Разработка урока с демонстрационном экспериментом по теме "Сила Лоренца"

ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Предмет

физика

Класс

11

Дата: 27.05.2025

Тема урока

Сила Лоренца

Цель урока (для обучающегося)

Цель урока (для учителя)

Понять, как движущийся заряд взаимодействует с магнитным полем, научиться определять направление силы Лоренца и наблюдать её действие в опыте.

Научиться применять свои знания для объяснения конкретных явлений.

Сформулировать, как движущийся заряд взаимодействует с магнитным полем, научиться определять направление силы Лоренца и наблюдать её действие в опыте.

Научить применять свои знания для объяснения конкретных явлений.

Тип урока

Урок изучения нового материала

Планируемые образовательные результаты

Предметные

Метапредметные

Личностные

используя демонстрационный эксперимент понять, что такое сила Лоренца, ее формулу и правила определения; научиться применять знания для объяснения конкретных примеров.

Овладеть навыками самостоятельного приобретения знаний на основании личных наблюдений, практического опыта.

сформировать познавательный интерес, творческие способности и практические умения, самостоятельность в приобретении новых знаний; принимать решения и обосновывать их, самостоятельно оценивать результаты своих действий, развивать инициативу;

УУД

Познавательные

Личностные

Коммуникативные

Регулятивные

Умеют заменять термины

определениями.

Выражают

смысл ситуации различными

средствами (рисунки,

символы, схемы, знаки).

Приводят

примеры способов изменения внутренней энергии.

Осознают свои действия.

Умеют задавать вопросы и

слушать собеседника.

Владеют вербальными и

невербальными средствами

общения.

Выделяют и

осознают то, что уже усвоено

и что еще подлежит усвоению,

осознают качество и уровень

усвоения.

Оборудование:

Дидактические материалы:

Проектор, презентация учителя. Прибор для опыта силы Лоренца

Основные понятия

Сила Лоренца, заряд, сила Ампера

ОРГАНИЗАЦИОННАЯ СТРУКТУРА УРОКА

1. ЭТАП Организационный момент.

Цель – психологически настроить учащихся на учебную деятельность.

Деятельность учителя

Здравствуйте, ребята. Прозвенел уже звонок! Начинаем наш урок, рассаживаемся на свои места. Все готовы? Тогда можем начинать. Давайте проверим наличие домашнего задания. Есть ли какие-то вопросы?

Деятельность учащихся

Здравствуйте. (Присаживаются, проверяют готовность к уроку)

2. ЭТАП Актуализация опорных знаний.

Цель: актуализировать учебные знания и умения, мыслительные операции, необходимые для восприятия нового

Деятельность учителя

Перед тем, как начнем урок, давайте вспомним, что такое:

1. Электрический заряд

2. Сила тока

3. Магнитное поле

4. Магнитная индукция, линии магнитной индукции

5. Сила Ампера

Деятельность учащихся

1. физическая скалярная величина, которая показывает способность тел быть источником электромагнитных полей и участвовать в электромагнитном взаимодействии. 

2. физическая величина, которая показывает, какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. 

3. это особый вид материи, который существует вокруг магнитов или движущихся зарядов.

4. Характеризует силу, с которой поле действует на движущийся электрический заряд. Единица измерения — тесла (Тл). Линии магнитной индукции - воображаемые линии в пространстве, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этой точке поля. 

5. это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током.

Формирование УУД

Познавательные УУД:

Структурировать собственные знания.

Личностные УУД:

Оценить усвоение материала.

Коммуникативные УУД:

Вступать в диалог.

Участвовать в коллективном обсуждении учебной проблемы.

Оформлять свои мысли в устной и письменной форме.

Регулятивные УУД:

Контролировать и оценивать процесс и результат деятельности.

3 ЭТАП. Целеполагание и мотивация.

Цель: Обеспечение мотивации учения детьми, принятия ими целей урока

Деятельность учителя

Наверняка, каждый из вас слышал, может даже видел полярное сияние. Как думаете, как оно появляется?

Сегодня на нашем уроке мы попробуем найти объяснение тому прекрасному явлению природы

Запишите тему урока и число

Деятельность учащихся

Записывают тему и число

Познавательные УУД:

умение осознанно и произвольно строить речевое высказывание в устной форме.

Личностные УУД: 

самоопределение.

Регулятивные УУД: 

целеполагание.

Коммуникативные УУД: 

умение вступать в диалог, участвовать в коллективном обсуждении вопроса.

4 ЭТАП. Изучение нового материала.

Цель: Сформировать представление у учащихся о силе Лоренца.

Электрический ток – это совокупность упорядоченно движущихся заряженных частиц. Поэтому действие магнитного поля на проводник с током есть резуль­тат действия поля на движущиеся заряженные частицы внутри проводника. Найдём силу, действующую на одну частицу. Силой Лоренца называют силу, действующую на движущуюся заряжен­ную частицу со стороны магнитного поля

Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы, действующей на участок проводника длиной ∆l, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся в этом участке. Fл=F/N

Рассмотрим отрезок тонкого прямого проводника с током

Пусть длина отрезка ∆l и площадь S поперечного сечения проводника настолько малы, что вектор индукции магнитного поля B можно считать одинаковым в пределах этого отрезка проводника. Сила тока I в проводнике связана с зарядом q частиц, концентрацией n заряженных частиц (числом зарядов в единице объема) и скоростью υ их упорядоченного движения следующим образом: I = qnυS

Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбранный элемент тока, равен: F=|I|B∆lsina, где В-магнитная индукция, I-сила тока, ∆l- длина отрезка, угол а – угол между вектором магнитной индукции и силой тока.

П одставляя в эту формулу выражение для силы тока, получаем F=V|q|NBsina, где N=nS∆l – число заряженных частиц в рассматриваемом объеме.

Следовательно, на каждый движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца. Fл=|q|VBsina, где угол а – угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

Как же определить направление силы Лоренца? Сила Лоренца перпендикулярна векторам магнитной индукции и скорости . Ее направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера: Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции , перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению скорости движения положительного заряда (против направления скорости движения отрицательного), то отогнутый на 90 градусов большой палей укажет направление действующей на заряд силы Лоренца Fл.

Электрическое поле действует на заряд q с силой Fэл=q . Следовательно, если есть и электрическое поле, и магнитное поле, то суммарная сила, действующая на заряд, равна:  =  _ал +  _л. Так как сила Лоренца перпендикулярная скорости частицы, то она не совершает работы, это значит, что сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль скорости частицы. Под действием силы Лоренца меняется лишь направление скорости частицы.

Давайте обратим внимание на экспериментальную установку. Из чего она состоит?

1. Стеклянная колба с разреженным газом. Здесь образуется электронный пучок.

2. Катушки Гельмгольца — две одинаковые катушки по бокам. Они создают однородное магнитное поле внутри колбы.

3. Источник напряжения — разгоняет электроны от катода.

4. Масштабная линейка — показывает радиус движения электронов.

5. Вольтметр и амперметр — показывают напряжение и ток, чтобы мы могли измерить все параметры.

6. Регуляторы — для управления полем и напряжением.

Что происходит, когда прибор подключаем в цепь постоянного тока? Со временем, валик, который находится внутри, будет нагреваться и выпускать водород внутри колбы, то есть появится газ. Со временем мы увидим, как будет появляться розовое свечение. Что это за свечение и откуда оно берется?

Когда мы увеличиваем напряжение, увеличивается сила тока и, конечно, увеличивается количество электронов, которое выпускается внутрь колбы, при взаимодействии газа с электронами, появляется свечение. Вы спросите, почему именно розовое свечение? Потому что молекулы водороды очень маленькие и то самое свечение преломляется с такой длиной волны, как у розового цвета. Когда прибор выключают, валик обратно всасывает газ и свечение со временем пропадает. А почему же свечение такое круговое, спиралевидное даже? Потому что прибор имеет две катушки по бокам, которые при подключении в цепь создают однородное магнитное поле внутри колбы, они и меняют направление свечения из прямолинейного в круговое.

Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле.

Рассмотрим движение частицы с зарядом q в однородном магнитном поле  , направленном перпендикулярно к начальной скорости частицы   

Сила Лоренца зависит от модулей векторов скорости частицы и индукции магнитного поля. Так как магнитное поле не меняет модуль скорости движущейся частицы, то остается неизменным и модуль силы Лоренца. Эта сила перпендикулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ускорение частицы. Неизменность по модулю центростремительного ускорения частицы, движущейся с постоянной по модулю скоростью, означает, что частица равномерно движется по окружности радиусом r.

Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно

Использования действия магнитного поля на движущийся заряд

Д ействие магнитного поля на движущийся заряд широко используют в современной технике. Достаточно упомянуть телевизионные трубки (кинескопы), в которых летящие к экрану электроны отклоняются с помощью магнитного поля, создаваемого особыми катушками.

Сила Лоренца используется в ускорителе заряженных частиц (циклотрон) для получения частиц с большими энергиями. Циклотрон состоит из двух полых полуцилиндров (дуантов) 3, находящихся в однородном магнитном поле. Между дуантами создается переменное электрическое поле. При увеличении скорости частицы 1 радиус окружности (траектории 2), по которой движется частица, увеличивается. Период обращения частицы не зависит от скорости, и, следовательно, через полпериода, вследствие изменения направления электрического поля, частица снова оказывается в ускоряющем ее поле и т. д. На последнем витке частица вылетает из циклотрона.

На действии магнитного поля основано также и устройство приборов, позволяющих разделять заряженные частицы по их у дельным зарядам, т. е. по отношению заряда частицы к ее массе, и по полученным результатам точно определять массы частиц. Такие приборы получили название масс-спектрографов.

На рисунке изображена принципиальная схема простейшего масс-спектрографа. Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле (вектор индукции   перпендикулярен рисунку). Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с высокой точностью измерить радиус траектории r. По этому радиусу определяется удельный заряд иона. Зная заряд иона, легко вычислить его массу.

5 ЭТАП. Применение новых знаний

Деятельность учителя

1. 

2. 

3. 

4. Определите направление силы Лоренца

Деятельность учащихся

1. Увеличится, увеличится, уменьшится, уменьшится

2. 

3. Увеличится в 2 раза

Формирование УУД Познавательные:

Понимать информацию, представленную в виде текста, рисунка, схемы.

Развитие навыков нахождения закономерностей.

8 ЭТАП Подведение итогов урока

Деятельность учителя

1. Что произойдет с направлением силы Лоренца, если электрон заменить на протон?

2. Можно ли с помощью силы Лоренца изменить скорость частицы?

Помните, в самом начале урока мы ставили перед собой вопрос о полярном сиянии? Полярное сияние возникает, когда сила Лоренца направляет заряженные частицы солнечного ветра вдоль силовых линий магнитного поля Земли к полюсам. Там частицы сталкиваются с атмосферными газами, передавая им энергию, которая преобразуется в свет.

Как именно:

Сила Лоренца заставляет электроны и протоны двигаться по спиралям вокруг магнитных линий.

У полюсов, где линии магнитного поля «входят» в атмосферу, частицы попадают в верхние слои (ионосферу).

При столкновении с кислородом и азотом возникает свечение (зелёное, красное, фиолетовое).

Итог: Без силы Лоренца частицы не сфокусировались бы у полюсов, и сияния не существовало бы.

1. Направление силы изменится, так как протон имеет положительный заряд

2. Нет, сила перпендикулярна вектору скорости, следовательно, она меняет только направление, но не модуль (энергия остается неизменной)

9 ЭТАП. Рефлексия

Деятельность учителя

По желанию выберите фразу и закончите её самостоятельно.

Сегодня я узнал…

Я научился…

Было интересно…

У меня получилось…

Было трудно…

Я смог…

Я понял, что…

Меня удивило…

Теперь я могу…

Занятие дало мне для жизни…

Расскажу дома, что …

Проводят анализ своей работы на уроке. Оценивают свою деятельность. Дополняют выбранные фразы.

Личностные УУД: Сформировать рефлексивную самооценку деятельности на уроке, развивать умение выражать настроение, анализировать его изменение в течение урока.

10 ЭТАП Домашнее задание. § 4, подготовиться к самостоятельной работе на следующем уроке