李先生
帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
教科書分析
1 分析
本文針對(duì)人教版新教材和陸克版《均勻磁場(chǎng)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)》（該部分內(nèi)容在陸克版中位于“洛倫茲力”部分）進(jìn)行分析，除了對(duì)三版教材進(jìn)行獨(dú)立分析外，還將對(duì)另外兩版教材與人教版（2019版）的異同進(jìn)行比較分析。
2人民教育出版社版（2019）
2.1 簡(jiǎn)介
教材以直觀的方式引導(dǎo)學(xué)生思考帶電粒子垂直于均勻磁場(chǎng)射出時(shí)的軌跡，并直接指出本部分的研究對(duì)象。
2.2 教材
2.2.1 帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
本節(jié)根據(jù)介紹的問題，介紹研究粒子運(yùn)動(dòng)的基本思想。通過分析受力條件，可以確定粒子的運(yùn)動(dòng)：
（1）數(shù)學(xué)矢量角：粒子在同一平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)（垂直于磁場(chǎng)方向）；
（2）從物理力學(xué)角度：以垂直于磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子，在均勻磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
思考與討論
根據(jù)以上分析，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考影響圓的半徑和周期的因素，并引出下一節(jié)的內(nèi)容。
2.2.2 帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與周期（本節(jié)標(biāo)題省略了“均勻強(qiáng)度”和“均勻速度”這兩個(gè)限定詞，但從上下文判斷，研究對(duì)象仍是均勻磁場(chǎng)中做均勻圓周運(yùn)動(dòng)的帶電粒子）
本節(jié)用不同的方法分析影響帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑和周期的因素。影響半徑的因素通過理論推導(dǎo)進(jìn)行分析，并通過演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論；影響周期的因素通過理論推導(dǎo)進(jìn)行分析。具體如下：
（1）半徑：首先我們引入通過牛頓第二定律分析影響半徑因素的思路，明確指出影響因素為粒子的速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。然后基于上篇中的思路，通過公式推導(dǎo)進(jìn)行理論分析，得出結(jié)論。隨后通過演示實(shí)驗(yàn)——觀察帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，在四種不同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)（見教材圖1.3-3、1.3-4）洛倫茲力演示儀，驗(yàn)證半徑大小、速度大小、磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。
（2）周期：結(jié)合必修二第六章圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)和公式，推導(dǎo)出周期公式，并得出結(jié)論。這也為下一節(jié)奠定基礎(chǔ)。
2.2.3 示例
最后以實(shí)例總結(jié)本部分的主要內(nèi)容。值得注意的是，本例題第一題意義深遠(yuǎn)——通過定量計(jì)算得到微小粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)引力與洛倫茲力的比值，并增加分析欄引導(dǎo)學(xué)生思考。告訴學(xué)生粒子能否忽略引力取決于粒子的性質(zhì)。教學(xué)時(shí)要幫助學(xué)生區(qū)分哪些物質(zhì)可以視為微小粒子，哪些物質(zhì)不能忽略引力。后兩題則圍繞本部分內(nèi)容，考察學(xué)生對(duì)洛倫茲力提供的向心力的理解以及對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)的掌握。
2.3 練習(xí)與應(yīng)用
課后三道練習(xí)，考查的知識(shí)點(diǎn)和題型都不同。第一題是對(duì)本節(jié)內(nèi)容基礎(chǔ)知識(shí)的簡(jiǎn)單應(yīng)用，第二題則涉及不同粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)以及電場(chǎng)與磁場(chǎng)的結(jié)合的比較，幫助學(xué)生理解電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的作用不同（電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子做功，洛倫茲力不做功，但洛倫茲力不做功的概念在本節(jié)正文中沒有明確闡述）。此外，本題引導(dǎo)學(xué)生定量比較在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的不同特定電荷的帶電粒子經(jīng)過同一加速電場(chǎng)后，其物理量之間的關(guān)系以及影響因素。但第二題與第一題一樣，還停留在抽象問題和公式理解的層面，而第三題則是針對(duì)臨界條件設(shè)計(jì)的，與前兩題不同，本題進(jìn)行了具體化，避免了簡(jiǎn)單的正因果關(guān)系。 題目以圖文并茂的形式呈現(xiàn)，旨在引導(dǎo)學(xué)生借助圖形分析運(yùn)動(dòng)，需要運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)和幾何知識(shí)才能解答。而且第一題并不是要求學(xué)生直接由速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度推導(dǎo)出半徑，而是引導(dǎo)學(xué)生通過題目的條件，利用幾何知識(shí)分析半徑，逆向推導(dǎo)出磁感應(yīng)強(qiáng)度，打破了學(xué)生的慣性思維。
3 人民教育出版社版（2019）
3.1 簡(jiǎn)介
由于上一節(jié)我們學(xué)習(xí)了運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用，本節(jié)將以洛倫茲力演示器和相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)來(lái)介紹本節(jié)的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)的目的是觀察電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡，在四種不同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行。
通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將首先看到電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡，直接觀察到電子束軌跡的半徑隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化而變化，半徑隨發(fā)射電子的速度的變化而變化，給學(xué)生一個(gè)定性的、直觀的描述。
3.2 教材
3.2.1 帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
基于上述演示實(shí)驗(yàn)，本節(jié)首先從兩個(gè)角度分析洛倫茲力對(duì)帶電粒子的作用：
（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)角度：分析力與速度方向的關(guān)系，得出洛倫茲力不改變帶電粒子速度的大小；
（2）從函數(shù)關(guān)系上看：洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功。
然后通過分析洛倫茲力的大小和方向特征，得出垂直于磁場(chǎng)入射的帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中做勻速運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。
思考與討論
根據(jù)以上分析，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考影響圓的半徑和周期的因素，并給出思路，引導(dǎo)學(xué)生從圓周運(yùn)動(dòng)公式入手進(jìn)行分析。
正文在思考與討論的基礎(chǔ)上，從粒子物理研究中舉例說(shuō)明洛倫茲力演示儀，通過“云室”、“泡室”等裝置觀察帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，可以觀察到圓形軌跡，并發(fā)現(xiàn)粒子的質(zhì)量、速度、電荷都能影響軌跡的半徑。
3.2.2 示例
教材在前面課文的基礎(chǔ)上，以質(zhì)譜儀為場(chǎng)景設(shè)計(jì)了例題，通過例題將加速電場(chǎng)與磁場(chǎng)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)對(duì)第二道題進(jìn)行分析，按照討論中提出的思路進(jìn)行思考，基于圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律推導(dǎo)出半徑公式，并推導(dǎo)出帶電粒子經(jīng)過加速電場(chǎng)后在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑公式，也就是不同粒子經(jīng)過加速電場(chǎng)后在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑公式。
基于本例場(chǎng)景，介紹質(zhì)譜儀的原理、發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。
3.2.3 回旋加速器
這一部分是對(duì)上一節(jié)知識(shí)的應(yīng)用，首先給出背景和難點(diǎn)，并通過提問得到難點(diǎn)的解決方法，從而介紹回旋加速器，然后通過文字定性講解回旋加速器的加速原理。
思考與討論
根據(jù)以上原理，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生分析質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)周期與速度的關(guān)系、半徑與速度的關(guān)系。
最后，給出了回旋加速器的局限性，為3-4奠定了基礎(chǔ)。
3.3 問題與練習(xí)
前兩題與人教版（2019）相同。第三題以質(zhì)譜儀為背景，對(duì)比同位素原子核（帶有不同特定電荷的帶電粒子）在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)逆向思考，由直徑比解出質(zhì)量比。第四題以回旋加速器為背景，分析在回旋加速器中加速的粒子的最大動(dòng)能/最大速度。
4 路加福音
首先從宏觀電流到微觀電荷，引導(dǎo)學(xué)生將安培力與運(yùn)動(dòng)電荷是否受力、有無(wú)規(guī)律聯(lián)系起來(lái)，從而介紹本節(jié)內(nèi)容。然后通過實(shí)驗(yàn)探究磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用，觀察磁場(chǎng)對(duì)陰極射線的影響，推導(dǎo)出洛倫茲力的概念及公式，并拓展出速度與磁場(chǎng)存在夾角時(shí)洛倫茲力的一般規(guī)律。接著通過電流的微觀表達(dá)，分析洛倫茲力與安培力的關(guān)系，得到判斷洛倫茲力方向的方法。接下來(lái)通過觀察粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，提出假設(shè)，利用洛倫茲力演示器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，驗(yàn)證假設(shè)并得出結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上通過公式推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)電荷圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與周期公式，并推導(dǎo)出影響因素及半徑與周期的關(guān)系。 之后通過對(duì)粒子在組合場(chǎng)和有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間解的例題分析，引導(dǎo)學(xué)生思考粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)圓心位置的確定方法，最后通過一道綜合題，將本節(jié)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行綜合運(yùn)用。
5. 教材內(nèi)容比較
5.1 內(nèi)容安排對(duì)比
由于上一節(jié)我們學(xué)習(xí)了運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用，本節(jié)將以洛倫茲力演示器和相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)來(lái)介紹本節(jié)的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)的目的是觀察電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡，在四種不同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行。
通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將首先看到電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡，直接觀察到電子束軌跡的半徑隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化而變化，半徑隨發(fā)射電子的速度的變化而變化，給學(xué)生一個(gè)定性的、直觀的描述。
5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)置比較
就此部分而言，人教版新教材與舊教材相比，欄目發(fā)生了一些變化，新教材增加了“問題”欄目介紹新課，將課后練習(xí)欄目由“練習(xí)與問題”改為“練習(xí)與應(yīng)用”，同時(shí)保留了舊教材中的“演示”和“思考與討論”欄目。
陸科版主要通過“實(shí)驗(yàn)探索”來(lái)探究和學(xué)習(xí)概念和規(guī)律，并穿插“更進(jìn)一步”和“科學(xué)書店”欄目來(lái)推進(jìn)和強(qiáng)化當(dāng)前內(nèi)容，并在例題中附加“策略細(xì)化”欄目。此外，教材還在此部分附加了素養(yǎng)提升部分，在培養(yǎng)科學(xué)思維核心素養(yǎng)的指導(dǎo)下，直接說(shuō)明了學(xué)生通過學(xué)習(xí)此部分需要達(dá)到的要求。
相比之下，人教版新教材欄目的增加，明確提出教學(xué)中不能忽視新課程的引入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。陸科版通過不同的欄目豐富教材內(nèi)容，更直觀地提示學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)需要掌握的知識(shí)和方法，也說(shuō)明了學(xué)生通過基于核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)需要達(dá)到的水平。最后，人教版（2019）和陸科版的練習(xí)欄，進(jìn)一步彰顯了對(duì)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的要求。
5.3 新課程介紹與比較
如上文所述，人教版新教材增加了“問題”欄目，與陸克版保持一致，采用問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式。但人教版（2019版）直接讓學(xué)生猜測(cè)帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，而陸克版則從構(gòu)建安培力與洛倫茲力的關(guān)系的角度引入問題。人教版舊教材則直接引入洛倫茲力演示器來(lái)開啟教學(xué)，這種引入方式生硬，難以激發(fā)學(xué)生的探究欲望，在教學(xué)過程中也考驗(yàn)老師對(duì)教學(xué)的把握。
5.4 文本內(nèi)容比較
人教版（2019）和陸克版教材將舊人教版教材中的質(zhì)譜儀和回旋加速器安排為一個(gè)獨(dú)立章節(jié)。質(zhì)譜儀和回旋加速器是帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的綜合應(yīng)用實(shí)例，陸克版還增加了有關(guān)陰極射線管的內(nèi)容。總體來(lái)看，人教版將帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)作為一個(gè)獨(dú)立章節(jié)，而陸克版這部分內(nèi)容屬于洛倫茲力章節(jié)的第三部分。其中，人教版將這部分內(nèi)容分為兩部分。但新教材將帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)知識(shí)劃分為更細(xì)致的部分，而舊教材則分為均勻磁場(chǎng)中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)和回旋加速器兩個(gè)部分，即概念和綜合應(yīng)用分為兩個(gè)部分。 陸克版并未對(duì)該部分內(nèi)容做明確區(qū)分，而將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)探索與理論推導(dǎo)放在了同一章節(jié)。相比之下，在同樣的內(nèi)容下，人教版新教材講解得更為細(xì)致，結(jié)構(gòu)更為完整。
5.5 實(shí)驗(yàn)比較
人教版新舊教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相同，相比較而言，新教材更加準(zhǔn)確簡(jiǎn)潔。實(shí)驗(yàn)一、二控制磁場(chǎng)的存在，觀察帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)三、四采用控制變量法，演示不同條件下不同因素對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)半徑的影響。但由于實(shí)驗(yàn)四改變了速度的大小和方向，出現(xiàn)了粒子不是垂直射入磁場(chǎng)的情況，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)出現(xiàn)螺旋狀。在教學(xué)中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生思考這種現(xiàn)象存在的原因。
司南版同樣采用了洛倫茲力演示器，實(shí)驗(yàn)以問題引導(dǎo)為主，實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比無(wú)磁場(chǎng)、速度垂直于磁場(chǎng)、速度不垂直于磁場(chǎng)三種情況下電子的運(yùn)動(dòng)軌跡。與民教版相比，缺少不同因素對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)半徑影響的實(shí)驗(yàn)，但明確指出學(xué)生觀察速度不垂直于磁場(chǎng)時(shí)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，重點(diǎn)將放在觀察電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上。
參考
楊雪, 董愛軍. 人教版高中物理教材新舊版對(duì)比分析——以《均勻磁場(chǎng)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)》為例[J]. 湖南中學(xué)物理, 2023, 38(05): 22-25.
圖片
人民教育出版社（2019） 人民教育出版社（2004） 陸克出版社
結(jié)尾