人教版選修(3-1)《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動》教案

最新人教版選修（ 3 1）帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動教案第六節(jié)、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動一、 教學(xué)目標(biāo)（一）知識與技能1、理解洛倫茲力對粒子不做功。2、理解帶電粒子的初速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直時, 粒子在勻磁場中做勻速圓周運(yùn)動。3、會推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的半徑、周期公式, 并會用它們解答有關(guān)問題。 知道質(zhì)譜儀的工作原理。4、知道回旋加速器的基本構(gòu)造、工作原理、 及用途 。（二）過程與方法通過綜合運(yùn)用力學(xué)知識、電磁學(xué)知識解決帶電粒子在復(fù)合場（電場、磁場）中的問題。培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力。（三）情感態(tài)度與價值觀通過對本節(jié)的學(xué)習(xí) , 充分了解科技的巨大威力 , 體會科技的創(chuàng)新歷程。二、重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的半徑和周期公式, 并能用來分析有關(guān)問題。難點(diǎn)：1 、粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動。2、綜合運(yùn)用力學(xué)知識、電磁學(xué)知識解決帶電粒子在復(fù)合場中的問題。三、教具 ： 洛倫茲力演示儀 、電源、多媒體等四、教學(xué)過程:（一）復(fù)習(xí)引入問題1什么是洛倫茲力？如何判斷洛倫茲力的方向？磁場對運(yùn)動電荷的作用力，左手定則問題2帶電粒子垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場時會做什么運(yùn)動呢？今天我們來學(xué)習(xí)一一 帶電粒子在 勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動。（二）新課講解：1、【演示】先介紹 洛倫茲力演示儀 的工作原理，由電子槍發(fā)出的電子射線可以使管內(nèi) 的低壓水銀蒸氣發(fā)出輝光，顯示出電子的徑跡。后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在暗室中可以清楚地看到 ，在沒有磁場作用時，電子的徑跡是直線；在管 外加上勻強(qiáng)磁場（這個磁場是由兩個平行的通電環(huán)形線圈產(chǎn)生的），電子的徑跡變彎曲成圓形。教師引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論當(dāng)帶電粒子的初速度方向與磁場方向垂直時，粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動。帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中的受力及運(yùn)動情況分析（動態(tài)課件）。一是要明確所研究的物理現(xiàn)象的條件-在勻強(qiáng)磁場中垂直于磁場方向運(yùn)動的帶電粒子。二是分析帶電粒子的受力情況 ，用左手定則明確帶電粒子初速度與所受到的洛倫茲力在 同一平面內(nèi)，所以只可能做平面運(yùn)動。三是 洛倫茲力不對運(yùn)動的帶電粒子做功，它的速率不變，同時洛倫茲力的大小也不變。四是根據(jù)牛頓第二定律，洛倫茲力使運(yùn)動的帶電粒子產(chǎn)生加速度（向心加速度）出示投影M K X電子受到怎樣的力的作用？這個力和電子的速度的關(guān)系是怎樣的？（電子受到垂直于速度方向的洛倫茲力的作用。）洛倫茲力對電子的運(yùn)動有什么作用？（洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大?。?。有沒有其他力作用使電子離開磁場方向垂直的平面？（沒有力作用使電子離開磁場 方向垂直的平面）。洛倫茲力做功嗎？（洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功）1.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動（1）、運(yùn)動軌跡：沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，粒子在垂直磁場方向的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，此洛倫茲力不做功?！咀⒁狻繋щ娏Ｗ幼鰣A周運(yùn)動的向心力由洛倫茲力提供。通過“思考與討論” （105頁），使學(xué)生理解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動 的軌道半徑r和周期T與粒子所帶電量、質(zhì)量、粒子的速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么關(guān)系。一為帶電量q,質(zhì)量為m,速度為v的帶電粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中其半徑r和周期T為多大？問題1什么力給帶電粒子做圓周運(yùn)動提供向心力？洛倫茲力給帶電粒子做圓周運(yùn)動提供向心力問題2向心力的計算公式是什么？ F=nv2/r教師推導(dǎo) 粒子做勻速圓周運(yùn)動所需的向心力F=m2/r是由粒子所受的洛倫茲力提供的所以 qvB=mv2/r由此得出r= mv/qBI II = , IT=同彳T T= 2 兀 m/ qB（2）、軌道半徑和周期帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的軌道半徑及周期公式。1、軌道半徑 r =mv/qB 2、周期 T =2兀m/ qB【說明】：(1)軌道半徑和粒子的運(yùn)動速率成正比。(2)帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的周期跟軌道半徑和運(yùn)動速率無 關(guān)。再用洛倫茲力演示儀演示出示投影課本例題如圖所示，一質(zhì)量為m電荷量為q的粒子從容器 A下方小孔S 飄入電勢差為 U的加速電場，然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，最后打到底片D上。(1)粒子進(jìn)入磁場時的速率。(2)求粒子在磁場中運(yùn)動的軌道半徑。解：(1)粒子在 S區(qū)做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動。由動能定理知，粒子在電場中得到的動能等于電場對它所做的功，1 口 fnv = qu即.v2(2)粒子做勻速圓周運(yùn)動所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供，即 所以粒子的軌道半徑為r=nv/qB=5"/ qB2J教師講解和進(jìn)入磁場的速度無關(guān),進(jìn)入同一磁場時, 可年，而且這些個量中，u、B、 r可以直接測量，那么，我們可以用裝置來測量比荷或算出質(zhì)量。例題在處理上，可以讓學(xué)生自己處理，教師引導(dǎo)總結(jié)。為了加深對帶電粒子在磁場中的 運(yùn)動規(guī)律的理解，可以補(bǔ)充例題和適量的練習(xí)。注意：在解決這類問題時 ，如何確定圓心、畫出粒子的運(yùn)動軌跡、半徑及圓心角，找出幾何關(guān)系是解題的關(guān)鍵。例題給我們展示的是一種十分精密的儀器-質(zhì)譜儀(3)、質(zhì)譜儀閱讀課文及例題，回答以下問題：1、試述質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)。2、試述質(zhì)譜儀的工作原理。3、什么是同位素？4、質(zhì)譜儀最初是由誰設(shè)計的？5、試述質(zhì)譜儀的主要用途。閱讀后學(xué)生回答：1。質(zhì)譜儀由靜電加速極、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場、顯示屏等組成。2。電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子，它們進(jìn)入磁場后將沿著不同的半徑做圓周運(yùn)動，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干譜線狀的細(xì)條，叫質(zhì)譜線，每一條對應(yīng)于一定的質(zhì)量，從譜線的位置可以知道圓周的半徑r,如果再已知帶電粒子的電荷量q,就可算出它的質(zhì)量。3、質(zhì)子數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子互稱為同位素。4、質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計。5、質(zhì)譜儀是一種十分精密的儀器, 是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。1 課時）2回旋加速器（ 1 ）直線加速器加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電的粒子動能增加，即qU = A Ek直線加速器的多級加速： 教材圖 3 6 5 所示的是多級加速裝置的原理圖 , 由動能 定理可知，帶電粒子經(jīng) N級的電場加速后增加的動能,AEk=q （U1+U2+U3+U4+ U n）直線加速器占有的空間范圍大, 在有限的空間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。（ 2 ）回旋加速器由美國物理學(xué)家勞倫斯于1932 年發(fā)明。其結(jié)構(gòu) 教材圖 3 6 6 所示。核心部件為兩個D 形盒（加勻強(qiáng)磁場）和其間的夾縫（加交變電場）加速原理： 通過“思考與討論”讓學(xué)生自己分析出帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動的周期公式T = 2兀m/q B,明確帶電粒子的周期在q、m B不變的情況下與速度和軌道半徑無關(guān),從而理解回旋加速器的原理。在學(xué)生思考之后，可作如下的解釋：如果其他因素 （q、m B）不變，則當(dāng)速率v加大 時，由r=mv/qB得知圓運(yùn)動半徑將與v成正比例地增大,因而圓運(yùn)動周長r2兀=2兀mv/qB也將與v成正比例地增大，因此運(yùn)動一周的時間（周期）仍將保持原值。最后提到了回旋加速器的效能（可將帶電粒子加速，使其動能達(dá)到25 MeV30 MeV）,為狹義相對論埋下了伏筆。老師再進(jìn)一步歸納各部件的作用：（如圖）磁場的作用： 交變電場 以某一速度垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場后 , 在洛倫茲力的作用下 做勻速圓周運(yùn)動, 其周期在 q、 m、 B 不變的情況下與速度和軌道半徑無關(guān), 帶電粒子每次進(jìn)入 D 形盒都運(yùn)動相等的時間（半個周期）后平行電場方向進(jìn)入電場加速。電場的作用：回旋加速器的的兩個 D形盒之間的夾縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個D形盒正對截面的勻強(qiáng)電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速。交變電壓的作用： 為保證交變電場每次經(jīng)過夾縫時都被加速，使之能量不斷提高，須在在夾縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動周期相同的交變電壓。帶電粒子經(jīng)加速后的最終能量：（運(yùn)動半徑最大為D形盒的半徑R）由 R=mv/qB有 v=qBR/m 所以最終能量為 Em=mv2/2 = q 2B2R2/2m討論：要提高帶電粒子的最終能量，應(yīng)采取什么措施？（可由上式分析）（三）對本節(jié)要點(diǎn)做簡要小結(jié)。（四）鞏固新課：1、復(fù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容2、完成“問題與練習(xí)”2、4練習(xí),3、作業(yè)紙。7 / 7