風(fēng)陵渡中學(xué)物理——《帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì)

帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)與技能：1知道什么是組合場(chǎng)，以及組合場(chǎng)的特點(diǎn)。2掌握帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)分析的基本方法和思路。過程與方法：通過綜合運(yùn)用力學(xué)知識(shí)、電磁學(xué)知識(shí)解決帶電粒子在組合場(chǎng)(電場(chǎng)、磁場(chǎng))中的問題.，培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力，應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)處理物理問題能力。情感態(tài)度與價(jià)值觀： 培養(yǎng)物理學(xué)科嚴(yán)密的邏輯思維，明辨物理過程的本質(zhì)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生建立崇尚科學(xué)的價(jià)值觀。 教學(xué)重點(diǎn)：粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)分析的基本方法和思路。教學(xué)難點(diǎn)：粒子運(yùn)動(dòng)問題的求解。教學(xué)方法：教師講授法、問答法 教學(xué)過程：引入:1復(fù)習(xí)提問：什么是洛倫茲力？帶電粒子垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)呢？ 學(xué)生：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用；勻速圓周運(yùn)動(dòng)。2過渡引入：物體在重力作用下的運(yùn)動(dòng)與帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，都是恒力作用下的運(yùn)動(dòng)，因此它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有諸多相似之處，常用類比法處理，而帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所受洛倫茲力是一變力，在有磁場(chǎng)的組合場(chǎng)復(fù)合場(chǎng)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)變得更為復(fù)雜。帶電粒子在磁場(chǎng)、組合場(chǎng)、復(fù)合場(chǎng)、有界場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是高中物理的重要內(nèi)容，這類問題對(duì)考查同學(xué)們空間想象能力，綜合分析能力，應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)處理物理問題的能力都有較高的要求，是高考的熱點(diǎn)。本節(jié)課我們復(fù)習(xí)帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。 基礎(chǔ)知識(shí)回顧：（學(xué)生自主完成） 一、帶電粒子在組合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況分析 1帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)粒子初速度與電場(chǎng)強(qiáng)度方向在同一直線上時(shí)，粒子做_運(yùn)動(dòng)；二者方向成一定夾角時(shí)，粒子做_運(yùn)動(dòng)，一般采用_ _處理該問題 2帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)粒子速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直時(shí)，帶電粒子做_運(yùn)動(dòng)，它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與粒子的速率_，由做圓周運(yùn)動(dòng)的_決定二、帶電粒子在組合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的典型應(yīng)用 1電視顯像管 電視顯像管是應(yīng)用電子束_(選填“電偏轉(zhuǎn)”或“磁偏轉(zhuǎn)”)的原理來工作的，使電子束偏轉(zhuǎn)的_ (選填“電場(chǎng)”或“磁場(chǎng)”)是由兩對(duì)偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的顯像管工作時(shí)，由_發(fā)射電子束，利用磁場(chǎng)來使電子束偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電視技術(shù)中的_，使整個(gè)熒光屏都在發(fā)光 2質(zhì)譜儀 (1)構(gòu)造：如圖所示，由粒子源、_、_和照相底片等構(gòu)成(2)原理：粒子由靜止被加速電場(chǎng)加速，根據(jù)動(dòng)能定理可得關(guān)系式_。粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用而偏轉(zhuǎn)，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律得關(guān)系式_.由兩式可得出需要研究的物理量，如粒子軌道半徑、粒子質(zhì)量、比荷_.3回旋加速器(1)構(gòu)造：如圖所示，D1、D2是半圓金屬盒，D形盒的縫隙處接_電源D形盒處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中(2)原理：交流電的周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期_，粒子在圓周運(yùn)動(dòng)的過程中一次一次地經(jīng)過D形盒縫隙，兩盒間的電勢(shì)差一次一次地反向，粒子就會(huì)被一次一次地加速由qvBm，得Ekm_，可見粒子獲得的最大動(dòng)能由_和D形盒_決定，與加速電壓無關(guān). 三、帶電粒子在組合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況分析規(guī)律方法(采用提問方式處理) 1處理帶電粒子在電場(chǎng)與磁場(chǎng)的組合場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)類問題，要明確電場(chǎng)力與洛倫磁力的不同： (1)在電場(chǎng)中的帶電粒子不論其運(yùn)動(dòng)與否，均受到電場(chǎng)力的作用，而磁場(chǎng)僅僅對(duì)運(yùn)動(dòng)著的并且速度跟磁場(chǎng)方向不平行的帶電粒子有洛倫茲力作用； (2)電場(chǎng)力的大小與速度無關(guān)，而洛倫茲力的大小與帶電粒子的速度有關(guān)；(3)電場(chǎng)力的方向與電場(chǎng)的方向或相同、或相反，而洛倫茲力的方向既垂直于磁場(chǎng)，又垂直于速度； (4)電場(chǎng)力既可以改變帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度的方向，也可以改變帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度的大小，而洛倫茲力只能改變速度的方向，不能改變速度的大小； (5)電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子做功且與路徑無關(guān)，可以改變粒子的動(dòng)能，而洛倫茲力不對(duì)帶電粒子做功，不能改變粒子的動(dòng)能2對(duì)于粒子連續(xù)通過各個(gè)不同情況的場(chǎng)的問題，要按不同的場(chǎng)分階段進(jìn)行處理，對(duì)應(yīng)不同階段采用不同的規(guī)律解題，例如在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行處理，在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的勻變速曲線運(yùn)動(dòng)應(yīng)用正交分解的方法進(jìn)行處理 3在解題時(shí)應(yīng)根據(jù)場(chǎng)的不同和進(jìn)入場(chǎng)的速度分階段進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)分析，畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，尤其要注意兩個(gè)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的銜接點(diǎn)的位置及速度的大小和方向，它有承上啟下的作用解題思路與方法：（1）分析帶電粒子在各場(chǎng)中的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況，一般在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。(2)正確地畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，在畫圖的基礎(chǔ)上注意運(yùn)用幾何知識(shí)尋找關(guān)系。(3) 選擇物理規(guī)律，列方程對(duì)類平拋運(yùn)動(dòng)，一般分解為沿初速度方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和垂直初速度方向的勻加速直線運(yùn)動(dòng)；對(duì)粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，應(yīng)注意洛倫茲力提供向心力這一特點(diǎn)。(4)注意確定粒子在組合場(chǎng)交界位置處的速度大小與方向，該速度是聯(lián)系兩種運(yùn)動(dòng)的橋梁。例題解析例1：（2008寧夏（17分）如圖所示，在xOy平面的第一象限有一勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)的方向平行于y軸向下；在x軸和第四象限的射線OC之間有一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B，方向垂直于紙面向外。有一質(zhì)量為m帶有電荷量+q的質(zhì)點(diǎn)由電場(chǎng)左側(cè)平行于x軸射入電場(chǎng)。質(zhì)點(diǎn)到達(dá)x軸上A點(diǎn)時(shí)，速度方向與x軸的夾角為，A點(diǎn)與原點(diǎn)O的距離為D接著，質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)，并垂直于OC飛離磁場(chǎng)。不計(jì)重力影響。若OC與x軸的夾角為，求：   粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)速度的大?。?勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小 引導(dǎo)：（采用問答式）1. 帶電粒子在電場(chǎng)中可能做什么運(yùn)動(dòng)？學(xué)生回答：當(dāng)粒子進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度方向與電場(chǎng)線平行時(shí)，粒子做勻變速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)粒子進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度方向與電場(chǎng)線垂直時(shí)，粒子將做類平拋運(yùn)動(dòng)。2. 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中可能做什么運(yùn)動(dòng)？學(xué)生回答：當(dāng)粒子進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)的速度方向與磁感線平行時(shí)，粒子將做勻速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)粒子進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)的速度方向與磁感線垂直時(shí)，粒子將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。3. 學(xué)生自己分析該題分為哪幾個(gè)過程？試著畫運(yùn)動(dòng)軌跡。并找學(xué)生在黑板上演示。4. 教師點(diǎn)評(píng)總結(jié)：點(diǎn)評(píng) 解答帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問題的關(guān)鍵是分析清楚帶電粒子在各場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，并且注意帶電粒子在兩場(chǎng)邊界的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，尤其是空間位置的即時(shí)速度的大小、方向，這是聯(lián)系粒子在兩個(gè)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)的橋梁。學(xué)生練習(xí)：如圖，bd將矩形abcd分成l和兩個(gè)區(qū)域，I區(qū)域內(nèi)存在平行于ad向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)，區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。一質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的粒子以速度v0從a點(diǎn)沿ab方向進(jìn)入電場(chǎng)，經(jīng)對(duì)角線bd的中點(diǎn)P進(jìn)入磁場(chǎng)。已知ad=L，ab= L，忽略粒子的重力，求： (1)帶電粒子到達(dá)P點(diǎn)時(shí)速度的大小vp。(2)若帶電粒子從P點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)后，不能從dc邊射出，求磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小。例2（2011全國(guó)卷1）.（19分） 如圖，與水平面成45°角的平面MN將空間分成I和II兩個(gè)區(qū)域。一質(zhì)量為m、電荷量為q（q0）的粒子以速度從平面MN上的點(diǎn)水平右射入I區(qū)。粒子在I區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只受到大小不變、方向豎直向下的電場(chǎng)作用，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E；在II區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，只受到勻強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于紙面向里。求粒子首次從II區(qū)離開時(shí)到出發(fā)點(diǎn)的距離。粒子的重力可以忽略。教師板書詳細(xì)解題過程：(強(qiáng)調(diào)解題規(guī)范性)解析 帶電粒子進(jìn)入電場(chǎng)后，在電場(chǎng)力的作用下沿拋物線運(yùn)動(dòng)，其加速度方向豎直向下，設(shè)其大小為a，由牛頓定律得qEma設(shè)經(jīng)過時(shí)間t0，粒子從平面MN上的點(diǎn)P1進(jìn)入磁場(chǎng)，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和幾何關(guān)系得v0t0at粒子速度大小v1為v1設(shè)速度方向與豎直方向的夾角為，則tan此時(shí)粒子到出發(fā)點(diǎn)P0的距離為s0v0t0此后，粒子進(jìn)入磁場(chǎng)，在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，圓的半徑為r1設(shè)粒子首次離開磁場(chǎng)的點(diǎn)為P2，弧所對(duì)的圓心角為2，則P1到點(diǎn)P2的距離為s12r1sin由幾何關(guān)系得45°聯(lián)立解得s1點(diǎn)P2與點(diǎn)P0相距l(xiāng)s0s1聯(lián)立解得l練習(xí)：如圖，直線MN 上方有平行于紙面且與MN成45°的有界勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度大小未知；MN下方為方向垂直于紙面向里的有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。今從MN上的O點(diǎn)向磁場(chǎng)中射入一個(gè)速度大小為v、方向與MN成45°角的帶正電粒子，該粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌道半徑為R。若該粒子從O點(diǎn)出發(fā)記為第一次經(jīng)過直線MN，而第五次經(jīng)過直線MN時(shí)恰好又通過O點(diǎn)。不計(jì)粒子的重力。求： (1)電場(chǎng)強(qiáng)度E的大小(2)該粒子第五次從O點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)后，運(yùn)動(dòng)軌道的半徑。(3)該粒子從O點(diǎn)出發(fā)到再次回到O點(diǎn)所需的時(shí)間。課堂小結(jié)： 對(duì)于帶電粒子在分區(qū)域的電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，最簡(jiǎn)單的處理辦法就是進(jìn)行分段處理，關(guān)鍵是要注意在兩種區(qū)域的交界處的邊界問題的處理與運(yùn)動(dòng)的鏈接問題。教學(xué)反思： 本節(jié)課我們學(xué)習(xí)的是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的組合場(chǎng)問題。帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，高中階段一般只考查兩種情況：在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，做勻變速直線運(yùn)動(dòng)或勻變速曲線運(yùn)動(dòng)(類平拋運(yùn)動(dòng))；在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)或勻速圓周運(yùn)動(dòng)。所以可根據(jù)帶電粒子進(jìn)入某一場(chǎng)的初速度方向和受場(chǎng)力方向夾角，作出大膽合理的猜想，并經(jīng)過分析得出切合實(shí)際的結(jié)論。作業(yè)：1.體會(huì)帶電粒子在組合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)分析的基本方法和思路。2.完成練習(xí)題完成對(duì)應(yīng)的課時(shí)作業(yè)。