◇ 鄒 華

1 背景

傳統(tǒng)物理教學(xué)一直以傳授系統(tǒng)的物理知識(shí)為最終教學(xué)目標(biāo)，新課程改革把全面提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)作為總目標(biāo)．物理學(xué)科核心素養(yǎng)包含物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．科學(xué)思維的有效形成是高中物理教學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，科學(xué)思維即學(xué)生從物理學(xué)的角度對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式．通過(guò)高中階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能定性、定量地對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、得出結(jié)論．

帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡問(wèn)題，一直以來(lái)是學(xué)生較難理解的問(wèn)題，其原因在于磁場(chǎng)的抽象性．帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)“多功能軌跡作圖儀”，能定性分析帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，得出帶電粒子的入射速度與在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡之間的規(guī)律．

經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，對(duì)于帶電粒子入射的速度大小、方向和入射點(diǎn)確定的粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，大部分學(xué)生能夠掌握得較好．但對(duì)于粒子入射速度的大小、方向和入射點(diǎn)三個(gè)量之一不確定的帶電粒子的可能運(yùn)動(dòng)軌跡，學(xué)生掌握起來(lái)較為困難．例如帶電粒子射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)的速度大小和入射點(diǎn)確定，但是粒子的入射方向不確定，此時(shí)帶電粒子可能的運(yùn)動(dòng)軌跡就有多種．那么帶電粒子在磁場(chǎng)中可能經(jīng)過(guò)的區(qū)域是怎樣的呢?很明顯，這類(lèi)題目應(yīng)該用“動(dòng)圓旋轉(zhuǎn)法”來(lái)作圖．這類(lèi)問(wèn)題如果用傳統(tǒng)的方法，即用圓規(guī)畫(huà)圖，既耗時(shí)，又不夠形象．因此筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)作圖儀，該作圖儀能夠快速形象地還原帶電粒子射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，入射速度特點(diǎn)不同時(shí)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡．

2 制作儀器的原理和使用方法

2.1 原理

物理源于生活，用于生活．生活中常見(jiàn)的輕薄壓木板或者硬質(zhì)泡沫材料均可快速切割成圓形，而帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡恰好可以利用圓盤(pán)快速形象地描繪出來(lái)．該圓盤(pán)使用輕薄壓木板或硬質(zhì)泡沫材料制成，圓盤(pán)的圓心處打一個(gè)比粉筆稍大的孔，用于將圓盤(pán)固定在黑板上，在圓盤(pán)的某一直徑上打一排孔，以中心的孔為圓心，中心的孔到直徑上某個(gè)孔的距離為半徑，即可畫(huà)出半徑不同的圓．

圖1 多功能作圖儀

2.2 教學(xué)用途與方法

該儀器的主要教學(xué)用途是解決帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的可能運(yùn)動(dòng)軌跡的畫(huà)圖問(wèn)題．

1)動(dòng)圓縮放:帶電粒子射入方形邊界磁場(chǎng)的速度方向確定，入射點(diǎn)確定，速度大小不確定，粒子恰好不從某一邊界飛出的速度的大小范圍，此時(shí)需要用“動(dòng)圓縮放法”還原學(xué)生解題的思維過(guò)程，利用作圖儀能夠快速畫(huà)出半徑不同的圓，找剛好和這一邊界相切的圓，從而形象直觀地解決問(wèn)題．

2)動(dòng)圓旋轉(zhuǎn):帶電粒子射入單邊界磁場(chǎng)，入射速度的大小和入射點(diǎn)確定，方向不確定，求粒子可能經(jīng)過(guò)的區(qū)域，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑是確定的，只需將圓盤(pán)邊緣上的一點(diǎn)確定，在180°內(nèi)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，模擬粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，即可快速確定粒子可能經(jīng)過(guò)的區(qū)域．

3)動(dòng)圓平移:帶電粒子射入單邊界磁場(chǎng)，速度的大小和方向確定，入射點(diǎn)不確定，此時(shí)粒子可能的運(yùn)動(dòng)軌跡是一組平移圓，通過(guò)水平移動(dòng)圓盤(pán)畫(huà)出一組半徑相同的圓即可得到粒子可能的運(yùn)動(dòng)軌跡．

圖2 多功能作圖儀的使用

畫(huà)粒子可能的運(yùn)動(dòng)軌跡圖象的過(guò)程，也是還原粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的過(guò)程，如畫(huà)“旋轉(zhuǎn)圓”，教師只需將圓盤(pán)在黑板上旋轉(zhuǎn)，即可畫(huà)出多個(gè)半徑相同的圓，形象、直觀．此作圖儀教師可以使用生活中常見(jiàn)的材料自己動(dòng)手制作，制作和攜帶都很方便．另外還可以設(shè)計(jì)一個(gè)可以在半徑方向上移動(dòng)的小孔，從而畫(huà)出任意半徑的圓．該作圖儀的制作與使用基于物理思維的生成過(guò)程，能為學(xué)生呈現(xiàn)更形象的物理模型，讓學(xué)生更好地實(shí)現(xiàn)物理模型的構(gòu)建．