福建三明一中 365000
摘要:本文以“带电粒子在匀强磁场中的运动”教学设计为例,基于核心素养提出问题,层层递进启发学生思考,并结合已学知识分析得到结论,以提升学生的模型构建、分析推理等能力。
关键词:核心素养,带电粒子在匀强磁场中的运动
一、培养学生核心素养的必要性
核心素养作为新课程背景下现代教育教学的关键所在,以整合的视角对学生发展的必备品格和关键能力进行了梳理和提炼,包括了物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。其对于学生的学习、成长乃至终身发展均有着重要意义。教师作为教学活动的设计者、组织者与管理者,应该将核心素养融入到教学目标、内容、方法等方方面面中,为学生核心素养的发展提供引导和支持。
二、教学设计案例
课题 | 带电粒子在匀强磁场中的运动 | ||
教材分析 | 人教版高中物理选择性必修二是2019年修订的,这一章节重点讲述了带电粒子在匀强磁场中的运动情况,介绍了带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的特点及与运动间的关系。有助于培养学生的发散思维、逻辑思维和分析推理的能力。 | ||
学情分析 | 通过前面的学习,学生对磁场、磁感应强度、洛伦兹力已有一定的了解。在此基础上,通过教师合理诱导,借助洛伦兹力演示仪演示,五官体验激活思维,科学地设计问题情境,引导学生探究,获得新知。 | ||
教学目标 | 物理观念: 1.能够分析带电粒子平行进入进入匀强磁场时做匀速直线运动,垂直进入磁场时做匀速圆周运动,斜进入磁场时做螺旋形运动。 2.能够根据牛顿第二定律对洛伦兹力与圆周运动的关系进行分析,推理得出轨道半径、周期的公式。 科学思维: 1.通过已学的力与运动方面的知识进行分析综合、推导论证,得出结论。 2.处理实际问题时,忽略次要因素,抓住主要因素,完成模型构建。 科学探究: 1.通过洛伦兹力演示仪演示带电粒子在匀强磁场中的运动情况,经历观察现象、分析原因、分组讨论、归纳总结的探究过程,从物理学视角认识客观事物的本质属性,形成物理观念。 科学态度与责任: 1.体验主动学习合作探究的过程,形成实事求是的科学态度。 2.通过物理规律的运用解释生活中物理现象,理解科学、技术、社会环境(STSE)的关系,形成对科学应有的正确态度和责任感。 | ||
教学重难点 | 1.带电粒子垂直入射匀强磁场中时做匀速圆周运动 2.粒子运动的半径、周期的公式的推导 | ||
教学准备 | 洛伦兹力演示仪、摄像头、遮光布、多媒体 | ||
教学方法 | 启发探究式教学、多媒体辅助教学、演示实验 | ||
教学过程 教学过程 教学过程 | 教师活动 | 学生活动 | 核心素养 |
【新课导入】 观看极光的简短视频,让学生感受极光的神奇与美丽。并引起学生的好奇:极光究竟是如何产生的? 【新课学习】 我们已经知道带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的作用,从而使得粒子的运动轨迹发生偏转,如果以匀强磁场为前提,带电粒子以不同的速度方向进入,运动情况分别是什么样的呢? 提问:带电粒子可以有几种入射方式? 总结:三种,分别是平行于磁场射入、垂直于磁场射入和斜射入磁场。 探究一:带电粒子平行于磁场进入 引导: 在分析物理问题时,我们通常可以抓住主要因素,忽略次要因素,由于粒子所受重力远小于它在磁场中受到的洛伦兹力,所以在探究过程中我们将粒子的重力忽略不计。 提问: 1.粒子是否受洛伦兹力? 2.粒子所受合外力? 3.根据什么定律判断带电粒子做什么运动? 结论: 平行于磁场进入的带电粒子所受合外力为零,根据牛顿第一定律,粒子做匀速直线运动。 探究二:带电粒子垂直于磁场进入 实验观察1: 先简单介绍洛伦兹力演示仪,观察垂直磁场射入的带电粒子的运动轨迹是圆形的。 提问: 圆形轨迹就能判断是匀速圆周吗?匀速圆周应该具备什么条件? 分析: 1.洛伦兹力与速度方向的关系?是否做功?是否改变速度大小和方向? 2.洛伦兹力是否提供向心力且大小是否改变? 3.是否满足匀速圆周运动的条件? 结论: 洛伦兹力不改变速度大小,只改变速度方向,提供了向心力,且大小不变,始终垂直于速度,满足条件,所以带电粒子做匀速圆周运动。 播放视频: 播放事先拍好的视频,视频中老师调整加速电压旋钮,使速度变大,随之轨道半径也会变大。但是先把屏幕下方遮挡,学生无法看到视频中老师调整了哪个物理量。 讨论: 视频中老师调整了哪个物理量,使半径变大了?半径究竟和哪些物理量有关?请同学们以小组为单位进行讨论,利用所学知识进行理论推导,得出半径的表达式。 推导: 由洛伦兹力提供向心力,根据牛顿第二定律 总结: 当粒子的质量、带电量和磁感应强度一定时,半径与速度成正比,当粒子的质量、带电量和速度一定时,半径与磁感应强度成反比。 提问: 刚才老师对速度做了什么改变使半径变大? 播放视频: 请同学们认真观察视频中老师的手,顺时针是使速度变大,逆时针是使速度变小,请同学们认真观察手旋转旋钮的方向。 实验观察2: 现在我们请一位同学上来现场操作仪器,磁感应强度变化,半径会如何变化,是否与大家理论分析的结果一致。 提问: 除了速度,圆周运动还有一个重要的物理量——周期,周期是否也与速度和磁感应强度有关?请同学们运用圆周运动的规律进行理论推导。 结论: ,可见周期与速度无关,当粒子的质量和带电量一定时,运动周期与磁感应强度成反比。 例题: 如果实验中带电粒子的能量有损耗,导致粒子的动能减小,那么粒子的运动方向为到,粒子带电。 气泡室图片: 展示带电粒子在气泡室中运动径迹的照片,选择一条较清晰的进行观察,由于带电粒子在气泡室中会有能量损耗,所以速度会减小,那么半径也就随之减小,就出现了这样半径减小的轨迹。 探究三:带电粒子斜射入磁场 提问: 当带电粒子的速度与磁感应强度成一定夹角,会做什么运动?如果运用运动的合成与分解,我们是否可以借助前面“平行进入”和“垂直进入”的两个结论来帮助我们分析“斜进入”的情况?请同学们再一次讨论。 结论: 带电粒子在平行于磁场方向做匀速直线运动,在垂直于磁场方向做匀速圆周运动,所以合运动是螺旋形运动。 实验观察3: 利用洛伦兹力演示仪让学生看到立体生动的螺旋形轨迹,说明实验结果与理论分析的结果一致 解释自然现象: 回顾课前我们看到的极光,极光的主角其实是“太阳风”,也就是高能带电粒子流,而地球有磁场。所以请同学们思考极光什么情况下会出现,回去查阅资料检验自己的推想。 | 好奇极光是怎么形成 ? 回答: 垂直射入磁场 平行射入磁场 斜射入磁场 明白探究时抓住主要因素,忽略次要因素。 回答: 1、因为速度与磁感应强度平行,所以带电粒子不受洛伦兹力且合外力为零。 2、根据牛顿第一定律判断带电粒子做匀速直线运动。 观察: 运动轨迹是圆形 回答: 匀速圆周运动的条件是合外力提供向心力,且大小不变,始终与速度垂直。 分析: 洛伦兹力与速度方向始终垂直不做功。不改变速度大小,只改变速度方向。 洛伦兹力提供向心力,根据,速度大小不变,洛伦兹力大小不变,满足条件,所以带电粒子做匀速圆周运动。 推理: 运用力与运动的相关知识进行推导,洛伦兹力等于向心力,得到半径表达式 回答: 使速度变大。 看到手将旋钮顺时针旋转,的确是将速度变大,使得半径变大 学生上来操作,使磁感应强度变大,半径变小,磁感应强度变小,半径变大。 再一次推导: 发现周期与速度无关,与磁感应强度有关。 完成例题训练,掌握关系式的应用 讨论分析: 将速度分解成垂直于磁感线和平行于磁感线两个分量,带电粒子在平行于磁场方向做匀速直线运动,在垂直于磁场方向做匀速圆周运动。 感受到立体螺旋形轨迹对视觉的冲击 推想:太阳风经过地磁场时轨迹成螺旋形,形成极光。 | 创设情境,激发学生的求知欲望, 提出问题,激发思考 引导学生在探究问题时构建物理模型。 以问题为主线,以情景为依托,注重过程优化,形成正确物理观念。 通过实验将物理现象直观呈现,引发学生思考。 通过问题层层递进引导学生寻找符合匀速圆周运动的条件,以论证自己的猜想。 通过遮挡的视频创设情境,引起学生好奇,并提出疑问。再引导学生运用所学知识进行理论推导。提升科学思维能力 经历合作交流、思考推断、验证分析、解决疑惑,体验到探究过程的快乐和成就感。 让学生亲自体验,现场验证自己推导出的结论,巩固规律。培养实事求是的科学态度 之前是合作,现在让学生独立完成科学推理,科学论证的过程 学以致用,及时检验,通过此题联系到带电粒子在气泡室中运动的径迹,拓展视野。 引导学生经历分析、推理、综合、判断等理性认识,培养学生模型构建,化繁为简的科学思维能力。 直观的实验现象直接验证了结果。获得探究的成就感。 回归生活,回归STSE,运用物理知识解释生活问题,关注课堂文化,培养学生的科学态度和责任意识。 |
三、总结
以上教学设计案例,引导学生将带电粒子在匀强磁场中的运动进行模型构建,基于核心素养提出问题,层层递进激发思维,经历自主学习、科学探究、合作交流、思考推断、验证分析等过程,提升学生的逻辑推理和分析论证能力。