发布者：张兰锋 所属单位：鄢陵县第一高级中学 发布时间：2021-01-05 浏览数( -) 【举报】
3.6探究带电粒子在匀强磁场中的运动 【教案】
课题 | §3.6探究带电粒子在匀强磁场中的运动 | 课型 | 讲授课 | |
物理 学科 的核 心素 养 | 1、通过探究带电粒子在磁场中的运动，使学生形成经典物理的圆周运动观念，能用圆周运动的观念解释自然现象，解决实际问题，描述自然界的图景； 2、通过探究培养学生的分析综合、推理论证等科学思维方法，具有建构理想模型的意识和能力，能把陈抽象的粒子运动形象化； 3、通过实验探究培养学生科学探究的意识、能发现问题、提出合理的猜想，使用科技手段探究过程与结果； 4、通过探究培养学生学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是。 | |||
教学 目的 | 1、理解洛伦兹力对粒子不做功。 2、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。 3、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，知道 4、了解回旋加速器的工作原理 | |||
教学 重点 难点 | 重点：洛伦兹力的大小方向以及推导过程 难点：洛伦兹力与电场力的比较，理解洛伦兹力永不做功 | |||
教学 方法 手段 | 讲授法、归纳法、互动探究法、理论推导法 | |||
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| 一，导入新课 教师：（复习提问）什么是洛伦兹力？ 学生答：磁场对运动电荷的作用力 教师 学生答：不一定，洛伦兹力的计算公式为f=qvBsinθ，θ为电荷运动方向与磁场方向的夹角，当θ=90°时，f=qvB；当θ=0°时，f=0。[来源:Zxxk.Com] 教师：带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？今天我们来学习——带电粒子在匀强磁场中的运动。 （二）进行新课 1、带电粒子在匀强磁场中的运动 教师：介绍洛伦兹力演示仪。如图所示。
教师：引导学生预测电子束的运动情况。 （1）不加磁场时， （2）加垂直纸面向外的磁场时，电子束的径迹； （3）保持出射电子的速度不变，增大或减小磁感应强度，电子束的径迹； （4）保持磁感应强度不变，增大或减小出射电子的速度，电子束的径迹。 教师演示，学生观察实验，验证自己的预测是否正确。 实验现象：在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场（这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的），电子的径迹变弯曲成圆形。磁场越强，径迹的半径越小；电子的出射速度越大，径迹的半径越大。 教师指出：当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用，洛伦兹力只能改变速度的方向，不能改变速度 思考与讨论： 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，其轨道半径r和周期T为多大呢？ 出示投影片，引导学生推导： 一带电量为q，质量为m ，速度为v的带电粒子垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，其半径r和周期T为多大？如图所示。
学 T= 师生互动、总结：由①式可知，粒子速度越大，轨迹半径越大；磁场越强，轨迹半径越小，这与演示实验观察的结果是一致的。 由②式可知，粒子运动 点评：演示实验与理论推导相结合，使学生从感性认识上升到理性认识，实现认识上的升华。 教师：介绍带电粒子在汽泡室运动的径迹照片，让学生了解物理学 教师引导学生对结果进行讨论，让学生了解有关质谱仪的知识。让学生了解质谱仪在科学研究中的作用。 2、回旋加速器 教师：在现代物理学中，人们为探索原子核内部的构造，需要用能量很高的带电粒子去轰击原子核，如何才能使带电粒子获得巨大能量呢？如果用高压电源形成的电场对电荷加速，由于受到电源电压的限制，粒子获得的能量并不太高。美国物理学家劳伦斯于1932年发明了回旋加速器，巧妙地利用较低的高频电源对粒子多次加速使之获得巨大能量，为此在1939年劳伦斯获诺贝尔物理奖。那么回旋加速器的工作原理是什么呢？
引导学生阅读教材有关内容，了解各种加速器的发展历程，体会回旋加速器的优越性。 课件演示，回旋加速器的工作原理，根据情况先由学生讲解后老师再总结。 在讲解回旋加速器工作原理时应使学生明白下面两个问题： （1）在狭缝A′A′与AA之间，有方向不断做周期变化的电场，其作用是当粒子经过狭缝时，电源 （2）粒子在磁场中做圆周运动的半径与速率成正比，随着每次加速，半径不断增大，而粒子运动的周期与半径、速率无关，所以每隔相相同的时间（半个周期）回到狭缝处，只要电源以相同的周期变化其方向，就可使粒子每到狭缝处刚好得到正向电压而加速。 （三）课堂总结、点评 教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。 学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。 点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。 教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。 （四）实例探究 带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动 例1、如图所示，虚线圆所围区域内有方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B。一束电子沿圆形区域的直径方向以速度v射入磁场，电子束经过磁场区后，其运动方向与原入射方向成θ角。设电子质量为m，电荷量为e，不计电子之间相互作用力及所受的重力。求：
(1)电子在磁场中运动轨迹的半径R； (2)电子在磁场中运动的时间t； (3)圆形磁场区域的半径r。 【审题指导】 抓关键点：①电子沿半径方向射入，那么它一定会沿半径方向射出。 ②运动方向与原入射方向成θ角，其在磁场中运动的圆弧所对的圆心角也为θ。 找突破口：①要求轨迹半径→应根据洛伦兹力提供向心力。 ②要求运动时间→可根据t＝T，先求周期T。 ③要求圆形磁场区域的半径→可根据几何关系求解。 【答案】 (1) (2) (3) tan 【解析】 (1)由牛顿第二定律和洛伦兹力公式得evB＝，解得R＝。 (2)设电子做匀速圆周运动的周期为T，则T＝＝， 由如图所示的几何关系得圆心角α＝θ， 所以t＝T＝。 (3)由如图所示几何关系可知， tan ＝， 所以r＝ tan 。
质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要仪器，它的构造原理如图所示，从粒子源S处放出的速度大小不计、质量为m、电荷量为q的正离子，经电势差为U的加速电场加速后，垂直进入一个磁感应强度为B的匀强磁场后到达记录它的照相底片P上。试问：
(1)若测得离子束流的电流为I，则在离子从S1处进入磁场到达P的时间内，射到照相底片P上的离子的数目为多少？ (2)若测得离子到达P上的位置至入口处S1的距离为a，且已知q、U，B，则离子的质量m为多少？ (3)假如离子源能放出氕(H)、氘(H)、氚(H)三种离子，质谱仪能够将它们分开吗？ 【答案】 (1) (2) (3)能 【解析】 (1)离子经加速电场加速后，在匀强磁场中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律有qvB＝m① 根据T＝② 离子从S1处进入磁场到达P所用时间为t＝③ 又根据I＝④ 射到照相底片P上的离子的数目为n＝⑤ 联立①②③④⑤解得n＝。 (2)离子经加速电场加速，由动能定理得qU＝mv2⑥ 离子做圆周运动的半径r＝⑦ 联立①⑥⑦解得m＝。 (3)由q＝e⑧ 联立①⑥⑧解得r＝ 由此式可知，经同一加速电场加速后进入同一偏转磁场，离子在磁场中运动的半径与离子的质量和电荷量的比值有关，该质谱仪的离子源放出的氕(H)、氘(H)、氚(H)三种离子的质量和电荷量的比值为1∶2∶3，所以质谱仪能够将它们分开。 （五）总结 带电粒子在匀强磁场中的运动解题思路 (1)如何确定“圆心” ①由两点和两线确定圆心，画出带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹．确定带电粒子运动轨迹上的两个特殊点(一般是射入和射出磁场时的两点)，过这两点作带电粒子运动方向的垂线(这两垂线即为粒子在这两点所受洛伦兹力的方向)，则两 ②若只已知过其中一个点的粒子运动方向，则除过已知运动方向的该点作垂线外，还要将这两点相连 ③若只已知一个点及运动方向，也知另外某时刻的速度方向，但不确定该速度方向所在的点，如图(c)所示，此时要将其中一速度的延长线与另一速度的反向延长线相交成一角(∠PAM)，画出该角的角平分线，它与已知点的速度的垂线交于一点O，该点就是圆心．
(2)如何确定“半径” 方法一：由物理方程求：半径 方法二：由几何方程求：一般由数学知识(勾股定理、三角函数等)计算来确定． (3)如何确定“圆心角与时间” ①速度的偏向角φ＝圆弧所对应的圆心角(回旋角)θ＝2倍的弦切角α，如图(d)所示． ②时间的计算方法． 方法一：由圆心角求， 方法二：由弧长求，
| 教学反思 这节课的定位，让学生会判洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小，本节课围绕两个知识点设计，方向的判断，通过演示阴极射线管中电子流在磁场中的偏转，让学生感知洛伦兹力的方向；大小的计算，通过学生自主学习，然后小组合作，推导洛伦兹力的大小，最后让学生体验生活中带电粒子在磁场中的运动。
教学反思 实际教学过程，没能把电视的磁偏转线圈的作用介绍了，究其原因，前面教学分配不合理。在演示阴极射线管中电子流在磁场中的偏转时，学生很感兴趣，自己在这部分“讲的太多”，应该提几个有效问题，启发学生自己思考。在学生小组推导出洛伦兹力大小后，自己对板演的推导过程分析的也多。“浪费”了课堂的时间。在以后的教学过程中，要提前预设学生可能出现的问题，针对这些问题，要用合理的问题启发学生思考。在教学过程时刻扑捉学生们反馈信息，及时调整策略。 | ||
作业布置 | 1、书面完成P102“问题与练习”第3、4题；思考并回答第1、2题。 2、课下阅读课本103页，课题研究。 | |||
板书设计 | 1、带电粒子在匀强磁场中的运动
2、回旋加速器 3、带电粒子在匀强磁场中的运动解题思路 | |||
