吉林省吉林市第一中学2020学年高二物理上学期 带电粒子在匀强磁场中的运动教案

吉林省吉林市第一中学2020学年高二物理上学期 带电粒子在匀强磁场中的运动教案

‎3—6 带电粒子在匀强磁场中的运动 ‎ ‎★新课标要求 ‎（一）知识与技能 ‎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，知道它们与哪些因素有关。‎ ‎4、了解回旋加速器的工作原理。‎ ‎（二）过程与方法 通过带电粒子在匀强磁场中的受力分析，灵活解决有关磁场的问题。‎ ‎（三）情感、态度与价值观 通过本节知识的学习，充分了解科技的巨大威力，体会科技的创新与应用历程。‎ ‎★教学重点 带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹 ‎★教学难点 带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹 ‎★教学方法 实验观察法、讲述法、分析推理法 ‎★教学用具：‎ 洛伦兹力演示仪、电源、投影仪、投影片、多媒体辅助教学设备 ‎★教学过程 ‎（一）引入新课 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：带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？‎ 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。‎ 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，电子束的径迹；‎ ‎（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，不能改变速度的大小。因此，洛伦兹力对粒子不做功，不能改变粒子的能量。洛伦兹力对带电粒子的作用正好起到了向心力的作用。所以，当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。‎ 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。‎ 学生推导：粒子做匀速圆周运动所需的向心力F=m 是由粒子所受的洛伦兹力提供的，所以 qvB=m 由此得出 r= ①‎ 周期T=‎ 代入①式得 T= ②‎ 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，粒子运动的周期与粒子的速度大小无关。磁场越强，周期越短。‎ 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，让学生了解物理学中研究带电粒子运动的方法。‎ 投影片出示例题：‎ 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，电源恰好提供正向电压，使粒子在电场中加速。狭缝的两侧是匀强磁场，其作用是当被加速后的粒子射入磁场后，做圆运动，经半个圆周又回到狭缝处，使之射入电场再次加速。‎ ‎（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】一个负离子，质量为m，电量大小为q，以速率v垂直于屏S经过小孔O射入存在着匀强磁场的真空室中，如图所示。磁感应强度B的方向与离子的运动方向垂直，并垂直于图中纸面向里。‎ O B S v θ P ‎（1）求离子进入磁场后到达屏S上时的位置与O点的距离。‎ ‎（2）如果离子进入磁场后经过时间t到达位置P，证明：直线OP与离子入射方向之间的夹角θ跟t的关系是。‎ 解析：（1）离子的初速度与匀强磁场的方向垂直，在洛仑兹力作用下，做匀速圆周运动。设圆半径为r，则据牛顿第二定律可得：‎ ‎ ，解得 如图所示，离了回到屏S上的位置A与O点的距离为：AO=2r ‎ 所以 ‎（2）当离子到位置P时，圆心角：‎ 因为，所以。‎ ‎【例2】如图所示，半径为r的圆形空间内，存在着垂直于纸面向里的匀强磁场，一个带电粒子（不计重力），从A点以速度v0‎ 垂直磁场方向射入磁场中，并从B点射出，∠AOB=120°，则该带电粒子在磁场中运动的时间为_______‎ A．2πr/3v0B．2πr/3v0‎ C．πr/3v0D．πr/3v0‎ v AB 解析：首先通过已知条件找到所对应的圆心O′，由图可知θ=60°，得t=，但题中已知条件不够，没有此选项，必须另想办法找规律表示t，由圆周运动和t= =。其中R为AB弧所对应的轨道半径，由图中ΔOO′A可得R=r，所以t=r×π/3r0，D选项正确。‎ 答案：D ‎【例3】电子自静止开始经M、N板间（两板间的电压为u）的电场加速后从A点垂直于磁场边界射入宽度为d的匀强磁场中，电子离开磁场时的位置P偏离入射方向的距离为L，如图所示。求匀强磁场的磁感应强度。（已知电子的质量为m，电量为e）‎ 解析：电子在M、N间加速后获得的速度为v，由动能定理得：‎ mv2-0=eu 电子进入磁场后做匀速圆周运动，设其半径为r，则：‎ evB=m 电子在磁场中的轨迹如图，由几何得：‎ ‎=‎ 由以上三式得：B=‎ ‎★课余作业 完成P108“问题与练习”第1、2、5题。书面完成第3、4题。‎ ‎★教学体会 思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。‎