李先生
帶電粒子在磁場中的運動
教科書分析
1 分析
本文針對人教版新教材和陸克版《均勻磁場中帶電粒子的運動》（該部分內(nèi)容在陸克版中位于“洛倫茲力”部分）進行分析，除了對三版教材進行獨立分析外，還將對另外兩版教材與人教版（2019版）的異同進行比較分析。
2人民教育出版社版（2019）
2.1 簡介
教材以直觀的方式引導學生思考帶電粒子垂直于均勻磁場射出時的軌跡，并直接指出本部分的研究對象。
2.2 教材
2.2.1 帶電粒子在均勻磁場中的運動
本節(jié)根據(jù)介紹的問題，介紹研究粒子運動的基本思想。通過分析受力條件，可以確定粒子的運動：
（1）數(shù)學矢量角：粒子在同一平面內(nèi)運動（垂直于磁場方向）；
（2）從物理力學角度：以垂直于磁場方向射入磁場的帶電粒子，在均勻磁場中做勻速圓周運動。
思考與討論
根據(jù)以上分析，提出問題，引導學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 帶電粒子在磁場中做圓周運動的半徑與周期（本節(jié)標題省略了“均勻強度”和“均勻速度”這兩個限定詞，但從上下文判斷，研究對象仍是均勻磁場中做均勻圓周運動的帶電粒子）
本節(jié)用不同的方法分析影響帶電粒子在磁場中做圓周運動的半徑和周期的因素。影響半徑的因素通過理論推導進行分析，并通過演示實驗驗證結(jié)論；影響周期的因素通過理論推導進行分析。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強度。然后基于上篇中的思路，通過公式推導進行理論分析，得出結(jié)論。隨后通過演示實驗——觀察帶電粒子的運動軌跡，在四種不同的實驗條件下進行實驗，驗證帶電粒子在磁場中做圓周運動（見教材圖1.3-3、1.3-4）洛倫茲力演示儀，驗證半徑大小、速度大小、磁場強度之間的關(guān)系。
（2）周期：結(jié)合必修二第六章圓周運動的知識和公式，推導出周期公式，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——通過定量計算得到微小粒子在磁場中運動時引力與洛倫茲力的比值，并增加分析欄引導學生思考。告訴學生粒子能否忽略引力取決于粒子的性質(zhì)。教學時要幫助學生區(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，考察學生對洛倫茲力提供的向心力的理解以及對圓周運動相關(guān)知識的掌握。
2.3 練習與應(yīng)用
課后三道練習，考查的知識點和題型都不同。第一題是對本節(jié)內(nèi)容基礎(chǔ)知識的簡單應(yīng)用，第二題則涉及不同粒子在磁場中的運動以及電場與磁場的結(jié)合的比較，幫助學生理解電場和磁場對帶電粒子的作用不同（電場力對帶電粒子做功，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，本題引導學生定量比較在磁場中運動的不同特定電荷的帶電粒子經(jīng)過同一加速電場后，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，而第三題則是針對臨界條件設(shè)計的，與前兩題不同，本題進行了具體化，避免了簡單的正因果關(guān)系。 題目以圖文并茂的形式呈現(xiàn)，旨在引導學生借助圖形分析運動，需要運動數(shù)學和幾何知識才能解答。而且第一題并不是要求學生直接由速度和磁感應(yīng)強度推導出半徑，而是引導學生通過題目的條件，利用幾何知識分析半徑，逆向推導出磁感應(yīng)強度，打破了學生的慣性思維。
3 人民教育出版社版（2019）
3.1 簡介
由于上一節(jié)我們學習了運動電荷在磁場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)的演示實驗來介紹本節(jié)的內(nèi)容。實驗的目的是觀察電子束的運動軌跡，在四種不同的實驗條件下進行。
通過本實驗，學生將首先看到電子在磁場中運動的軌跡，直接觀察到電子束軌跡的半徑隨磁感應(yīng)強度的變化而變化，半徑隨發(fā)射電子的速度的變化而變化，給學生一個定性的、直觀的描述。
3.2 教材
3.2.1 帶電粒子在均勻磁場中的運動
基于上述演示實驗，本節(jié)首先從兩個角度分析洛倫茲力對帶電粒子的作用：
（1）運動學角度：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??；
（2）從函數(shù)關(guān)系上看：洛倫茲力對帶電粒子不做功。
然后通過分析洛倫茲力的大小和方向特征，得出垂直于磁場入射的帶電粒子在均勻磁場中做勻速運動的結(jié)論。
思考與討論
根據(jù)以上分析，提出問題，引導學生思考影響圓的半徑和周期的因素，并給出思路，引導學生從圓周運動公式入手進行分析。
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動，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)譜儀為場景設(shè)計了例題，通過例題將加速電場與磁場結(jié)合起來，同時對第二道題進行分析，按照討論中提出的思路進行思考，基于圓周運動規(guī)律推導出半徑公式，并推導出帶電粒子經(jīng)過加速電場后在磁場中運動的半徑公式，也就是不同粒子經(jīng)過加速電場后在磁場中做圓周運動的半徑公式。
基于本例場景，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
這一部分是對上一節(jié)知識的應(yīng)用，首先給出背景和難點，并通過提問得到難點的解決方法，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，引導學生分析質(zhì)點運動周期與速度的關(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
前兩題與人教版（2019）相同。第三題以質(zhì)譜儀為背景，對比同位素原子核（帶有不同特定電荷的帶電粒子）在磁場中的運動，要求學生根據(jù)所學知識逆向思考，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能/最大速度。
4 路加福音
首先從宏觀電流到微觀電荷，引導學生將安培力與運動電荷是否受力、有無規(guī)律聯(lián)系起來，從而介紹本節(jié)內(nèi)容。然后通過實驗探究磁場對運動電荷的作用，觀察磁場對陰極射線的影響，推導出洛倫茲力的概念及公式，并拓展出速度與磁場存在夾角時洛倫茲力的一般規(guī)律。接著通過電流的微觀表達，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。接下來通過觀察粒子運動軌跡，提出假設(shè)，利用洛倫茲力演示器進行實驗探究，驗證假設(shè)并得出結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上通過公式推導出運動電荷圓周運動的半徑與周期公式，并推導出影響因素及半徑與周期的關(guān)系。 之后通過對粒子在組合場和有界磁場中運動時間解的例題分析，引導學生思考粒子運動時圓心位置的確定方法，最后通過一道綜合題，將本節(jié)所學內(nèi)容進行綜合運用。
5. 教材內(nèi)容比較
5.1 內(nèi)容安排對比
由于上一節(jié)我們學習了運動電荷在磁場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)的演示實驗來介紹本節(jié)的內(nèi)容。實驗的目的是觀察電子束的運動軌跡，在四種不同的實驗條件下進行。
通過本實驗，學生將首先看到電子在磁場中運動的軌跡，直接觀察到電子束軌跡的半徑隨磁感應(yīng)強度的變化而變化，半徑隨發(fā)射電子的速度的變化而變化，給學生一個定性的、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，將課后練習欄目由“練習與問題”改為“練習與應(yīng)用”，同時保留了舊教材中的“演示”和“思考與討論”欄目。
陸科版主要通過“實驗探索”來探究和學習概念和規(guī)律，并穿插“更進一步”和“科學書店”欄目來推進和強化當前內(nèi)容，并在例題中附加“策略細化”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)科學思維核心素養(yǎng)的指導下，直接說明了學生通過學習此部分需要達到的要求。
相比之下，人教版新教材欄目的增加，明確提出教學中不能忽視新課程的引入，激發(fā)學生的學習興趣。陸科版通過不同的欄目豐富教材內(nèi)容，更直觀地提示學生通過課程學習需要掌握的知識和方法，也說明了學生通過基于核心素養(yǎng)的學習需要達到的水平。最后，人教版（2019）和陸科版的練習欄，進一步彰顯了對學生綜合能力培養(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)動的教學方式。但人教版（2019版）直接讓學生猜測帶電粒子在均勻磁場中的運動軌跡，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開啟教學，這種引入方式生硬，難以激發(fā)學生的探究欲望，在教學過程中也考驗老師對教學的把握。
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獨立章節(jié)。質(zhì)譜儀和回旋加速器是帶電粒子在電場和磁場中運動的綜合應(yīng)用實例，陸克版還增加了有關(guān)陰極射線管的內(nèi)容。總體來看，人教版將帶電粒子在磁場中的運動作為一個獨立章節(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中的運動知識劃分為更細致的部分，而舊教材則分為均勻磁場中的帶電粒子運動和回旋加速器兩個部分，即概念和綜合應(yīng)用分為兩個部分。 陸克版并未對該部分內(nèi)容做明確區(qū)分，而將運動狀態(tài)的實驗探索與理論推導放在了同一章節(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致，結(jié)構(gòu)更為完整。
5.5 實驗比較
人教版新舊教材的實驗設(shè)計相同，相比較而言，新教材更加準確簡潔。實驗一、二控制磁場的存在，觀察帶電粒子的運動情況。實驗三、四采用控制變量法，演示不同條件下不同因素對粒子運動半徑的影響。但由于實驗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的情況，電子的運動軌跡會出現(xiàn)螺旋狀。在教學中，教師需要引導學生思考這種現(xiàn)象存在的原因。
司南版同樣采用了洛倫茲力演示器，實驗以問題引導為主，實驗主要對比無磁場、速度垂直于磁場、速度不垂直于磁場三種情況下電子的運動軌跡。與民教版相比，缺少不同因素對粒子運動半徑影響的實驗，但明確指出學生觀察速度不垂直于磁場時電子的運動軌跡，重點將放在觀察電子在磁場中的運動狀態(tài)上。
參考
楊雪, 董愛軍. 人教版高中物理教材新舊版對比分析——以《均勻磁場中帶電粒子的運動》為例[J]. 湖南中學物理, 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