)習(xí)過程中完成了安培力的學(xué)習(xí)之后進(jìn)行的學(xué)習(xí)內(nèi)容。洛倫茲力是微觀帶電粒子在磁場中的受力，如何更直觀、有效的在教學(xué)實踐中完成對洛倫茲力相關(guān)因素的探究是我們中學(xué)物理教師都曾思考過的一個問題。在探究洛倫茲力的教學(xué)中我認(rèn)為主要有三個難點問題：一是如何提高實驗現(xiàn)象的可視性；二是如何

2、通過實驗探究帶電粒子的速度方向與磁場方向平行時，帶電粒子不受洛倫茲力；三是如何通過實驗探究洛倫茲力大小的相關(guān)因素。下面我就圍繞這三個問題談?wù)勎业恼J(rèn)識與實踐。一、 如何提高實驗現(xiàn)象的可視性。陰極射線管是本節(jié)教學(xué)的必需裝置。正常工作時其熒光屏上電子徑跡亮度較高，在研究洛倫茲力的方向時電子束的偏轉(zhuǎn)情況可視性較好，無需其他設(shè)備的輔助即可完成洛倫茲力方向滿足左手定則的判定，但是對于學(xué)生觀察電子徑跡偏轉(zhuǎn)的微小變化的情況可視性較差。利用洛倫茲力演示儀觀察電子在勻強(qiáng)磁場中作圓周運(yùn)動，限于電子徑跡的亮度低，可視性差，教學(xué)過程中一般是學(xué)生輪流到儀器前觀察，教師反復(fù)改變勵磁電流與加速電壓的大小，讓學(xué)生觀察圓周運(yùn)動半

3、徑的變化，全部學(xué)生觀察完畢后再討論電子圓周運(yùn)動半徑大小的相關(guān)因素。這個過程不但時間長，環(huán)節(jié)繁，而且對于實驗現(xiàn)象與對應(yīng)實驗條件的變化情況，全部學(xué)生不能同步進(jìn)行討論。為了解決電子在磁場中運(yùn)動徑跡可視性差的問題，我進(jìn)行了反復(fù)的實驗與比較后發(fā)現(xiàn)實物投影儀可以完美解決這個的問題，用實物投影儀投影電子運(yùn)動徑跡的關(guān)鍵操作是對實物投影儀的亮度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。在光學(xué)實驗室中，我們降低實物投影儀的亮度設(shè)置直到投影屏幕上能夠清晰看到陰極射線管中綠色的電子運(yùn)動徑跡或者洛倫茲力演示儀中電子圓周運(yùn)動的徑跡。實驗條件的改變情況與電子運(yùn)動徑跡的微小變化通過實物儀都能同步投影到大屏幕上，可視性很好。教學(xué)實踐證明，利用實物投影儀解

4、決電子在磁場中運(yùn)動徑跡可視性差的問題不但可行，而且效果頗佳。二、 帶電粒子速度方向與磁場方向平行時不受洛倫茲力的實驗探究高中物理實驗室配備的洛倫茲力演示儀本身可以完成這個實驗，由于洛倫茲力演示儀一般是半密封結(jié)構(gòu)，只有垂直螺線管軸線的一面開放作為觀察通道。調(diào)節(jié)電子束速度方向與磁場方向夾角時由于觀察角度的限制與電子運(yùn)動軌跡的亮度低，電子束的偏轉(zhuǎn)情況不夠直觀，可視性也不好。為了使實現(xiàn)現(xiàn)象更加直觀，我對本實驗做了如下的設(shè)計：（一） 勻強(qiáng)磁場的獲得改裝洛倫茲力演示儀，去除外殼與電子槍部分，將螺線管裸露在空氣中。實驗過程中只利用洛倫茲力演示儀的磁場控制部分，根據(jù)右手螺旋定則，螺線管通電后內(nèi)部磁場方向與其軸

5、線方向平行，可近似為勻強(qiáng)磁場。（二） 研究對象的獲得陰極射線管產(chǎn)生的定向運(yùn)動的電子束作為研究對象，因為熒光屏上電子運(yùn)動的徑跡亮度高，可視性較好。陰極射線管的方位方便控制。（三） 實驗操作過程1、螺線管通電，并利用靜止的小磁針驗證螺線管中磁場的產(chǎn)生。調(diào)整螺線管的位置，使其軸線與學(xué)生視線基本垂直。2、將陰極射線管放置在兩個圓形線圈之間，利用墊塊調(diào)整其高度使得陰極射線管的軸線與螺線管的軸線基本重合。3、斷開螺線管勵磁電流開關(guān)，接通陰極射線管高壓電源，學(xué)生觀察電子運(yùn)動的徑跡；接通螺線管勵磁電流開關(guān)，觀察陰極射線管中電子運(yùn)動的徑跡。若按要求將陰極射線管的軸線調(diào)整到與螺線管軸線基本重合，電子運(yùn)動徑跡無明顯

6、變化。4、用絕緣塑料棒輕輕撥動陰極射線管，讓它水平內(nèi)轉(zhuǎn)動一定的角度，學(xué)生會觀察到電子運(yùn)動的徑跡會豎直平面內(nèi)發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)。在0到90范圍內(nèi)，陰極射線管水平轉(zhuǎn)過的角度越大，電子徑跡的偏轉(zhuǎn)就越大。（四）、實驗結(jié)論（1）根據(jù)左手定則可判定，洛倫茲力的方向與v的方向垂直。若電子運(yùn)動運(yùn)動的徑跡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明電子受到的洛倫茲力為零。即當(dāng)運(yùn)動電荷速度的方向與磁場的方向平行時，電荷不受洛倫茲力。（2）在其他條件不變的情況下，洛倫茲力的大小跟電荷速度方向與所在磁場方向的夾角有關(guān)。在0到90范圍內(nèi)，夾角越大其所受洛倫茲力就越大。（3）不計電荷重力。根據(jù)左手定則，運(yùn)動電荷所受洛倫茲力方向與磁場方向垂直，又P=FV

7、cos，所以洛倫茲力不對運(yùn)動電荷做功。根據(jù)軌跡曲線的形狀與運(yùn)動學(xué)的知識可以判定電荷所做運(yùn)動為勻速圓周運(yùn)動，軌跡曲線為圓周的一部分。最好能用軟件仿真物理實驗室進(jìn)行仿真模擬分析。三、在電荷速度方向與磁場方向垂直的情況下探究洛倫茲力大小相關(guān)因素根據(jù)定義，運(yùn)動電荷在磁場中受到的磁場力叫洛倫茲力。學(xué)生可以很順利的猜想到洛倫茲力大小相關(guān)的因素：磁場的強(qiáng)弱，電荷運(yùn)動的速度，電荷的電量。其中洛倫茲力大小與磁場強(qiáng)弱和電荷運(yùn)動速度大小的定性關(guān)系可以通過實驗探究。為了增強(qiáng)實驗的可視性，本實驗要利用實物投影將實驗過程投影到大屏幕上放大進(jìn)行觀察。探究過程如下： （一）電子速度大小一定的情況下，洛倫茲力大小與磁場強(qiáng)弱的關(guān)

8、系。將陰極射線管垂直螺線管軸線方向放置。陰極射線管接通高壓電源，調(diào)節(jié)合適的勵磁電流使得運(yùn)動電子束發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)勵磁電流旋鈕，學(xué)生觀察并記錄實驗現(xiàn)象。1、勵磁電流增大時，磁場增強(qiáng)，電子運(yùn)動徑跡偏轉(zhuǎn)加劇，圓周運(yùn)動半徑減?。?、勵磁電流較小時，磁場減弱，電子運(yùn)動徑跡偏轉(zhuǎn)變小，圓周運(yùn)動半徑增大。不計電子重力的情況下，洛倫茲力是電子圓周運(yùn)動的向心力，根據(jù)f=mv2/R，R越小則f越大。故可得結(jié)論：磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，電子所受的洛倫茲力就越大。（二）磁感應(yīng)強(qiáng)度一定的情況下，洛倫茲力大小與電子運(yùn)動速度大小的關(guān)系。如上述的實驗裝置，調(diào)節(jié)合適的螺線管勵磁電流與陰極射線管的高壓，讓運(yùn)動電子在磁場中發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)

9、。調(diào)節(jié)高壓電源的電壓，學(xué)生觀察并記錄實驗現(xiàn)象。1、升高陰極射線管高壓電源電壓，電子速度增大，運(yùn)動軌跡的偏轉(zhuǎn)減小，圓周運(yùn)動半徑增大；2、降低陰極射線管高壓電源電壓，電子速度較小，運(yùn)動軌跡的偏轉(zhuǎn)加劇，圓周運(yùn)動半徑減小。根據(jù)f=mv2/R，v越大R也越大。還不能直接得出洛倫茲力增大還是減小的結(jié)論。實驗結(jié)論依然是：洛倫茲力大小可能與v有關(guān)。既然不能得出確定的結(jié)論，為什么要設(shè)計這個實驗?zāi)?？在下面的教學(xué)環(huán)節(jié)中可以通過理論推算得出f=qvB，進(jìn)一步可推得電子在磁場中圓周運(yùn)動的半徑R=mv/qB。這個實驗可以證明理論推算結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合，證明理論推算的結(jié)果是正確的。當(dāng)然在教學(xué)過程中，洛倫茲力公式由實驗并不能直接得出，還需要進(jìn)行一個理論探究。根據(jù)洛倫茲力是安培的微觀原因，利用I=Q/t，F(xiàn)=BIL從理論上可推出f=qvB。如前所述，上述探究實驗證明該理論探究結(jié)果正確。四、真實實驗與仿真實驗運(yùn)動電荷電量的多少是影響洛倫茲力大小的一個因素，但是中學(xué)物理教學(xué)過程中難以獲得不同電量的帶電粒子作為研究對象進(jìn)行實驗探究。仿真實驗是解決這個問題的最佳途徑了，我們可以通過專業(yè)軟件如仿真物理實驗室創(chuàng)設(shè)理想的