《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学设计

时间：2024-06-19

☆ 赵玲朗陈佳辉

（1.东北师范大学理想信息技术研究院,吉林长春 130117；2.长春市第八中学，吉林长春 130022）

《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学设计

☆ 赵玲朗1陈佳辉2

（1.东北师范大学理想信息技术研究院,吉林长春 130117；2.长春市第八中学，吉林长春 130022）

为了改善高中物理电磁学教学过程与信息技术的融合，通过创设网络学习环境来支持学生自主探究学习。使用信息技术将教学内容直观地呈现给学生，使教学内容清晰化，促进自主探究学习的顺利开展，使学生达到高质、高效的学习。

教学设计；高中物理

随着信息技术的高速发展,高中物理课程改革的进一步加强,新的教材体系以“体现学科体系的系统性”为初衷，展现了浓厚的时代气息。教学课程的设计与实施也更加重视理论与实际的联系，力求充分体现物理知识在生活、生产和科学技术等方面的应用，电磁技术在教学过程中也体现出其重要性。现代信息技术的发展强调运用信息技术给学生提供更加丰富的学习资源，把信息技术作为学生学习物理和解决相关问题的工具，致力于教学方法和模式的变革，以及学生能力的培养。

物理是一门抽象的科学，电磁学是高中物理课程的重要组成部分，其内容主要包括静电现象、电流现象、磁现象、电磁辐射和电磁场等，电磁学内容广泛、扩展性强、与实际联系紧密。但电磁学的研究对象相对抽象，运用传统的实验手段和方法并不能展现所有的物理现象，需要利用信息技术将一些无法通过传统教学方式展现的物理现象清晰地呈现给学生，从而加深学生对物理规律的理解与认识，并培养学生的物理建模能力。

高中学生具备一定的理论知识基础，逻辑思维能力也明显增强，心智日趋成熟，有独立自主性，对新知识充满好奇心，有进取精神。通过信息技术改进教学环境可以丰富学生的学习资源，增加学生的学习兴趣，拓展学生获取知识的途径，增强学生的学习信心，促进学生的自主探究学习。

信息技术在解决物理学习困难的过程中，不仅带来了一些积极作用，同时，也存在一些消极影响。有些教师运用信息技术进行教学，只是单纯地追求外部包装，这样不但会分散学生的注意力，还会遏制学生的思维活动，这样不恰当地应用信息技术会影响学生物理知识的构建，不利于对物理的学习。信息技术作为支撑物理学习的工具，虽然不断地更新、发展，但现如今课堂教学大多数还是以教师的讲授为主，忽视了学生的主体地位，限制了学生的思维活动，不利于学生自主探究学习。

针对以上高中物理电磁学教学过程中实际存在的问题，为了改善高中物理电磁学教学过程与信息技术的融合，通过创设网络学习环境来支持学生自主探究学习。使用信息技术将教学内容直观地呈现给学生，丰富学生的学习资源，提升学生的感性认识，渗透物理思想，充分达到教学意图。针对教学条件，构建信息化学习环境，支撑学生的自主探究学习，使教学内容清晰化，促进自主探究学习的顺利开展，这种教学模式以教师为主导，学生为主体，能够优化课堂教学过程，使学生达到高质、高效学习。信息技术与电磁学教学的整合有助于提升学生智慧，培养学生的高阶思维能力。

一、教学分析

（一）教学内容分析

1.教学内容

《带电粒子在匀强磁场中的运动》是选修3-1第三章第六节的内容，本节课所要学习的知识是本章的重点内容。本节课按照新课标的教学要求，设置了问题驱动——归纳总结——综合应用三个环节，实现学生自主探究学习。让学生带着问题走进课堂，通过运用信息技术探究解决方法，在解决问题的同时，进行归纳总结，驱使学生进一步探究学习，综合应用并能够解决其他相关问题。通过学生自主探究学习，了解带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹。培养学生自主探究能力，在学习过程中领悟研究问题中蕴含的物理思想、方法和规律，提高学生的科学素养和使用规律解决实际问题的能力。

2.教学内容特点

本节课是一节实验探究课，首先提出问题，让学生带着问题进行实验演示，通过实验演示，学生得到初步的感性认识，然后运用已有知识进行理论分析，引导学生通过理论推导来解释实验现象，提高学生的学习兴趣，降低课程的学习难度。通过合理地编排教学内容，提出有针对性的问题，方便教师授课，引导学生自主学习。

3.教学内容地位

本节课在历年高考中，经常以压轴题的形式出现，是本章的重点内容。本节课以力学、曲线运动、匀速圆周运动、向心力和洛伦兹力等内容作为理论基础，既复习了力学与电磁学部分已学过的知识，又将二者有机结合，建构新知识的学习过程，在教材中起到承前启后的作用。根据教学内容，本节课分三个学时完成。

（二）教学对象分析

1.学生的认知特点和情感特点

高中阶段学生具备一定的理论知识基础，对学习有积极性，善于观察，学习态度端正，思维具有一定逻辑性，针对好奇的问题，具备一定的自主探究与解决问题的能力。让学生带着有针对性的问题，在教师适当的引导下，先进行实验观察，再进行理论论证，符合一般认知过程。

2.学生已具备的知识与技能

高二学生基础较好，已经初步具备一定的观察能力、运用物理语言的表达能力和物理概念学习的思维方法以及从教材中的图表中提取信息的能力，本节课通过对已有知识的复习，使学生加强对洛伦兹力特点的认识，结合带电粒子做匀速圆周运动的半径公式、周期公式，让学生初步了解带电粒子在匀强磁场中的运动规律，通过演示实验和学生自主探究的教学环节，使学生积极参与到学习中，进行自主探究学习，突出学生的主体地位，不仅为本节课的学习提供知识储备，并且有助于学生学会知识，将内容直观化提高学生的思维探索能力。

3.学生本课学习存在的困难

本节课学生学习存在的困难是如何圆满完成自主探究过程，用已学过的知识进行理论推导，并解释实验现象，理解和应用带电粒子在匀强磁场中的运动规律。由于学生探究问题的思维过程和方法有限，需要教师提供适当的帮助，引导学生自己一步步得出带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹情况，并进行分析归纳，使学生圆满完成自主探究学习过程，享受探究学习的乐趣。

（三）教学环境分析

根据分析学生的学习情况与本节课的教学内容，选择适当的信息技术支撑教学环境，利用洛伦兹力演示仪、多媒体教学设备辅助教学，提供学生相关虚拟仿真软件、视频、动画和图片，逐步提出有关问题，分解成多个问题，利用信息技术提高学生探究学习的兴趣，降低学生的学习难度，增加课堂教学的有效时间。通过信息化物理实验教学环境，使学生积极主动参与到科学实验过程中，体现学生的主体地位，提供学生展现自己学识与见解的机会，培养学生的物理思想、物理方法和科学精神，提高学生的学习智慧，培养其高阶思维能力。

二、教学目标

（一）知识和技能

（1）了解洛伦兹力对粒子不做功。

（2）理解带电粒子垂直射入匀强磁场中的运动径迹。

（3）能够推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期公式、半径公式，并解决有关问题。

（4）了解质谱仪的工作原理和回旋加速器的结构、工作原理及用途。

（二）过程和方法

利用多媒体教学设备和洛伦兹力演示仪，使学生了解由洛伦兹力提供的向心力并对带电粒子在匀强磁场中的运动进行受力分析，并结合匀速圆周运动公式，推导出带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动的周期公式和半径公式，解决磁场中运动相关问题。

（三）情感、态度和价值观

通过本节课知识点的学习，使学生了解带电粒子在日常生产与生活中的应用，并能推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道周期公式和半径公式，培养学生严谨的科学态度和科学素养，让学生了解物理知识在科技领域的创新与变革作用。

三、教学重点、难点

（1）教学重点：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道周期公式和半径公式的推导与应用。

（2）教学难点：带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹以及受力分析。

四、教学过程

（一）教学流程图

根据本节课的教学大纲，设计基本教学结构流程图如下。

（二）教学环节设计

1.问题驱动

通过复习上节学习内容，明确带电粒子在匀强磁场中的受力，即洛伦兹力F=qvB。提出问题：带电粒子垂直射入匀强磁场中，在洛伦兹力F=qvB作用下会偏离原来的运动方向，那么，带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹是怎样的呢？

（1）观察洛伦兹力演示仪，播放洛伦兹力演示仪的相关视频（如图1）。

图1

提出问题：

①运用何种方法可以观察到电子运动的轨迹？（电子射线可以使管内的低压氢气（或水银蒸气）发光，进而显示出电子运动径迹。）

②通过观察，你所看到的带电粒子是怎样运动的？（无磁场时，带电粒子的运动轨迹是直线；有匀强磁场存在时，带电粒子的运动轨迹是圆形。）

（2）播放《带正电的粒子在磁场中的运动》模拟动画（如图2）。

图2

提出问题：

①在什么条件下带电粒子做圆周运动？此时做什么样的圆周运动？（带电粒子垂直进入磁场。带电粒子匀速圆周运动。）

②带电粒子为什么会做匀速圆周运动？（因为带电粒子受到一个大小不变，方向始终与带电粒子的运动方向垂直的力，即洛伦兹力的作用。）

③带电粒子的向心力是由哪个力提供的？（洛伦兹力F=qvB提供。）

④根据匀速圆周运动的公式，寻找出半径与哪些物理量有关？（在模拟动画中，通过改变带电粒子的速度，使得学生通过观察现象，增强感性认知，有助于学生理论的推导。）

⑤洛伦兹力对带电粒子做功吗？（不做功。）

⑥模拟动画中的运动情景与之前学过的哪个运动情景类似？（人造卫星围绕地球运动、行星围绕恒星运动——都是由万有引力来提供向心力。）

⑦带电粒子运动的速度快慢与哪些因素有关？（不用马上回答，以此引出周期的推导。）

（3）学生仔细观察洛伦兹力演示仪，带着强化的感性认知，用已有知识进行理论分析与推导，进而解释实验现象，验证上述思想，强化轨道半径公式

（4）播放《初速度不同的带电粒子在同一磁场中的运动》模拟动画（如图3）。

图3

提出问题：

①通过对模拟动画的观察，发现何种规律？（初速度不同的带电粒子在同一磁场中运动，轨道半径不同，但运动周期相同。）

②为什么初速度不同的带电粒子在同一磁场中的运动周期相同？（将得到，由此可见，带电粒子在磁场中的运动周期与带电粒子的速度无关。）

〔设计意图：本环节是科学探究活动的起源，通过播放相关视频和仿真动画，激发学生的学习兴趣与探究动机，使学生反复观察带电粒子在匀强磁场中的运动过程，能够使学生初步发现问题，并分解成多个阶梯式问题，逐步接近结果，得出结论，实现信息技术与课程的有机整合。〕

信息技术整合点：这是信息技术环境下问题驱动学习模式，通过视频的播放以及问题的提出，激发学生的学习兴趣与探究动机，用FLV及视频剪辑器播放极光的视频影像，应用Flash展示带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹，让学生理解传统学习环境中不可见的现象，让抽象的内容具体化，使学生发现问题，同时提出问题。

2.归纳总结

（1）利用洛伦兹力演示仪做实验，研究带电粒子在匀强磁场中的运动情况。

（2）通过观察多媒体演示实验，探究带电粒子的运动半径与哪些因素有关，教师进行适当引导，提示洛伦兹力提供向心力，帮助学生开展自主探究学习，探索圆周运动周期公式的推导。

（3）通过信息技术手段，观察带电粒子在云室中的运动图片以及质谱仪的三维动画演示，了解质谱仪的工作原理。

学生通过观察《运动电荷垂直射入磁场》的模拟动画（如图4），自己动手操作，自由选择参数，多次进行观察，记录每次的圆周运动方向、轨道半径以及运动周期，针对每次的结果进行对比分析，运用信息技术查找相关学习资源，对之前提出的具有针对性、递进式的问题逐一进行解决，巩固轨道半径和周期公式，通过课件进行验证。

图4

〔设计意图：这一环节是学生自主探究，发现规律的过程。针对之前一系列问题的提出，学生用已有知识做出了预测，借助信息技术手段验证自己的预测，推导轨道半径和周期公式，在解决问题的过程中，培养学生的自主探究能力和高阶科学思维方法，让学生体验到自主探究的喜悦。〕

信息技术整合点：应用PPT，利用洛伦兹力演示仪做实验，针对提出的一系列问题，学生利用已有的知识做预测，借助信息技术手段验证自己的预测，推导轨道半径和运动周期。教师应用PPT展示带电粒子在云室中的运动图片，利用BS Contact Player软件演示质谱仪的三维动画，调动学生积极性，培养学生的自主探究能力和理论联系实际的科学思维方法。

3.综合应用

提出问题：

①探究了解原子核内部结构的方式。

②观察回旋加速器的三维动画演示（如图5、图6），探究怎样使带电粒子获得更高的能量。

图5

图6

③提供世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸的信息，提高学生探究科学的热情。

〔设计意图：这一环节是学生解决问题，拓展延伸的过程。通过采用信息技术手段对本节课进行学习，不仅要让学生理解新知，更要让学生认识到物理在科学领域的高速发展，让学生带着问题走进课堂，在解决问题的同时，产生新的疑问，驱使学生课后进行进一步的学习和探究，培养学生的物理思想、物理方法和科学精神，达到教学目标。〕

信息技术整合点：利用BS Contact Player软件演示回旋加速器的三维动画，使学生认识到科学发现的艰辛与自主探究的喜悦，应用PPT及相应的网址给学生提供世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸的内容，促使学生课后进一步自主学习和探究新知。