周勝保

摘 要：帶電粒子在復合場中受到場力的作用，可能平衡也可能偏轉，教學過程中應加強受力分析，通過動力學解決力與運動的關系。對于不同的磁學元件，分析其物理實質，找出共同的物理規(guī)律。

關鍵詞：平衡；偏轉；洛倫茲力；電場；電勢差

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）6-0033-3

1 設計思想

以速度選擇器為突破口，加強帶電粒子在復合場中受力分析，深入討論平衡及偏轉問題，磁流體發(fā)電機和霍爾元件的實質基本一致，注意三種磁學元件的彼此聯(lián)系。

2 教學方法

問題引領，比較歸納。

3 教學過程

3.1 速度選擇器（如圖1所示）

物理情景1 如圖1所示，勻強電場的方向豎直向下，大小為E，勻強磁場的方向垂直紙面向里，大小為B，假設電量為q的正電荷（不計重力）從左向右沿直線運動，速度為v。

教師活動 問題1：運動電荷受到幾個力作用？方向怎樣？

學生活動 結合勻強電場和勻強磁場對帶電粒子作用力的特點判斷力的大小和方向，并嘗試畫出帶電粒子的受力情況，電場力豎直向下，洛倫茲力豎直向上（左手定則）。

教師活動 問題2：運動電荷從左向右沿直線運動，受到的力的大小關系怎樣？你發(fā)現(xiàn)什么結論？

學生活動 向下的電場力和向上的洛倫茲力平衡，qE=qvB，故E=vB，與電荷的電量無關，且勻速直線運動的速度v是由E和B決定的物理量。

教師活動 問題3：假設是負電荷（不計重力）能否從左向右沿直線運動？

學生活動 負電荷受到的電場力豎直向上，磁場力豎直向下，與正電荷受力完全相反，但仍然平衡，可以從左向右沿直線運動。

教師活動 問題4：正電荷（不計重力）能否從右向左沿直線運動通過上圖中的復合場？負電荷呢？

學生活動 正電荷從右向左運動時，電場力豎直向下，磁場力也豎直向下，無法平衡。負電荷從右向左運動時，電場力豎直向上，磁場力也豎直向上，仍然無法平衡。

教師活動 問題5：速度選擇器對速度大小、速度方向、帶電粒子的電荷量及正負有什么要求？

教師活動 問題7：只改變勻強電場的方向，變?yōu)樨Q直向上，正電荷（不計重力）能否從左向右沿直線運動？從右向左呢？

學生活動 勻強電場變?yōu)樨Q直向上后，正電荷（不計重力）不能從左向右沿直線運動，但能從右向左沿直線運動。

教師活動 問題8：從左向右沿直線運動，速度選擇器中的電場和磁場方向可以怎樣組合？從右向左呢？

學生活動 從左向右沿直線運動（左入右出），速度選擇器中的電場方向豎直向下，磁場方向垂直紙面向里（電下磁里），或電場方向豎直向上，磁場方向垂直紙面向外（電上磁外）；

從右向左沿直線運動（右入左出），速度選擇器中的電場方向豎直向上，磁場方向垂直紙面向里（電上磁里），或電場方向豎直向下，磁場方向垂直紙面向外（電下磁外）。

教師活動 問題9：假設平行板兩板間的間距為d，電勢差為U，帶電粒子直線運動時，可推出什么結論？

教師活動 問題10：若帶電粒子的重力不能忽略，以上結論和規(guī)律還成立嗎？

學生活動 不成立。此時考慮三場合一背景下的力與運動的關系。

教學反思 速度選擇器是電場和磁場的復合場，帶電粒子受到電場力和磁場力的作用，可能平衡也可能偏轉，若平衡，帶電粒子必做勻速直線運動。

通過十個問題的引領，讓學生明確電場力和洛倫茲力的方向關系和大小關系。從動力學（牛頓第二定律）和功能關系（動能定理）兩角度理解物理規(guī)律，十個問題也是十次思考，十次思維的碰撞，從簡單到復雜，引導學生漸入佳境。問題9和問題10是對速度選擇器的深入理解，也為后面要介紹的霍爾元件中的霍爾電壓的推導奠定了基礎和方向。

3.2 磁流體發(fā)電機（如圖2所示）

物理情景2 如圖2所示，A、B兩極板原來不帶電，等離子體（大量正負電荷）經過圖示空間。

教師活動 問題1：正負電荷的偏轉方向是否相同？

學生活動 正負電荷以相同的速度進入同一勻強磁場，受到的洛倫茲力方向相反，故偏轉方向相反。

教師活動 問題2：A、B兩極板最終帶電情況怎樣？

學生活動 正電荷受到的洛倫茲力方向向下，偏轉方向向下，故B板帶正電，A板帶負電，A、B兩極板形成新的電場，方向豎直向上。

教師活動 問題3：能否出現(xiàn)正負電荷均沿直線運動而不偏轉？此時A、B兩極板間的電壓U怎樣計算？

教學反思 磁流體發(fā)電機的原理與速度選擇器不同，但實質一樣，最終都轉化為平衡問題或動態(tài)平衡問題。磁流體發(fā)電機重點關注勻強電場的形成過程，正負電荷同時向兩個相反的方向偏轉，A、B兩極板最終形成穩(wěn)定的復合場（正交的電場和磁場）。正負電荷在穩(wěn)定的復合場中可做直線運動，但要用動態(tài)的觀點理解，不能靜態(tài)認識問題。

等離子體偏轉到A、B兩極板后，與外阻形成閉合回路，電荷定向移動形成電流?？梢赃@樣認為：等離子體通過A、B兩極板為媒介轉移到外電路，形成穩(wěn)定的電流。

3.3 霍爾效應

物理情景3 在勻強磁場B中放入一塊板狀金屬導體，并與磁場B方向垂直（如圖3），金屬導體的長為a， 厚為b，高為c，在金屬板中沿與磁場B垂直的方向通以電流I的時候，在金屬板的上、下表面之間會出現(xiàn)橫向電勢差UH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應，電勢差UH稱為霍爾電勢差。

進一步的觀察實驗還指出，霍爾電勢差UH大小與磁感應強度B和電流強度I的大小都成正比，而與金屬板的厚度b成反比。

教師活動 問題1： 假設電流I是由自由電子定向移動形成的，自由電子的定向移動方向怎樣？受力情況怎樣？偏轉方向怎樣？ 上、下表面之間出現(xiàn)橫向電勢的高低關系怎樣？

學生活動 自由電子的定向移動方向與電流I方向相反，受到向下的洛倫茲力向下偏轉，下極板帶負電，電勢的高低是下低上高。

教師活動 問題2： 假設電流I是由正電荷定向移動形成的，正電荷的定向移動方向怎樣？受力情況怎樣？偏轉方向怎樣？ 上、下表面之間會出現(xiàn)橫向電勢的高低關系怎樣？

學生活動 正電荷的定向移動方向與電流I方向相同，受到向上的洛倫茲力向上偏轉，上極板帶正電，電勢的高低是上高下低。

教師活動 問題3： 能否出現(xiàn)正（負）電荷沿直線運動而不偏轉？此時A、B兩極板間的電壓U怎樣計算？

教學反思 磁流體發(fā)電機是等離子體的運動偏轉形成的電勢差，霍爾元件是正電荷（或負電荷）運動偏轉形成的電勢差，但二者實質相同，推導電壓時都要用到平衡原理，故教學過程中要加強速度選擇器規(guī)律的理解和拓展思考，用一個原理解決多個磁學元件的規(guī)律類比，做到舉一反三，觸類旁通。

4 教學反思

問題的設計要與物理情景結合，通過從低到高，由表及里，環(huán)環(huán)相扣的問題引領學生走向思維的深處，這樣既有利于興趣的培養(yǎng)，也有利于課堂效果的提升，一舉多得。

參考文獻：

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[4]李勝強.對2015年江蘇高考題中一道電學實驗題的商榷[J].物理教師，2016，37（3）：88—90.

（欄目編輯 鄧 磊）