李先生
带电粒子在磁场中的运动
教科书分析
1 分析
本文针对人教版新教材和陆克版《均匀磁场中带电粒子的运动》（该部分内容在陆克版中位于“洛伦兹力”部分）进行分析，除了对三版教材进行独立分析外，还将对另外两版教材与人教版（2019版）的异同进行比较分析。
2人民教育出版社版（2019）
2.1 简介
教材以直观的方式引导学生思考带电粒子垂直于均匀磁场射出时的轨迹，并直接指出本部分的研究对象。
2.2 教材
2.2.1 带电粒子在均匀磁场中的运动
本节根据介绍的问题，介绍研究粒子运动的基本思想。通过分析受力条件，可以确定粒子的运动：
（1）数学矢量角：粒子在同一平面内运动（垂直于磁场方向）；
（2）从物理力学角度：以垂直于磁场方向射入磁场的带电粒子，在均匀磁场中做匀速圆周运动。
思考与讨论
根据以上分析，提出问题，引导学生思考影响圆的半径和周期的因素，并引出下一节的内容。
2.2.2 带电粒子在磁场中做圆周运动的半径与周期（本节标题省略了“均匀强度”和“均匀速度”这两个限定词，但从上下文判断，研究对象仍是均匀磁场中做均匀圆周运动的带电粒子）
本节用不同的方法分析影响带电粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期的因素。影响半径的因素通过理论推导进行分析，并通过演示实验验证结论；影响周期的因素通过理论推导进行分析。具体如下：
（1）半径：首先我们引入通过牛顿第二定律分析影响半径因素的思路，明确指出影响因素为粒子的速度和磁场强度。然后基于上篇中的思路，通过公式推导进行理论分析，得出结论。随后通过演示实验——观察带电粒子的运动轨迹，在四种不同的实验条件下进行实验，验证带电粒子在磁场中做圆周运动（见教材图1.3-3、1.3-4）洛伦兹力演示仪，验证半径大小、速度大小、磁场强度之间的关系。
（2）周期：结合必修二第六章圆周运动的知识和公式，推导出周期公式，并得出结论。这也为下一节奠定基础。
2.2.3 示例
最后以实例总结本部分的主要内容。值得注意的是，本例题第一题意义深远——通过定量计算得到微小粒子在磁场中运动时引力与洛伦兹力的比值，并增加分析栏引导学生思考。告诉学生粒子能否忽略引力取决于粒子的性质。教学时要帮助学生区分哪些物质可以视为微小粒子，哪些物质不能忽略引力。后两题则围绕本部分内容，考察学生对洛伦兹力提供的向心力的理解以及对圆周运动相关知识的掌握。
2.3 练习与应用
课后三道练习，考查的知识点和题型都不同。第一题是对本节内容基础知识的简单应用，第二题则涉及不同粒子在磁场中的运动以及电场与磁场的结合的比较，帮助学生理解电场和磁场对带电粒子的作用不同（电场力对带电粒子做功，洛伦兹力不做功，但洛伦兹力不做功的概念在本节正文中没有明确阐述）。此外，本题引导学生定量比较在磁场中运动的不同特定电荷的带电粒子经过同一加速电场后，其物理量之间的关系以及影响因素。但第二题与第一题一样，还停留在抽象问题和公式理解的层面，而第三题则是针对临界条件设计的，与前两题不同，本题进行了具体化，避免了简单的正因果关系。 题目以图文并茂的形式呈现，旨在引导学生借助图形分析运动，需要运动数学和几何知识才能解答。而且第一题并不是要求学生直接由速度和磁感应强度推导出半径，而是引导学生通过题目的条件，利用几何知识分析半径，逆向推导出磁感应强度，打破了学生的惯性思维。
3 人民教育出版社版（2019）
3.1 简介
由于上一节我们学习了运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，本节将以洛伦兹力演示器和相关的演示实验来介绍本节的内容。实验的目的是观察电子束的运动轨迹，在四种不同的实验条件下进行。
通过本实验，学生将首先看到电子在磁场中运动的轨迹，直接观察到电子束轨迹的半径随磁感应强度的变化而变化，半径随发射电子的速度的变化而变化，给学生一个定性的、直观的描述。
3.2 教材
3.2.1 带电粒子在均匀磁场中的运动
基于上述演示实验，本节首先从两个角度分析洛伦兹力对带电粒子的作用：
（1）运动学角度：分析力与速度方向的关系，得出洛伦兹力不改变带电粒子速度的大小；
（2）从函数关系上看：洛伦兹力对带电粒子不做功。
然后通过分析洛伦兹力的大小和方向特征，得出垂直于磁场入射的带电粒子在均匀磁场中做匀速运动的结论。
思考与讨论
根据以上分析，提出问题，引导学生思考影响圆的半径和周期的因素，并给出思路，引导学生从圆周运动公式入手进行分析。
正文在思考与讨论的基础上，从粒子物理研究中举例说明洛伦兹力演示仪，通过“云室”、“泡室”等装置观察带电粒子的运动，可以观察到圆形轨迹，并发现粒子的质量、速度、电荷都能影响轨迹的半径。
3.2.2 示例
教材在前面课文的基础上，以质谱仪为场景设计了例题，通过例题将加速电场与磁场结合起来，同时对第二道题进行分析，按照讨论中提出的思路进行思考，基于圆周运动规律推导出半径公式，并推导出带电粒子经过加速电场后在磁场中运动的半径公式，也就是不同粒子经过加速电场后在磁场中做圆周运动的半径公式。
基于本例场景，介绍质谱仪的原理、发现和应用。
3.2.3 回旋加速器
这一部分是对上一节知识的应用，首先给出背景和难点，并通过提问得到难点的解决方法，从而介绍回旋加速器，然后通过文字定性讲解回旋加速器的加速原理。
思考与讨论
根据以上原理，提出问题，引导学生分析质点运动周期与速度的关系、半径与速度的关系。
最后，给出了回旋加速器的局限性，为3-4奠定了基础。
3.3 问题与练习
前两题与人教版（2019）相同。第三题以质谱仪为背景，对比同位素原子核（带有不同特定电荷的带电粒子）在磁场中的运动，要求学生根据所学知识逆向思考，由直径比解出质量比。第四题以回旋加速器为背景，分析在回旋加速器中加速的粒子的最大动能/最大速度。
4 路加福音
首先从宏观电流到微观电荷，引导学生将安培力与运动电荷是否受力、有无规律联系起来，从而介绍本节内容。然后通过实验探究磁场对运动电荷的作用，观察磁场对阴极射线的影响，推导出洛伦兹力的概念及公式，并拓展出速度与磁场存在夹角时洛伦兹力的一般规律。接着通过电流的微观表达，分析洛伦兹力与安培力的关系，得到判断洛伦兹力方向的方法。接下来通过观察粒子运动轨迹，提出假设，利用洛伦兹力演示器进行实验探究，验证假设并得出结论，并在此基础上通过公式推导出运动电荷圆周运动的半径与周期公式，并推导出影响因素及半径与周期的关系。 之后通过对粒子在组合场和有界磁场中运动时间解的例题分析，引导学生思考粒子运动时圆心位置的确定方法，最后通过一道综合题，将本节所学内容进行综合运用。
5. 教材内容比较
5.1 内容安排对比
由于上一节我们学习了运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，本节将以洛伦兹力演示器和相关的演示实验来介绍本节的内容。实验的目的是观察电子束的运动轨迹，在四种不同的实验条件下进行。
通过本实验，学生将首先看到电子在磁场中运动的轨迹，直接观察到电子束轨迹的半径随磁感应强度的变化而变化，半径随发射电子的速度的变化而变化，给学生一个定性的、直观的描述。
5.2 结构设置比较
就此部分而言，人教版新教材与旧教材相比，栏目发生了一些变化，新教材增加了“问题”栏目介绍新课，将课后练习栏目由“练习与问题”改为“练习与应用”，同时保留了旧教材中的“演示”和“思考与讨论”栏目。
陆科版主要通过“实验探索”来探究和学习概念和规律，并穿插“更进一步”和“科学书店”栏目来推进和强化当前内容，并在例题中附加“策略细化”栏目。此外，教材还在此部分附加了素养提升部分，在培养科学思维核心素养的指导下，直接说明了学生通过学习此部分需要达到的要求。
相比之下，人教版新教材栏目的增加，明确提出教学中不能忽视新课程的引入，激发学生的学习兴趣。陆科版通过不同的栏目丰富教材内容，更直观地提示学生通过课程学习需要掌握的知识和方法，也说明了学生通过基于核心素养的学习需要达到的水平。最后，人教版（2019）和陆科版的练习栏，进一步彰显了对学生综合能力培养的要求。
5.3 新课程介绍与比较
如上文所述，人教版新教材增加了“问题”栏目，与陆克版保持一致，采用问题驱动的教学方式。但人教版（2019版）直接让学生猜测带电粒子在均匀磁场中的运动轨迹，而陆克版则从构建安培力与洛伦兹力的关系的角度引入问题。人教版旧教材则直接引入洛伦兹力演示器来开启教学，这种引入方式生硬，难以激发学生的探究欲望，在教学过程中也考验老师对教学的把握。
5.4 文本内容比较
人教版（2019）和陆克版教材将旧人教版教材中的质谱仪和回旋加速器安排为一个独立章节。质谱仪和回旋加速器是带电粒子在电场和磁场中运动的综合应用实例，陆克版还增加了有关阴极射线管的内容。总体来看，人教版将带电粒子在磁场中的运动作为一个独立章节，而陆克版这部分内容属于洛伦兹力章节的第三部分。其中，人教版将这部分内容分为两部分。但新教材将带电粒子在均匀磁场中的运动知识划分为更细致的部分，而旧教材则分为均匀磁场中的带电粒子运动和回旋加速器两个部分，即概念和综合应用分为两个部分。 陆克版并未对该部分内容做明确区分，而将运动状态的实验探索与理论推导放在了同一章节。相比之下，在同样的内容下，人教版新教材讲解得更为细致，结构更为完整。
5.5 实验比较
人教版新旧教材的实验设计相同，相比较而言，新教材更加准确简洁。实验一、二控制磁场的存在，观察带电粒子的运动情况。实验三、四采用控制变量法，演示不同条件下不同因素对粒子运动半径的影响。但由于实验四改变了速度的大小和方向，出现了粒子不是垂直射入磁场的情况，电子的运动轨迹会出现螺旋状。在教学中，教师需要引导学生思考这种现象存在的原因。
司南版同样采用了洛伦兹力演示器，实验以问题引导为主，实验主要对比无磁场、速度垂直于磁场、速度不垂直于磁场三种情况下电子的运动轨迹。与民教版相比，缺少不同因素对粒子运动半径影响的实验，但明确指出学生观察速度不垂直于磁场时电子的运动轨迹，重点将放在观察电子在磁场中的运动状态上。
参考
杨雪, 董爱军. 人教版高中物理教材新旧版对比分析——以《均匀磁场中带电粒子的运动》为例[J]. 湖南中学物理, 2023, 38(05): 22-25.
图片
人民教育出版社（2019） 人民教育出版社（2004） 陆克出版社
结尾