學習高中物理“磁場”教學研究的總結(jié)

學習高中物理“磁場”教學研究的總結(jié)

通過學習高中物理“磁場”教程，使我更加清楚的認識了場是電磁學的核心概念之一，而磁場中的相關概念和規(guī)律又是電磁學中重要的知識，也是高中物理的教與學的難點。因此，探索有效地教學策略顯得非常重要。

通過學習高中物理“磁場”教程，下面我談談自己的幾點看法：

1、注重循序漸進，先宏觀后微觀，注重知識的生成。比如，學習“磁感應強度的幾種定義”時，(1)用一段通電直導線受到的磁場力來定義：通電直導線在磁場中受到力的作用，這種力叫做安培力。這種定義方法是用一小段通電導線作為檢測物體，安培力能夠演示，形象直觀，便于學生接受。但是這種方法確定的是一小段通電導線所在范圍內(nèi)磁感應強度B的平均值，只有對勻強磁場，給出的才是各點的B。(2)用通電矩形線圈受到的力矩來定義：由于線圈等效于一個小磁針，線圈在磁場中受到的作用力相當于小磁針受到的作用力。所以用線圈作為檢測物體來研究磁場，與歷史上對磁場的認識過程比較一致，但是由于線圈總有一定的大小，所確定的也是線圈范圍內(nèi)的磁感應強度B的平均值，不能嚴格地確定磁場中各個點的B。(3)用運動電荷受到的磁場力來定義：運動電荷在磁場中要受到力的作用，這個力叫做洛倫茲力。通過磁場對運動電荷的作用力來引入磁感應強度B。但這種定義方法比較抽象，要求學習者有較高的抽象思維能力和推理能力。在這個過程中注意了先簡單、直觀、易操作理解，逐步加深，有點到面，有特殊到一般，從宏觀到微觀，完全符合學生的認知規(guī)律。讓學生不僅學到了新的知識，而且培養(yǎng)了學生的抽象思維能力和推理能力。

2、注意物理學思想與方法的滲透。許多物理定論都是科學家們憑著勇敢大膽的假設猜想，再通過一次又一次的實驗，去發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新的；在表象、概念的基礎上能進行抽象、模擬、分析、綜合、判斷、推理、總結(jié)等認識活動，最終得出讓世人刮目的結(jié)論。例如，牛頓運動三定律中的第一、慣性定律就是在伽利略的工作基礎上由牛頓總結(jié)出來的，重在物理思想的體現(xiàn)，例如：首先讓學生明白兩種特殊情況。從磁感應強度大小的定義式變形，很容易得到電流與磁場方向垂直時，安培力F=BIL。另外，讓學生明確當電流和磁場方向平行時，安培力為0.再引導學生根據(jù)等效替代關系，對磁感應強度進行矢量分解，把磁感強度B沿平行于電流和垂直于電流兩個方向分解為B2和B1。則B2分量對電流的安培力為零，所以磁場對電流的安培力為B1分量對電流的安培力。

多處運用類比的方法，比如電磁感應強度的大小、方向；安培力的大小、方向；洛倫茲力的大小、方向。提出問題，做好演示實驗，引導學生認真觀察記錄、分析實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論，練習鞏固。整個過程既激發(fā)了學生的學習興趣、學到新知，又培養(yǎng)了學生空間思維能力。

比較法也是物理學中常用的思想方法。比如電場力和洛倫茲力的比較⑴.在電場中的電荷，不管其運動與否，均受到電場力的作用；而磁場僅僅對運動著的、且速度與磁場方向不平行的電荷有洛倫茲力的作用。⑵.電場力的大小F＝Eq，與電荷的運動的速度無關；而洛倫茲力的大小f=Bqvsinα,與電荷運動的速度大小和方向均有關。⑶.電場力的方向與電場的方向或相同、或相反；而洛倫茲力的方向始終既和磁場垂直，又和速度方向垂直。⑷.電場力既可以改變電荷運動的速度大小，也可以改變電荷運動的方向，而洛倫茲力只能改變電荷運動的速度方向，不能改變速度大�、�.電場力可以對電荷做功，能改變電荷的動能；洛倫茲力不能對電荷做功，不能改變電荷的動能。⑹.勻強電場中在電場力的作用下，運動電荷的偏轉(zhuǎn)軌跡為拋物線；勻強磁場中在洛倫茲力的作用下，垂直于磁場方向運動的電荷的偏轉(zhuǎn)軌跡為圓弧．這種方法避免了學生對不同的混淆。

這次的學習收獲很多，在以后的教學中我會把學到的新方法新理念應用實踐中去。

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專題講座

高中物理“磁場”教學研究

張宇（北京市育英中學，高級教師）

一、磁場主題的學科知識的深層次理解

（一）《磁場》的知識結(jié)構(gòu)

本主題內(nèi)容按如下的線索展開：

磁場概念的建立和描述磁場對電流和運動電荷的作用安培力和洛侖茲力的應用。這樣安排，知識的邏輯結(jié)構(gòu)比較清晰，也符合學生的認知規(guī)律。

本主題可以分為三個單元。第一單元主要內(nèi)容為：通過演示實驗使學生對磁場有了一定的感性認識，在此基礎上，利用科學的方法來描述磁場。本單元可以分為三節(jié)課。第1節(jié)在初中相關知識的基礎上，通過磁體間的作用、小磁針指南北的性質(zhì)和奧斯特實驗等現(xiàn)象認識到在磁體、地球和電流周圍存在磁場，認識到磁體與磁體、磁體與電流、電流與電流之間的作用力是通過磁場發(fā)生的。第2、3兩節(jié)學習了磁場的描述。磁場具有強弱和方向，磁場的這種性質(zhì)可以用磁感應強度進行定量描述，也可以用磁感線定性描述。第二單元學習磁場的一個性質(zhì)：磁場對通電導線的作用力安培力。第三單元學習磁場的另一個性質(zhì)：磁場對運動電荷的作用力洛倫茲力，以及帶電粒子在勻強磁場中的運動，里面穿插了洛侖茲力的應用，尤其是在現(xiàn)代高新科技中的應用。這樣安排，從初中知識講起，注重了循序漸進，先宏觀后微觀，注重了知識的依次生成。

（二）《磁場》在學科知識體系中的地位及相互關系

學生在初中已經(jīng)學習了簡單的磁現(xiàn)象，頭腦中初步建立了磁場的概念。在本模塊我們剛剛學習了靜電場，對于磁場，可以通過和電場類比進行教學。比如磁感應強度與電強場度類比；磁感線與電場線類比；安培力、洛倫茲力和電場力類比。類比是一種重要的學習方法，它不單單是從舊知識發(fā)展新知識的生長點，同時通過對比，使學生辯析兩者的不同，從而對知識的理解更深入。另外，通過類比學習，也可以發(fā)展學生的求同思維和變異思維，培養(yǎng)學生的思維能力。

本主題內(nèi)容對學生的空間想象能力比較高，電流周圍的磁場、安培力和洛倫茲力等內(nèi)容都涉及到不同物理量之間的空間關系。在教學中注意通過立體圖和平面圖（三視圖）之間的轉(zhuǎn)化來培養(yǎng)學生的空間思維能力。

帶電粒子在磁場中的運動軌跡是圓周，解決這類問題，對平面幾何中圓的知識應用較多，通過習題訓練，可以培養(yǎng)學生應用數(shù)學知識解決物理問題的能力。

本主題涉及到很多實際應用，課本中涉及到磁電式電流表、電視顯像管、回旋加速器、質(zhì)譜儀等，課后習題涉及到電流天平、速度選擇器、磁流體發(fā)電、電磁流量計等。通過這些內(nèi)容可以激發(fā)學生的學習興趣，可以使學生樹立理論聯(lián)系實際的意識，還可以訓練學生把實際問題轉(zhuǎn)化成物理模型的能力。

注意物理學思想與方法的滲透。新課標教材首次引入“電流元”這個物理量，就像質(zhì)點、點電荷、試探電荷一樣，電流元也是一個理想化模型。另外，電流元還涉及到“微元法”這一物理思想。其實我們在引導學生分析電流在非勻強磁場受力時，需要用到微元法，這次課改把微元法納入教材內(nèi)容，提醒我們在課堂上應該有意識、有步驟地滲透物理思想和方法。

本主題的教學內(nèi)容，對后續(xù)知識的學習是重要的基礎。比如選修3-2中電磁感應、交流電和選修3-4中的電磁場和電磁波。

（三）對磁感應強度概念的深入理解1．磁感應強度的幾種定義

磁感應強度是描述磁場的基本物理量，已知一個磁場的磁感應強度的分布，就可以確定運動電荷、電流在磁場中受到的作用力。磁感應強度B是和靜電場的電場強度E相對應的物理量。靜電場對電荷有作用力，靜電場可以用檢驗電荷在電場中各點受到的力來研究，電場強度E定義為E=F/q。研究磁場也要引進一個檢測的物體，由于磁場對運動電荷、電流有作用力，對通電線圈有力矩的作用，所以可以采用這三種物體作為檢測磁場的物體，采用不同的檢測物體，也就相應地給出了磁感應強度B的不同定義。

2.下面介紹常見的磁感應強度的三種定義方法。(1)用一段通電直導線受到的磁場力來定義

通電直導線在磁場中受到力的作用，這種力叫做安培力。實驗表明，如果直導線的長度為L，電流為I，垂直放在勻強磁場中，作用在導線上的安培力大小為F=ILB。由此可以定義磁感應強度B，即B=F/(IL)。

這種定義方法是用一小段通電導線作為檢測物體，安培力能夠演示，形象直觀，便于學生接受。中學教科書多采用這種定義方法，在中學物理實驗室用來測量磁感應強度的電流天平就是根據(jù)這個原理設計的。但是這種方法確定的是一小段通電導線所在范圍內(nèi)磁感應強度B的平均值，只有對勻強磁場，給出的才是各點的B；對于非勻強磁場，不能給出各點的B，因此，對學生建立磁感應強度的概念有不利之處。

(2)用通電矩形線圈受到的力矩來定義

面積為S的小矩形線圈，通以電流I，當線圈平面跟磁場平行時，線圈所受磁場力的力矩為M=BIS，由此可給出B的定義式，即B=M/(IS)。

由于線圈等效于一個小磁針，線圈在磁場中受到的作用力相當于小磁針受到的作用力。所以用線圈作為檢測物體來研究磁場，與歷史上對磁場的認識過程比較一致，某些普通物理教科書中有采用這種定義方法的，但是由于線圈總有一定的大小，所確定的也是線圈范圍內(nèi)的磁感應強度B的平均值，不能嚴格地確定磁場中各個點的B。

(3)用運動電荷受到的磁場力來定義

實驗表明，運動電荷在磁場中要受到力的作用，這個力叫做洛倫茲力。運動電荷在磁場中某點所受磁場力的大小跟電荷量q、運動速度v以及該點的磁感應強度B有關系，還跟運動方向與磁場方向間的夾角有關系，當電荷運動的方向垂直于磁場時所受的磁場力最大，且F=qvB，由此可給出磁感應強度B的定義式，即B=F/(vq)。

電磁學是研究電磁場與電荷間相互作用及運動規(guī)律的，電磁場對電荷有作用力，通過電場對電荷的作用力引入了電場強度E，與此對應，通過磁場對運動電荷的作用力來引入磁感應強度B。從理論上講，這種定義B的方法也比較本質(zhì)、嚴謹，所以許多教科書中采用這種定義方法，但這種定義方法比較抽象，要求學習者有較高的抽象思維能力和推理能力。

磁感應強度還有一個名稱叫做磁通密度，即它在數(shù)值上等于通過與磁場方向垂直的單位面積的磁通量大小，反映了該處磁感線的疏密情況。這種定義方法可以把描述磁場的兩種方法磁感應強度和磁感線有機地結(jié)合起來，便于學生理解。

3.《磁場》知識的拓展

磁的應用非常廣泛，隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，和磁有關的霍爾元件得到廣泛應用，我們下面主要介紹霍爾效應及其應用。

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器�；魻栃�應是磁電效應的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面�；魻栃�應也是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

在半導體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓。

根據(jù)霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術(shù)等領域得到廣泛的應用。

由于通電導線周圍存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測量出磁場，就可確定導線電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。

如果把霍爾元件按預定位置有規(guī)律地布置在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號就可以傳感出該運動物體的位移。若測出單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運動速度。

201*年北京高考就考察了霍爾效應及其應用，題目如下：

23.（18分）利用霍爾效應制作的霍爾元件以及傳感器，廣泛應用于測量和自動控制等領域。本題在題干中介紹了霍爾效應的現(xiàn)象和產(chǎn)生機理等相關知識，考察學生聯(lián)系實際，建立物理模型，應用所學知識解決實際問題的能力。在第3問還提出一個開放性問題“利用霍爾測速儀可以測量汽車行駛的里程。除此之外，請你展開“智慧的翅膀”，提出另一個實例或設想�！北驹O問給學生提供了一個對問題進一步探索研究的空間和平臺，引導學生學以致用、關注社會、關注身邊的生活。應該說，這樣設問，體現(xiàn)了課程改革的基本理念，對提高學生的科學素養(yǎng)、對中學物理教學起到了良好的導向作用。

二、《磁場》主題的教學策略

《磁場》主題的教學重點是，第一，學生在認識磁場的基礎上正確理解磁場的描述方法，即理解磁感應強度這個概念以及磁感線的物理意義。第二，磁場對通電導線或運動電荷的作用力，即安培力和洛倫茲力。本主題的難點是應用磁場對運動電荷的作用規(guī)律來分析粒子在磁場中的運動，以及和磁場有關的實際應用。（一）《磁感應強度》教學策略

磁感應強度是電磁學的基本概念之一，是本主題的重點。磁感強度概念的引人、方向的規(guī)定、大小的定義都可以通過和電場強度類比來學習，通過學習，可以讓學生體驗類比這種科學研究方法。但磁感強度方向的規(guī)定用小磁針N極的受力方向，磁感強度的大小利用電流受力來定義，這又比電場強度定義更復雜，往往使學生產(chǎn)生混淆。

有的教材中引人電流元這個理想模型，就像質(zhì)點、點電荷、試探電荷一樣，電流元也是一個理想化模型。另外，電流元還涉及到“微元法”這一物理思想。在用V-t圖像求位移時，學生已經(jīng)接觸過微元法，電流元的引人可以讓學生進一步體悟“微元法”這一物理思想。

磁感應強度是用比值定義法來定義的。比值定義法是物理中最常用的定義物理量的方法，類比電場強度，結(jié)合微元法，使學生進一步鞏固比值定義法。

《磁感應強度》教學案例1.磁感應強度的方向

小磁針在磁場中靜止時，它的N、S的指向是唯一確定的，撥動它，它將發(fā)生轉(zhuǎn)動，但當它重新靜止時，又回到原來的指向。所以物理學中就把小磁針靜止時N極所指的方向規(guī)定為該點的磁場方向，即磁感應強度的方向�；蛘哒f，小磁針N極的受力方向或S極受力的反方向為該點的磁感應強度的方向。

2.磁感應強度的大小

問題：小磁針確定磁場的方向非常方便，但無法確定N、S極在磁場中的受力大小，怎么確定磁場的強弱呢？

磁場除了對磁體有力的作用外，還對通電導線有力的作用。我們可以根據(jù)通電導線在磁場中的受力情況來描述磁場的強弱。請學生猜想磁場對電流的作用力和哪些因素有關？

做好如圖所示的定性演示實驗：

（1）磁場力大小和懸線的偏角正相關，為了現(xiàn)象明顯，懸線不能太短。演示時注意裝置的擺放，讓學生便于觀察偏角的大小。

（2）當偏角不同時，要慢慢移動磁體使導線相對于磁體的位置不變。（3）分別接通1、2和1、4，改變導線通電部分的長度，保持電流大小相同，比較偏角大小。

（4）保持通電部分長度不變，改變電流的大小，比較偏角的大小。

定量實驗表明：當通電導線和磁場垂直時，它受力的大小與導線的長度L成正比，又與導線中的電流I成正比。即F∝IL。或者F/IL=定值。這個定值的大小可以反映磁場的強弱，定值越大，表明磁場越強。

為了反映磁場中各點的磁場強弱，在物理學中，把很短一段通電導線中的電流I與導線長度L的乘積IL叫做電流元。電流元和質(zhì)點、點電荷一樣都屬于理想化模型。有了電流元這個模型，我們就可以定義磁場中每一點磁場的強弱,即磁感應強度的大小。

定義：當導線和磁場垂直時，若電流元IL在該點所受磁場力為F，則磁感應強度B的大小大小等于F與IL的比值。

對于該定義，應該強調(diào)以下幾點：

磁感強度B的單位特斯拉T由定義式確定，1T=1NAm定義的前提條件是導線和磁場垂直。

在磁場中同一點，F(xiàn)/IL=定值。即某點磁感應強度B與電流元IL、及其受力F無關。

磁感應強度B的方向并非F的方向，二者互相垂直，B的方向為小磁針N極的受力方向。

作為對磁感應強度這個概念的的復習鞏固，可對比磁場和靜電場，比較磁感應強度和電場強度的異同。兩者都用比值法定義物理量，其基礎是力與電荷量、電流元成正比，比值反映了場的強弱；二者也有明顯不同，從方向看，靜電力與電場強度的方向總是相同或相反，而磁場對通電導線的作用力方向與磁感強度的方向總垂直。從大小看，某試探電荷在電場中某位置受靜電力的大小是一定的，而某電流元在磁場中受的磁場力大小還與通電導線如何放置有關，定義式的成立條件是磁場和導線垂直。

（二）《磁感線》教學策略

用磁感線描述磁場的強弱和方向，由于有初中基礎和前面電場線的學習，理解起來并不困難。但由于磁感線的分布是空間的，而不是平面的，應該通過演示實驗來加深認識，教學中應注意培養(yǎng)學生學習的空間想象力�？梢圆扇　耙粓D多畫”的辦法，即對于同一個物

-1-理情景，從不同的角度用圖形來描繪，可以先畫出立體圖，然后轉(zhuǎn)化成不同的平面圖，像正視圖、側(cè)視圖和俯視圖。

《磁感線》教學案例1.磁感線

明確曲線上每一點的切線方向跟這點的磁感應強度方向一致，或者說與靜止于該點的小磁針N極所指的方向一致。

可以用鐵屑在磁場中的分布情況來模擬磁感線的形狀。這是因為細鐵屑在磁場中磁化成小磁針，輕敲玻璃板，鐵屑就會有規(guī)則地排列起來，模擬出磁感線的形狀。

明確磁感線只是為了研究問題方便而假想的一系列曲線，磁體周圍并不真正存在磁感線。

引人磁感線后，讓學生對比電場線和磁感線，并明確：兩者都用切線方向描述場的方向，用疏密描述場的強弱；

電場線是不閉合的，始于正電荷，終于負電荷；磁感線是閉合的，沒有起點和終點。學生明確了用磁感線來描述磁場的強弱和方向后，可以引導學生研究幾種常見的磁場，加深理解，同時也為進一步學習提供具體的磁場形式。

學生在初中已經(jīng)學習過條形磁體、蹄形磁體、同名磁極間、異名磁極間的磁感線。比較熟悉通電螺線管周圍的磁場。高中階段我們在復習以上磁場的基礎上，應該把通電直導線和環(huán)形電流的磁場作為重點。

首先用細鐵屑模擬出通電直導線的磁感線，使學生認識到通電直導線周圍的磁感線是以導線上各點為圓心的同心圓。然后用小磁針來確定磁感線的方向。把實驗現(xiàn)象用圖形表示出來，和學生共同總結(jié)出安培定則。

為了培養(yǎng)學生的空間想象能力，可以引導學生做一做圖形轉(zhuǎn)換，先畫出通電直導線周圍磁場的立體圖，然后轉(zhuǎn)換出平面圖。首先讓學生識記兩個表示方向的符號×和的意義，然后帶領學生畫出縱剖圖，圖中的符號×和表示磁感線的方向。接著再讓學生畫出俯視圖和仰視圖，圖中的符號×和表示電流的方向。引導學生比較仰視圖和俯視圖，兩圖描述同一磁場的磁感線，一個是逆時針，而另一個是順時針，所以我們描述環(huán)形磁場方向的時候，必須明確觀察的角度。由于磁感線的分布是空間的，而不是平面的，所以我們有必要演示磁場的空間分布情況，圖中的實驗裝置給學生看一看，學生馬上有豁然開朗的感覺。

對于環(huán)形電流的磁場，從磁感線的描述、磁場方向的確定到安培定則的得出，由于有直導線的磁場作為鋪墊，教師只要做好演示實驗，歸納和總結(jié)大可讓學生完成，一方面是給學生一個練習的機會，另一方面也可以培養(yǎng)學生的思維能力和科學表述能力。

最后，教師可以引導學生把環(huán)形電流和通電直導線以及通電螺線管的磁場做一做分析對比。我們可以把環(huán)形電流分割成無數(shù)個電流元，每一個電流元可以看成是一個通電直導線，環(huán)形電流的磁場可以認為是這些電流元的磁場進行矢量疊加得到的。從另一個角度看，環(huán)形電流也可以看作只有一匝的通電螺線管，從磁場分布情況看，通電螺線管可以等效成一個條形磁體，環(huán)形電流可以等效成一個小磁針。通過這樣的類比，使學生對電流的磁場形成一個統(tǒng)一的認識，另外等效思想也為學生分析具體問題提供了一個非常方便的辦法。比如下面問題：

如圖所示，兩個完全相同的閉合導線環(huán)掛在光滑絕緣的水平橫桿上，當導線環(huán)中通有同向電流時(如下圖)，兩導線環(huán)的運動情況是()

A.互相吸引，電流大的環(huán)其加速度也大B.互相排斥，電流小的環(huán)其加速度較大C.互相吸引，兩環(huán)加速度大小相同D.互相排斥，兩環(huán)加速度大小相同

盡管學生還沒有學習左手定則，但我們可以用等效方來分析本題，把兩個環(huán)形電流等效成一對小磁針，靠近的兩端為異名磁極相互吸引，所以兩個導線環(huán)互相吸引，又由于牛頓第三定律，相互作用力大小相等，而兩環(huán)完全相同，由牛頓第二定律可知，兩環(huán)加速度大小相同。所以正確答案為C。本題也可以把環(huán)形電流分割成無數(shù)的電流元，每兩個相對的電流元電流方向相同，相互吸引。

2.分子電流假說

安培分子電流假說，盡管教學要求不高，但對培養(yǎng)學生的物理思維有非常重要的價值，使學生感受物理理論的和諧、統(tǒng)一。進一步理解磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，使學生體會由事物的表面現(xiàn)象挖掘其本質(zhì)原因的思維過程，培養(yǎng)思維的深刻性。

有必要讓學生知道，“假說”是用來說明某種現(xiàn)象但未經(jīng)實踐證實的命題。在物理規(guī)律和物理理論建立的過程中，假說常常起著很重要的作用。它是在一定的觀察和實驗的基礎上概括和抽象出來的。安培分子電流就是在“通電螺線管磁場與條形磁鐵的磁場極為相似”這一事實的啟發(fā)下，結(jié)合環(huán)形電流磁場的特點，經(jīng)過思維發(fā)展而產(chǎn)生出來的，這種從表面現(xiàn)象的簡單相似到本質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系的發(fā)展，體現(xiàn)了物理學深刻而又簡潔之美。

安培電流假說把電流的磁場和磁體產(chǎn)生的磁場很好地統(tǒng)一起來，利用它可以很好地解釋磁化和消磁這兩種物理現(xiàn)象。

（三）《磁場對通電導線的作用力》教學策略

對于安培力的大小，在前面定義磁感應強度的大小時學生對磁場和導線垂直的情況已經(jīng)了解，通過公式變形，很容易得到安培力大小的公式。這里需要學生理解當導線和磁場不垂直的情景，安培力大小如何確定。安培力、電流和磁感強度三者方向的空間關系是教學難點。教學中首先做好演示實驗，學生在實驗現(xiàn)象的基礎上，建立三維坐標系，標清三者的方向，正確理解三者之間的空間關系，并得出左手定則。

安培力、電流和磁感強度三者方向的空間關系是培養(yǎng)學生空間想象能力的好題材，要使學生能夠看懂立體圖，并能熟悉地轉(zhuǎn)化成平面圖，如各個角度的側(cè)視圖、俯視圖和剖面圖。讓學生養(yǎng)成作圖分析問題的良好思維習慣，需要一定量的習題來訓練和鞏固。

學習安培力后，可以把安培力和靜力學及平衡狀態(tài)進行綜合命題，培養(yǎng)學生的綜合能力。通過練習，使學生樹立電磁學問題轉(zhuǎn)換為力學問題、把陌生問題轉(zhuǎn)換成熟悉問題的轉(zhuǎn)換意識。這類問題，把三維立體情景轉(zhuǎn)化為同一平面內(nèi)的共點力平衡，做好平面受力圖，養(yǎng)成受力分析的好習慣，是解決這類問題的關鍵。

《磁場對通電導線的作用力》教學案例1.安培力的方向

做好演示實驗，引導學生認真觀察記錄、分析實驗現(xiàn)象。記錄和分析的過程本身就是培養(yǎng)學生空間思維能力的過程，要很好地把握。如圖，把實驗結(jié)果用三維坐標圖記錄下來；并學習教材介紹的左手定則驗證實驗現(xiàn)象。分別改變磁場方向和電流方向，先讓學生用左手定則預測安培力的方向，然后用實驗驗證。為了讓學生熟練掌握左手定則，這時可以安排練習讓學生熟悉左手定則的應用。比如下題。

在下列各圖中，分別標出了磁場B的方向，電流I方向和導線所受安培力F的方向，其中正確的是

當然本題也可以改編為電流、磁感線、安培力三個方向，知道其中兩個，判斷第三個物理量的方向。

對于導線和磁感線方向不垂直的情況，往往學生感到困難，先讓學生觀察演示實驗，轉(zhuǎn)動磁極，使磁感線和導線方向夾角不是90度，學生通過懸掛導線的偏轉(zhuǎn)認識到，安培力的方向不變，大小減小。然后作圖分析。比如圖中的情形，磁感線和電流方向不垂直，由實驗結(jié)果知安培力的方向垂直紙面向里。這里，可以和學生一起復習立體幾何的一個定理：如果一條直線垂直于平面內(nèi)兩條相交的直線，則該直線和平面垂直。可見，不管電流和磁感線夾角如何，安培力一定既垂直于電流，也垂直于磁感線，即垂直于電流和磁感線所確定的平面。這種情形也可以用左手定則來判斷安培力的方向，但注意磁感線是傾斜穿過掌心。如圖所示的情形，安培力應該垂直紙面向里。分析下面習題：

關于左手定則的使用，下列說法中正確的是（）

A.在電流、磁感應強度和安培力三個物理量中，知道其中任意兩個量的方向，就可以確定第三個量的方向

B.知道電流方向和磁場方向，可以唯一確定安培力的方向C.知道磁場方向和安培力的方向，可以唯一確定電流的方向D.知道電流方向和安培力的方向，可以唯一確定磁場方向

我們知道，不管電流與磁場夾角如何，安培力方向不變，所以知道電流方向和磁場方向，可以唯一確定安培力的方向。所以正確選項是Ｂ。

左手定則涉及三個物理量的方向，三維圖的立體感強，具有直觀、形象、逼真等特點，而學生的空間想象力還不強，教學中要重視對三維圖形的識讀訓練。201*年北京高考第23題以電磁流量計為背景命題，很多考生就是因為對電磁流量計的立體圖讀不懂而導致丟分。但三維圖在表達方向、夾角和力的圖示等方面不如二維圖形表達得清楚、準確，因此，有效地訓練如何恰當?shù)赜糜脗?cè)視圖、俯視圖和剖面圖等表達很有必要。比如讓學生練習把圖示的立體情景轉(zhuǎn)換為平面圖。2.安培力的大小

首先讓學生明白兩種特殊情況。從磁感應強度大小的定義式變形，很容易得到電流與磁場方向垂直時，安培力F=BIL。另外，讓學生明確當電流和磁場方向平行時，安培力為0.

再引導學生根據(jù)等效替代關系，對磁感應強度進行矢量分解，把磁感強度B沿平行于電流和垂直于電流兩個方向分解為B2和B1。則B2分量對電流的安培力為零，所以磁場對電流的安培力為B1分量對電流的安培力。

這里應該讓學生體會由特殊到一般的研究思路以及等效替代的物理思想。明確了安培力的大小和方向，應該引導學生把安培力和電場力做對比：電荷在電場中某點受到的靜電力是一定的，方向與電場強度的方向同向或反向。而電流在磁場中受到的安培力大小和電流與磁感線的夾角有關，方向與磁感強度的方向垂直。

安培力的規(guī)律學完后，我們可以和學生分析兩根平行通電導線之間力的作用，作為安培力知識的應用。以習題的形式給出以下問題讓學生分析：

兩根平行的通電導線，其電流方向如圖所示，請分析：(1)I1在I2處產(chǎn)生磁場B1方向？(2)I2受到I1磁場的作用力如何？(3)I1受到I2磁場的作用力如何？

分析時注意引導學生做出平面圖，可以畫出正視圖（剖面圖）；也可以畫出俯視圖來分析。課堂上讓學生把兩個圖都畫一畫，對培養(yǎng)學生的空間思維能力是很有幫助的。

磁電式電流表是安培力的一個重要應用。學生在實驗中多次使用過電流表和電壓表，也知道它們都是由表頭改裝而成。有進一步學習表頭的結(jié)構(gòu)和原理的動機和興趣。如果條件允許的話，先讓學生觀察實物，找到磁體、極靴、鋁框、鐵質(zhì)圓柱、線圈、螺旋彈簧、指針等構(gòu)件。了解它們之中哪些是固定的，哪些是可動的。然后利用結(jié)構(gòu)圖引導學生進行分析。

a.在線框轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)，線框所在的B的大小和方向如何？

由于極靴的作用，極靴與鐵質(zhì)圓柱間的磁場都沿半徑方向，而且在同一圓周上，磁感強度B的大小相等。

b.線框轉(zhuǎn)動過程磁力大小變化否？線圈無論轉(zhuǎn)動到什么位置，線圈平面都跟磁感線平行，左右兩邊受到的磁力大小不變。c.在線框轉(zhuǎn)動時，螺旋彈簧阻力如何變化？

隨著線圈轉(zhuǎn)動，螺旋彈簧形變變大，彈簧阻力變大。進一步研究表明，彈簧阻力和線圈轉(zhuǎn)過的角度成正比。

d.電流與指針偏角的關系？

當線圈停止轉(zhuǎn)動時，安培力和阻力對線圈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動效果相當，可見電流越大，指針偏角越大，指針偏角和電流大小成正比，所以電流表刻度均勻。

（四）《磁場對運動電荷的作用力》教學策略

關于洛倫茲力的方向教學，在安培力知識的基礎上，通過提出問題、進行猜想和假設，然后通過實驗驗證、分析論證，使學生經(jīng)歷一次實驗探究過程。對于洛倫茲力的大小，引導學生由安培力的表達式推導出洛倫茲力的表達式，使學生經(jīng)歷一次理論探究過程。

陰極射線管的實驗，當學生看到磁體使亮線發(fā)生彎曲時，覺得非常新奇、刺激，可以大大激發(fā)起學生的好奇心和求知欲，因此做好這個實驗非常重要。

《磁場對運動電荷的作用力》教學案例1.洛倫茲力的方向

提出問題：安培力是磁場對電流的作用力，電流是電荷定向移動形成的，那么安培力的實質(zhì)是否是磁場對運動電荷的作用力呢？

猜想和假設：如果安培力的實質(zhì)是磁場對運動電荷的作用力，那么它們應該遵循同樣的物理規(guī)律左手定則。

實驗驗證：介紹陰極射線管，讓學生明白電子流的運動方向。介紹磁體如何放置，讓學生明確磁場的方向，然后讓學生運用左手定則來預言，電子流將向哪邊偏轉(zhuǎn)。當學生看到亮線彎曲，而且和自己的預言完全吻合時，會感到非常興奮。

分析論證：我們把運動電荷受到的力叫做洛倫茲力，運動電荷和電流在磁場中受力都遵循左手定則，可以推斷，安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。知道了安培力和洛倫茲力的關系，接下來通過類比學習，明確洛倫茲力既垂直于帶電粒子的運動方向，也垂直于磁場方向，即垂直于運動方向和磁場方向所確定的平面。當運動方向和磁場方向垂直時，洛倫茲力最大；當運動方向和磁場方向平行時，洛倫茲力為零。

如果運動電荷為負電荷，電流方向和電荷運動方向相反，這種情況，學生很容易弄錯，需要用習題來強化，比如練習1，知道磁場方向、運動方向和受力方向，讓學生判斷運動粒子的電性。像練習2這樣的題目其實并不嚴謹，因為磁場并不是唯一確定的，它可以是在豎直平面內(nèi)和運動方向夾角不為零的任意方向。

與學習安培力的方向一樣，培養(yǎng)學生的空間想象能力同樣是本節(jié)課的重要任務，比如我們可以結(jié)合三維坐標來讓學生分析磁場方向、電荷運動方向和洛倫茲力方向三者關系。比如練習3.同時本題還用到電場力，學生在完成練習的同時，也在進行二者的對比：洛倫磁力的方向和磁場垂直，電磁力的方向和電場平行。

2.洛倫茲力的大小

首先讓學生理解推導洛倫茲力大小公式的思路。先明確推導的出發(fā)點：安培力實際是洛倫磁力的宏觀表現(xiàn)，即一段導線所受安培力等于該段導線內(nèi)所有電荷定向移動所受洛倫茲力的合力；其次建立推導的物理模型：長為L的靜止的通電導線，它受到的安培力除以導體內(nèi)定向移動的帶電粒子數(shù)目，即為每個運動電荷所受到的洛倫茲力。再分析電流強度和電荷定向移動之間的關系，讓學生回顧電流的微觀表達式。抓住了上述線索，思考和討論就有了方向。

即使明確了推導思路，推導過程對大部學生來說還是有一定難度的，教學中可以采取“搭梯子”的辦法。比如通過思考題的辦法給學生進行逐步提示：

思考：

（l）如何用（單位體積內(nèi)含的運動電荷數(shù)n，每個電荷電量為q，電荷的平均定向移動速率是v，導線的橫截面積是S）n、q、v、S來表示通電導線中的電流強度I？

（2）如何從合力的觀點出發(fā)用洛侖茲力f來表達安培力F的值？（當通電導線垂直于磁場時）

F=IBL=Nf（N為導線中電荷總數(shù)）

（3）如何求得N？（4）能否根據(jù)上面的關系，推出一個運動電荷垂直于磁場方向運動時受到的洛侖茲力的大小。

（5）適用條件是什么？

洛倫茲力的計算公式F=qvB是在導線與磁場垂直的情況下導出的，這個公式只適用于電荷運動方向與磁場垂直的情況。如果電荷的運動方向和磁場不垂直，應該如何處理，教師提出問題后，應該讓學生獨立完成。對于有困難的學生，可以讓他們參照上一節(jié)電流和磁場不垂直的情況來處理。

洛倫茲力對運動電荷不做功，是帶電粒子在磁場中運動的重要特點�？梢砸龑�學生分析討論得到。比如讓學生思考下面幾個問題：洛倫茲力一定垂直于粒子的運動方向，它對粒子的速度有何影響？當一個力和物體的運動方向總是垂直的，它是否做功？帶電粒子在磁場中運動時，它的動能如何變化？在此基礎上，讓學生完成以下練習：

電子以速度V，垂直進入磁感強度為B的勻強磁場中，則（）A、磁場對電子的作用力始終不變B、磁場對電子的作用力始終不做功C、電子的動量始終不變D、電子的動能始終不變

用力學規(guī)律來分析洛倫茲力和粒子的運動的關系，使學生意識到帶電粒子的運動規(guī)律和宏觀物體的一樣，分析電學問題的總的思路就是把它轉(zhuǎn)換成力學問題。

可以啟發(fā)學生也可以利用運動電荷所受的洛倫茲力來定義磁感強度，這樣不僅拓寬了學生的視野，更重要的是揭示了磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，把B=F/(qB)與E=F/q相比較，它們都是用比值的方法定義物理量。然后讓學生對電場和磁場、靜電力和洛倫茲力進行對比。

電場力和洛倫茲力的比較

1.在電場中的電荷，不管其運動與否，均受到電場力的作用；而磁場僅僅對運動著的、且速度與磁場方向不平行的電荷有洛倫茲力的作用。

2.電場力的大小F＝Eq，與電荷的運動的速度無關；而洛倫茲力的大小f=Bqvsinα,與電荷運動的速度大小和方向均有關。3.電場力的方向與電場的方向或相同、或相反；而洛倫茲力的方向始終既和磁場垂直，又和速度方向垂直。

4.電場力既可以改變電荷運動的速度大小，也可以改變電荷運動的方向，而洛倫茲力只能改變電荷運動的速度方向，不能改變速度大小

5.電場力可以對電荷做功，能改變電荷的動能；洛倫茲力不能對電荷做功，不能改變電荷的動能。

6.勻強電場中在電場力的作用下，運動電荷的偏轉(zhuǎn)軌跡為拋物線；勻強磁場中在洛倫茲力的作用下，垂直于磁場方向運動的電荷的偏轉(zhuǎn)軌跡為圓�。�（學完《帶電粒子在磁場中的運動》補充）

3.電視顯像管的工作原理

這部分內(nèi)容體現(xiàn)了物理知識與科學技術(shù)的聯(lián)系，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的作風。對于實際應用問題，不必深究技術(shù)細節(jié)，重點是理解其應用的物理原理，從實際問題中抽象出物理模型。

電子顯像管中，電子槍利用了熱電子發(fā)射和加速電子的原理，這一點和示波管是相同的。而顯像管的偏轉(zhuǎn)線圈應用了磁場對運動電荷的洛倫茲力作用，即磁偏轉(zhuǎn)；而示波管用電場來控制電子的運動軌跡，即電偏轉(zhuǎn)，由于磁偏轉(zhuǎn)可以使偏轉(zhuǎn)角為任意值，所以顯像管的屏幕面積更大。

電子技術(shù)中的掃描應用的物理原理是速度的合成，學生只要明白電子的水平運動是豎直方向的磁場控制的，而電子的豎直分運動是水平方向的磁場控制的即可。

（五）《帶電粒子在勻強磁場中的運動》教學策略

《磁場》主題的教學難點是帶電粒子在磁場中的運動，盡管在課程標準中沒有明確要求，但作為洛倫茲力的應用，對培養(yǎng)學生的分析能力和應用能力有重要的作用。

因為粒子的運動對學生來說比宏觀物體的運動抽象，學生缺乏感性材料�？梢圆捎昧讼葘嶒炋骄浚�再理論分析推導的順序。帶著實驗得到的感性材料，再用學過的知識進行理論分析，從理論的高度推導出實驗現(xiàn)象的必然性，這樣先實驗觀察再理論論證比較符合一般的認知過程。也降低了學習的難度。如果學生整體水平比較高，也可以采用先理論分析，再實驗驗證的順序，給學生提供高強度思維訓練的材料。作為帶電粒子在勻強磁場中運動的知識在現(xiàn)代科學技術(shù)中的應用實例，質(zhì)譜儀和回旋加速器也是本節(jié)課的重要內(nèi)容，可以培養(yǎng)學生的綜合運用力學知識和電學知識的能力。

《帶電粒子在勻強磁場中的運動》教學案例

首先讓學生了解洛倫茲力演示儀的結(jié)構(gòu)和原理。電子槍產(chǎn)生的電子射線可以使玻璃泡內(nèi)的稀薄氣體發(fā)出輝光，顯示電子的運動軌跡。電子運動速度的大小可以通過加速電壓來調(diào)節(jié)。兩個相隔一定間距的環(huán)形線圈（亥姆霍線圈）之間產(chǎn)生勻強磁場，磁場的方向和兩線圈中心的連線平行，即與電子運動方向垂直。磁感應強度的大小可以通過調(diào)節(jié)勵磁線圈的電流來調(diào)節(jié)。

實驗演示：

1.不加磁場觀察電子射線的軌跡。

2.加上和電子運動方向垂直的勻強磁場，觀察電子射線的軌跡。

3.保持電子速度不變，通過調(diào)節(jié)勵磁電流改變磁感應強度，觀察圓形軌跡如何變化。4.保持磁感強度不變，通過調(diào)節(jié)加速電壓改變電子運動速度，觀察圓形軌跡的半徑變化。

理論推導：

垂直射入勻強磁場的電子，它的初速度和所受洛倫茲力都在垂直于磁場的同一平面內(nèi)，沒有其他作用使粒子離開這個平面。洛倫茲力始終垂直于粒子的運動方向，只能改變速度的方向，而不能改變速度的大小，它的效果就是粒子做勻速圓周運動的向心力。

1.洛倫茲力提供向心力qvB=mv/R2.所以軌道半徑R=mv/qB

根據(jù)軌道半徑的表達式，分析粒子的速度和磁感強度對軌道半徑的影響，和剛才的實驗現(xiàn)象相印證。

進一步提出問題：若增大粒子運動的速度，由剛才分析知軌道半徑會增大，它運動一周所需的時間（周期）如何變化？

有學生認為速度變大，周期變��；也有的認為速度ｖ增大，圓的周長變大，周期變小。這兩種想法考慮的都不全面，提示學生必須推導出周期的數(shù)學表達式進行分析。由此培養(yǎng)學生利用數(shù)學知識分析物理問題的意識和能力。

1.圓周的周長為S=2πR2.周期為T=2πR/v

3.把軌道半徑R=mv/qB代入得T=2πm/(qB)

由周期的表達式可知，周期和粒子的運動速度及軌道半徑無關，周期大小取決于磁感強度和粒子的比荷。

對于帶電粒子在磁場中的運動，要求學生明確兩種情況：1.若帶電粒子的運動方向與磁場方向平行v∥B，f=0，→勻速直線

2.若帶電粒子的運動方向與勻強磁場方向垂直v┴B，f┴v，f=C，勻速圓周運動。

三、學生學習中常見的錯誤與問題分析與解決策略（一）前知識引起的負遷移，導致學生對新知識理解性錯誤

對于磁場，可以通過和電場類比進行教學。類比學習，可以讓學生由舊知識很快遷移到新知識上。但是隨著學習的深入，往往有同學不去注意電場和磁場兩者的區(qū)別，造成理解上的錯誤。因此我們更應該注意新舊知識之間的差別，防止出現(xiàn)負遷移。

1.關于磁場的產(chǎn)生

我們知道，在電荷或帶電體周圍存在電場；根據(jù)麥克斯韋理論我們知道，變化的磁場也可以產(chǎn)生電場。但磁場的來源比電場就復雜的多，對此，學生往往容易引起混亂。教師在恰當?shù)臅r機應該進行歸納和概括，以澄清學生的錯誤認識。

我們知道，磁體周圍存在磁場，電流周圍也存在磁場，學習完安培電流假說，我們知道二者在本質(zhì)上是一致的，即磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，而電流是電荷定向移動形成的，總而言之，運動電荷的周圍產(chǎn)生磁場。歷史上有一個著名的實驗叫羅蘭實驗，在帶電的絕緣圓盤附近設置一個小磁針，起初小磁針由于地磁作用指向南北方向，但是，當圓盤轉(zhuǎn)到起來，小磁針有了新的指向，說明轉(zhuǎn)動的圓盤周圍產(chǎn)生了磁場，其實質(zhì)是圓盤上的電荷隨圓盤發(fā)生定向移動從而產(chǎn)生磁場。但是我們剛才所進行的是不完全歸納，如果有同學概括歸納為：一切磁場都是由于電荷運動而產(chǎn)生的，這就是錯誤的。因為我們后面還會學習到麥克斯韋理論，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，可見電場和磁場還可以互相感生，可以脫離電荷而存在。所以在教學中，我們既要引導學生對知識進行歸納和總結(jié)，提煉出最本質(zhì)、最簡潔的統(tǒng)一規(guī)律，又要注意理論的嚴謹，為以后的學習留下知識的增長點。

2.關于磁感應強度概念

由電場強度過渡到磁感應強度，因為其物理思想相同，所以學生接受起來非常容易。但磁感應強度的方向和大小的定義并不是根據(jù)同一個物理事實，這一點往往造成學生的錯誤理解。所以學完以后，一定要注意引導學生比較磁感應強度和電場強度這兩個概念的異同。

兩者的相同點：都用比值法定義物理量，其依據(jù)是力與電荷量或電流元成正比，比值反映了場的強弱；但是我們更應該引導學生分析兩者的區(qū)別，從方向看，靜電力與電場強度的方向總是相同或相反，而電流或運動電荷所受的磁場力方向與磁感強度的方向總垂直，因為磁感強度的方向是用小磁針N極的受力方向來定義的。從大小看，某試探電荷在電場中某位置受靜電力的大小是一定的，而某電流元在磁場中受的磁場力大小還與通電導線如何放置有關，磁感應強度定義式的成立條件是磁場和導線垂直。對于這些區(qū)別，學生很容易混淆，我們可以通過一些辨析題來加深理解：

(1)磁場中某處的磁感應強度大小，就是通以電流I，長為L的一小段導線放在該處時，所受的磁場力F與I、L乘積的比值。

錯誤原因：學生機械地記憶公式，不注重物理公式的成立條件。電流在磁場中受的磁場力大小與導線如何放置有關，磁感應強度定義式的成立條件是磁場和導線垂直。

(2)一小段通電導線放在某處不受磁場力的作用，則該處一定沒有磁場。錯誤原因：沒有正確地區(qū)分電場力和磁場力。試探電荷在電場中某位置受電場力的大小是一定的，若電場力為零，則該處的電場強度一定為零；但是，磁場不同，當導線和磁場方向同向時，即使磁感強度不為零，也不受到磁場力的作用。

(3)垂直于磁場而放置的通電導線的受力方向就是磁感應強度的方向。

錯誤原因：概念掌握不準確，磁感應強度的定義中，大小和方向從不同的角度來定義。磁感強度的方向是用小磁針N極的受力方向來定義的，而磁場力方向與磁感強度的方向總垂直。(4)一小段通電導線放在磁場中A處時受磁場力比放在B處大，則A處磁感應強度比B處的磁感應強度大。

錯誤原因：由于電場強度產(chǎn)生的負遷移，對于電場，場強大，同一電荷受力大。而通電導線受到的磁場力和該導線如何放置有關。

(5)因為B=F/IL，所以某處磁感應強度的大小與放在該處的電流元IL的乘積成反比。

錯誤原因：不理解比值定義法，垂直放在某處的電流元，所受的磁場力和電流元IL的乘積成正比，即比值不變，這個比值就是磁感應強度。所以磁感應強度和電流元IL的乘積無關。

（二）對磁場力認識模糊，導致分析錯誤

磁體和電流周圍都存在磁場；磁體和磁體之間、磁體和電流之間、電流和電流之間都存在相互作用的磁力；對于種類繁多的磁場力，往往容易引起學生混亂。如何判斷磁體受到的磁力方向？初學者往往找不到明確的思路。他們往往根據(jù)同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引來判斷，就可能得到錯誤的結(jié)論；而對于電流對磁體的作用方向更是無從下手。其實問題的根源還在學生沒有深入理解磁感應強度的概念，我們把小磁針Ｎ極的受力方向規(guī)定為該處磁感應強度的方向，由此我們可知，磁體的Ｎ極受力方向就是該處的磁場方向，而Ｓ極受力方向是該處磁場的反方向。從場的角度認識和分析磁場力才是科學的思維方法。分析下面例題來澄清學生的模糊認識：

1.如圖所示，彈簧秤下掛一條形磁鐵，其中條形磁鐵N極的一部分位于未通電的螺線管內(nèi)，下列說法正確的是

①若將a接電源正極，b接負極，彈簧秤示數(shù)減�、谌魧�a接電源正極，b接負極，彈簧秤示數(shù)增大③若將b接電源正極，a接負極，彈簧秤示數(shù)增大④若將b接電源正極，a接負極，彈簧秤示數(shù)減小A①②B①③C②③D②④

常見錯誤：根據(jù)同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引，若將a接電源正極，b接負極，通電螺線管下端是S極，而條形磁體下端是N極，相互吸引，所以彈簧秤示數(shù)增大。出現(xiàn)這樣的錯誤，說明學生對磁場的認識還不到位，還是停留在磁體間相互作用的感性認識水平。

解決這個問題，應該讓學生認識到磁體和電流周圍都存在磁場；磁體和磁體之間、磁體和電流之間、電流和電流之間都存在相互作用的磁力；它們間的作用力是通過磁場而發(fā)生的。而磁場力的方向取決于磁場的方向。對于磁體受到的磁場力，磁體N極受力方向和磁場方向相同；S極受力方向和磁場方向相反。對于電流或運動電荷在磁場中的受力方向，根據(jù)左手定則來判斷。本題中彈簧秤的示數(shù)變化取決于磁體受到的磁場力，首先要根據(jù)安培定則判斷通電螺線管內(nèi)部磁場的方向。若將a接電源正極，b接負極，螺線管內(nèi)部磁場方向向上，所以磁體N極受力方向向上，S極受力方向向下，但N極受到的磁場力大于S極受到的磁場力，合力方向向上，彈簧秤示數(shù)變小。所以本題正確答案為B。

2.條形磁鐵放在水平桌面上，它的上方靠近S極一側(cè)懸掛一根與它垂直的導電棒，如圖所示(圖中只畫出棒的截面圖)．在棒中通以垂直紙面向里的電流的瞬間，可能產(chǎn)生

的情況是

A．磁鐵對桌面的壓力減小B．磁鐵對桌面的壓力增大C．磁鐵受到向左的摩擦力

D．磁鐵受到向右的摩擦力

常見問題：很多同學碰到這個問題，首先想到去分析通電導線對磁體的作用力，他先畫出導線周圍的磁感線分布情況，再分析磁體的N極和S極的受力情況，這樣分析，把問題復雜化，導致無法求解。

解決這類問題，要啟發(fā)學生應用逆向思維。由于牛頓第三定律同樣適用于電磁力，我們可以先分析磁體對通電導線的作用力，先畫出磁體周圍的磁感線，再根據(jù)左手定則判斷出通電導線所受磁場力的方向，應用牛頓第三定律就可以判斷磁體受到的磁場力。再對磁體進行受力分析，可以判斷正確答案為AC。

（三）對洛侖茲力方向判斷有誤，導致分析問題出錯

洛侖茲力的方向判斷也用到左手定則，四指所指的方向應該是正電荷運動的方向或負電荷運動的反方向，出錯往往是由于學生不注意運動電荷的電性正負，或運動方向的變化而導致洛侖茲力方向分析錯誤。請看下例：

3.如圖所示，厚度為h，寬度為d的金屬導體板放在垂直于它的磁感應強度為B的均勻磁場中，當電流通過導體板時，在導體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A"之間會產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。設電流I是由于電子的定向移動形成的，請分析達到穩(wěn)定狀態(tài)時，

比較導體板上側(cè)面A的電勢與下側(cè)面A"的電勢的高低。

常見錯誤：在磁場中定向移動時所受洛侖茲力的方向判斷錯誤，或者沒有意識到電子帶負電，電勢高低判斷錯誤。

本題首先要正確判斷電子所受磁場力的方向，根據(jù)左手定則，四指指向電流的方向（或者說電子定向移動的反方向），可以判斷洛侖茲力方向向上。上側(cè)面聚集了多余的電子，下側(cè)面缺少電子，由于電子帶負電，所以下側(cè)面帶正電電勢高。這樣在導體內(nèi)部又建立了電場，當電子所受的磁場力和電場力平衡時，就達到了穩(wěn)定狀態(tài)，上下兩個側(cè)面的電勢差保持不變。

如果本題中的導電材料是半導體，靠空穴的定向移動形成電流，那么上下兩個側(cè)面哪個電勢高呢？我們知道空穴帶正電荷，由于磁場方向和電流方向不變，空穴定向移動所受磁場的方向也不變，即空穴所受洛侖茲力方向向上。所以上側(cè)面聚集了帶正電的空穴，上側(cè)面電勢更高�？梢�，對于不同導電材料，在磁場和電流方向相同的情況下，霍爾電勢差的正負和載流子有關。洛侖茲力的方向隨著電荷運動方向的變化而變化，當電荷運動反向時，洛侖茲力的方向隨之而反向，很多學生因為思維定勢，而導致出錯。

4.如圖所示，用長為L的細線把小球懸掛起來做一單擺，球的質(zhì)量為M，帶電量為-q，勻強磁場的磁感應強度方向垂直紙面向里，大小為B。小球始終在垂直于磁場方向的豎直平面內(nèi)往復擺動，其懸線和豎直方向的最大夾角是60。試計算小球通過最低點時對細線拉力的大小。

0

常見錯誤：

解：小球從靜止開始運動到最低點的過程中，利用動能定理mgL（1cos60）=mv/2得v=√gL

當小球從左向右通過最低點時T1qvBmg=mv/L得T1=2mg+qB√gL。

本題出現(xiàn)錯誤是由于學生沒有注意到當帶電粒子的運動方向相反時，所受洛侖茲力的方向反向。造成答案不完整，反映了學生思維的嚴密性需要進一步加強。所以在動力學問題中如果出現(xiàn)洛侖茲力，一定要注意當粒子運動方向變化時，洛侖茲力方向隨之而變化。補全另一種情況：當小球從右向左通過電低點時，洛侖茲力反向，有

T2+qvBmg=mv/L得T1=2mgqB√gL。（四）粒子在場中的運動分析不透徹導致錯誤

明確了粒子在電場和磁場中的受力特點，就可以根據(jù)動力學規(guī)律確定粒子在電場或磁場中的運動。學生必須綜合應用電磁學和力學知識來進行分析推理，從而解決問題。這里面涉及到的知識點多，對學生邏輯思維能力要求比較高，學習過程中很多學生會出現(xiàn)困難。

要解決這個問題，就要培養(yǎng)學生良好的思維習慣。從受力分析入手，判斷帶電粒子的運動形式，再根據(jù)該種運動所遵循的物理規(guī)律來進行演繹推理。

5.如圖所示，在豎直虛線MN和M′N′之間區(qū)域內(nèi)存在著相互垂直的勻強電場和勻強磁場，一帶電粒子（不計重力）以初速度v0由A點垂直于MN進入這個區(qū)域，帶電粒

220

子沿直線運動，并從C點離開場區(qū)。如果撤去磁場，該粒子將從B點離開場區(qū)；如果撤去電場，該粒子將從D點離開場區(qū)。則下列判斷正確的是

A．該粒子由B、C、D三點離開場區(qū)時的動能相同B．該粒子由A點運動到B、C、D三點的時間均不相同

C．勻強電場的場強E與勻強磁場的磁感應強度B之比

D．若該粒子帶負電，則電場方向豎直向下，磁場方向垂直于紙面向外

常見錯誤及錯誤原因分析：錯選Ａ：不能正確理解洛倫茲力對運動電荷不做功，或者不會用動能定理分析粒子的動能變化。錯選Ｂ：只是淺層次地根據(jù)三種情況下粒子的運動軌跡不同來猜測，沒有根據(jù)各自的運動特點通過推理來確定不同情況下的運動時間。錯選Ｄ：不能正確找出帶電粒子所受電場力和磁場力的方向與電場和磁場方向之間的關系。

本題目既要求學生對磁場力和電場力的知識清晰，又要求學生會根據(jù)動力學規(guī)律來進行分析推理，對學生的分析綜合能力要求較高。通過練習，使學生樹立把電磁學問題轉(zhuǎn)換為力學問題、把陌生問題轉(zhuǎn)換成熟悉問題的轉(zhuǎn)換意識。對于這類問題，養(yǎng)成受力分析的好習慣，根據(jù)受力情況和初始狀態(tài)確定粒子的運動形式，再根據(jù)不同運動的物理規(guī)律進行推理分析，是解決這類問題的關鍵。

由題意，當電場和磁場同時存在時，帶電粒子做勻速直線運動，電場力和磁場力二力平衡，它倆大小相等，qv0B=Eq,可見Ｂ選項正確。若粒子帶負電，電場方向豎直向下，則電場力豎直向上，磁場力與此相反，則磁場方向應該垂直于紙面向里，排除Ｄ。

若撤掉電場，只受磁場力，粒子做勻速圓周運動，運動時間應該等于�。粒牡拈L度除以速度Ｖ0，又因為洛倫磁力不做功，動能不變。若撤掉磁場，只受電場力作用，粒子將做類平拋運動，在水平方向上的分運動仍為勻速直線運動，運動時間等于線段ＡＣ的長度除以速度Ｖ0，和電磁場同時存在時運動時間相同。所以運動時間應該為ｔD>ｔB＝ｔC。平拋運動過程中，電場力對粒子做正功，由動能定理可知，粒子動能增大。所以ＥKB>ＥKC=Ｅ

KD

。四、《磁場》學習目標的檢測

根據(jù)課標要求，磁場主題的主要檢查的知識點為磁感強度的定義以及磁感線，通電導線和運動電荷在磁場中的受力規(guī)律。但新課標更加注重學生能力的培養(yǎng)，“課程總目標”中明確提出，學習科學探究方法，發(fā)展自主學習能力，養(yǎng)成良好的思維習慣，能運用物理知識和科學探究方法解決問題。所以測試命題時應該以能力立意，在考察知識的基礎上，更主要的是考察學生的理解能力、分析能力和應用能力。

１.兩個粒子,帶電量相等,在同一勻強磁場中只受磁場力而作勻速圓周運動。則A.若速率相等,則半徑必相等；B.若速率相等,則周期必相等；C.若動量大小相等,則半徑必相等；D.若動能相等,則周期必相等。

盡管帶電粒子在磁場中的運動沒有在《課程標準》中專門提出，但作為洛倫茲力的應用，學生應該熟練掌握。本題綜合應用洛倫茲力和勻速圓周運動的知識，推導出帶電粒子在勻強磁場中運動的半徑和周期表達式，再利用表達式來分析。其中又涉及到動能和動量的概念。

分析：洛倫茲力提供向心力，有qvB=mv/R,得半徑Ｒ＝mv/(qB),周期Ｔ＝２πm/(qB),由題干知，電量ｑ和磁感應強度Ｂ相同，要想周期相同，只需要粒子質(zhì)量ｍ相同，周期Ｔ和粒子速率ｖ無關。要使半徑Ｒ相同，應該是粒子的質(zhì)量ｍ和速率ｖ的乘積相同，即動量大小相同。所以正確答案為Ｃ。

本題屬于容易題，在掌握相關知識的基礎上，經(jīng)過簡單的推理，就可以得出正確結(jié)論。

2.一束混合的離子束，先徑直穿過正交勻強電場和勻強磁場，再進入一個磁場區(qū)域后分裂成幾束，如圖所示，若粒子的重力不計，則分裂是因為（）

2

A．帶電性質(zhì)不同，有正離又有負離子B．速率不同

C．質(zhì)量和電量的比值不同D．以上答案均不正確

本題難度較大，學生必須熟練掌握相關知識，并具有一定的分析和推理能力。首先根據(jù)粒子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)，應用左手定則來判斷帶電性。然后根據(jù)“徑直穿過正交勻強電、磁場”這個條件分析出速度相同的結(jié)論。再根據(jù)粒子在磁場中軌道半徑的不同來確定荷質(zhì)比。本題實際是質(zhì)譜儀的物理模型，正交的勻強電、磁場是速度選擇儀。

粒子都能沿直線穿過正交的電磁場，說明電場力和磁場力二力平衡，即ｑｖＢ＝Ｅｑ，速度ｖ＝Ｅ/B，所以幾種粒子的速率都相同。進入右端的磁場后做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力，根據(jù)左手定則，幾種粒子都帶正電。但它們的半徑不同，由導出的結(jié)論Ｒ＝ｍｖ/(qB)，在速率ｖ和磁場Ｂ相同的條件下，ｍ/q比值越大，半徑Ｒ越大。所以正確選項為Ｃ。

3．如圖,用絲線吊一個質(zhì)量為m的帶電(絕緣)小球處于勻強磁場中,空氣阻力不計,當小球分別從A點和B點向最低點O運動且兩次經(jīng)過O點時()

A小球的動能相同B絲線所受的拉力相同C小球所受的洛倫茲力相同D小球的向心加速度不相同

本題綜合性較強，對學生分析解決問題的能力要求較高。首先它的受力情況復雜，運動也不是簡單的勻速圓周運動，涉及到的概念有功、動能、向心加速度以及矢量和標量，物理規(guī)律有機械能守恒以及圓周運動的規(guī)律。首先根據(jù)洛倫茲力對運動電荷不做功的特點，絲線拉力也不做功，只有重力做功，由機械能守恒的條件，可以判斷小球往返經(jīng)過O動能相同。根據(jù)圓周運動向心加速度公式，a=v2/R,小球往返經(jīng)過Ｏ點時向心加速度大小相同，方向都豎直向上，也相同，所以Ｄ選項錯誤。BＣ選項學生很容易錯選，往往由于定勢思維，忽略小球往返經(jīng)過O時洛倫茲力方向相反。因為力是矢量，所以Ｃ選項錯誤。又因為經(jīng)過此位置向心力相同，即重力、拉力和洛倫茲力的合力相同，洛倫茲力變向，拉力顯然不同，Ｂ選項錯誤。所以正確答案為Ａ。

4.如圖所示，質(zhì)量為m，帶電量為+q的粒子，從兩平行電極板正中央垂直電場線和磁感線以速度v飛入，已知兩板間距為d，磁感強度為B，這時粒子恰能沿直線穿過電場和磁場區(qū)域(不計重力)。今將磁感強度增大到某值，則粒子將落到某極板上。當粒子

落到極板上時動能為____________________。

分析粒子在電場或磁場中的運動，關鍵是把電學問題轉(zhuǎn)化成力學問題。把粒子的受力分析清楚后，判斷粒子做什么形式的運動，然后用動力學規(guī)律來解決問題。本題需要用到動能定理來解決問題，這里需要明確洛倫茲力不做功，以及電場力對粒子的做功情況。

根據(jù)“粒子恰能直線穿過電場和磁場區(qū)域”可知此時電場力和磁場力平衡，即電場力的大小就等于ｑｖＢ，“今將磁感強度增大到某值”，粒子將向磁場力方向偏轉(zhuǎn)而做曲線運動，這種曲線運動既不是圓周運動，也不是平拋運動，求它的末動能我們可以根據(jù)動能定理。接下來分析各力的做功情況：洛倫茲力不做功，而電場力做負功，因為電場力是恒力，功的大小就等于電場力和沿電場線的位移ｄ/2的乘積。由動能定理-qvBd/2=Ek-mv/2，所以當粒子落到極板上時動能為mv/2-qvBd/2

５.如圖所示為電磁流量計示意圖。直徑為d的非磁性材料制成的圓形導管內(nèi)，導電液體從左向右流動，磁感強度為B的勻強磁場垂直液體流動的方向而穿過一段圓形管道。則a點電勢b點電勢；若測得管壁內(nèi)a、b兩點間的電勢差為U，則管中液體的流量Q＝___________。（單位時間內(nèi)流過導管橫截面的液體體積叫做流量）

２２

新課程目標明確指出，學習終身發(fā)展必備的物理基礎知識和技能，了解這些知識與技能在生活、生產(chǎn)中的應用，關注科學技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。能運用物理知識和科學探究方法解決一些問題。電磁流量計在實際中獲得廣泛應用，而它的基本原理我們用磁場的知識就可以解決。

導電液體中有大量的自由離子，當液體從左向右流動時，自由離子隨之而發(fā)生定向移動，在磁場中將會受到洛倫茲力的作用。由左手定則可知，正電荷受磁場力向上，負電荷受力向下，這樣ａ處有多余的正電荷，ｂ處有多余的負電荷，所以ａ點電勢高。這樣ａｂ間就建立了電場，電場線由ａ指向ｂ，因此自由離子同時又受電場力的作用。當電場力和磁場力平衡時，ａｂ間電勢差恒定，為Ｕ。設液體流動速度為ｖ，有ｑｖＢ＝ｑＵ/ｄ，而流量Ｑ為單位時間內(nèi)流過導管橫截面的液體體積，即流量Ｑ等于流速ｖ和導管橫截面積的乘積，Ｑ＝ｖπｄ/4=πUd/(4B)

６．如圖，兩光滑的平行金屬軌道與水平面成θ角，兩軌道間距為L，一金屬棒垂直兩軌道水平放置。金屬棒質(zhì)量為m，電阻為R，軌道上端的電源電動勢為E，內(nèi)阻為

２

r。為使金屬棒能靜止在軌道上，可加一方向豎直向上的勻強磁場，求該磁場的磁感應強度

B應是多大？

本題綜合性較強，需要運用閉合電路歐姆定律、安培力和平衡條件等知識點來求解�？偟乃悸肥前央妼W問題轉(zhuǎn)換成力學問題。做這類題的關鍵是做好受力分析，畫出同一平面內(nèi)的受力圖。這要求學生能看懂三維立體圖，明確磁感強度B垂直于導線。

沿斜面方向合力為零，

則有mgsinθ=FBcosθ(1)由安培力公式FB=BIL(2)

由全電路歐姆定律I=E/(R+r)(3)聯(lián)立(1)、(2)、(3)可得

B=mg(R+r)tanθ/EL

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