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1、2022年高中物理 3-6 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教案 新人教版選修3-1
★新課標(biāo)要求
(一)知識(shí)與技能
1、理解洛倫茲力對(duì)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(shí),粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
3、會(huì)推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑、周期公式,知道它們與哪些因素有關(guān)。
4、了解回旋加速器的工作原理。
(二)過(guò)程與方法
通過(guò)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力分析,靈活解決有關(guān)磁場(chǎng)的問(wèn)題。
(三)情感、態(tài)度與價(jià)值觀
通過(guò)本節(jié)知識(shí)的學(xué)習(xí),充分了解科技的巨大威力,體會(huì)科技的創(chuàng)新與應(yīng)用歷程。
★教學(xué)重點(diǎn)
帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力分析及運(yùn)
2、動(dòng)徑跡
★教學(xué)難點(diǎn)
帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力分析及運(yùn)動(dòng)徑跡
★教學(xué)方法
實(shí)驗(yàn)觀察法、講述法、分析推理法
★教學(xué)用具:
洛倫茲力演示儀、電源、投影儀、投影片、多媒體輔助教學(xué)設(shè)備
★教學(xué)過(guò)程
(一)引入新課
教師:(復(fù)習(xí)提問(wèn))什么是洛倫茲力?
學(xué)生答:磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力
教師:帶電粒子在磁場(chǎng)中是否一定受洛倫茲力?
學(xué)生答:不一定,洛倫茲力的計(jì)算公式為f=qvBsinθ,θ為電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角,當(dāng)θ=90°時(shí),f=qvB;當(dāng)θ=0°時(shí),f=0。
教師: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?今天我們來(lái)學(xué)習(xí)——帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。
(二
3、)進(jìn)行新課
1、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
教師:介紹洛倫茲力演示儀。如圖所示。
教師:引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測(cè)電子束的運(yùn)動(dòng)情況。
(1)不加磁場(chǎng)時(shí),電子束的徑跡;
(2)加垂直紙面向外的磁場(chǎng)時(shí),電子束的徑跡;
(3)保持出射電子的速度不變,增大或減小磁感應(yīng)強(qiáng)度,電子束的徑跡;
(4)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變,增大或減小出射電子的速度,電子束的徑跡。
教師演示,學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證自己的預(yù)測(cè)是否正確。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:在暗室中可以清楚地看到,在沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí),電子的徑跡是直線;在管外加上勻強(qiáng)磁場(chǎng)(這個(gè)磁場(chǎng)是由兩個(gè)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。磁場(chǎng)越強(qiáng),徑跡的半徑越小;電子的出
4、射速度越大,徑跡的半徑越大。
教師指出:當(dāng)帶電粒子的初速度方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),電子受到垂直于速度方向的洛倫茲力的作用,洛倫茲力只能改變速度的方向,不能改變速度的大小。因此,洛倫茲力對(duì)粒子不做功,不能改變粒子的能量。洛倫茲力對(duì)帶電粒子的作用正好起到了向心力的作用。所以,當(dāng)帶電粒子的初速度方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
思考與討論:
帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其軌道半徑r和周期T為多大呢?
出示投影片,引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo):
一帶電量為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(chǎng)中,其半徑r和周期T為多大?如圖所示。
學(xué)生推導(dǎo):粒子
5、做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力F=m是由粒子所受的洛倫茲力提供的,所以
qvB=m
由此得出
r= ①
周期T=
代入①式得
T= ②
師生互動(dòng)、總結(jié):由①式可知,粒子速度越大,軌跡半徑越大;磁場(chǎng)越強(qiáng),軌跡半徑越小,這與演示實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果是一致的。
由②式可知,粒子運(yùn)動(dòng)的周期與粒子的速度大小無(wú)關(guān)。磁場(chǎng)越強(qiáng),周期越短。
點(diǎn)評(píng):演示實(shí)驗(yàn)與理論推導(dǎo)相結(jié)合,使學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí),實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)上的升華。
教師:介紹帶電粒子在汽泡室運(yùn)動(dòng)的徑跡照片,讓學(xué)生了解物理學(xué)中研究帶電粒子運(yùn)動(dòng)的方法。
投影片出示例題:
6、
教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論,讓學(xué)生了解有關(guān)質(zhì)譜儀的知識(shí)。讓學(xué)生了解質(zhì)譜儀在科學(xué)研究中的作用。
2、回旋加速器
教師:在現(xiàn)代物理學(xué)中,人們?yōu)樘剿髟雍藘?nèi)部的構(gòu)造,需要用能量很高的帶電粒子去轟擊原子核,如何才能使帶電粒子獲得巨大能量呢?如果用高壓電源形成的電場(chǎng)對(duì)電荷加速,由于受到電源電壓的限制,粒子獲得的能量并不太高。美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯于1932年發(fā)明了回旋加速器,巧妙地利用較低的高頻電源對(duì)粒子多次加速使之獲得巨大能量,為此在1939年勞倫斯獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。那么回旋加速器的工作原理是什么呢?
引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容,了解各種加速器的發(fā)展歷程,體會(huì)回旋加速器的優(yōu)越性。
課件演示,回
7、旋加速器的工作原理,根據(jù)情況先由學(xué)生講解后老師再總結(jié)。
在講解回旋加速器工作原理時(shí)應(yīng)使學(xué)生明白下面兩個(gè)問(wèn)題:
(1)在狹縫A′A′與AA之間,有方向不斷做周期變化的電場(chǎng),其作用是當(dāng)粒子經(jīng)過(guò)狹縫時(shí),電源恰好提供正向電壓,使粒子在電場(chǎng)中加速。狹縫的兩側(cè)是勻強(qiáng)磁場(chǎng),其作用是當(dāng)被加速后的粒子射入磁場(chǎng)后,做圓運(yùn)動(dòng),經(jīng)半個(gè)圓周又回到狹縫處,使之射入電場(chǎng)再次加速。
(2)粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與速率成正比,隨著每次加速,半徑不斷增大,而粒子運(yùn)動(dòng)的周期與半徑、速率無(wú)關(guān),所以每隔相相同的時(shí)間(半個(gè)周期)回到狹縫處,只要電源以相同的周期變化其方向,就可使粒子每到狹縫處剛好得到正向電壓而加速。
(三)
8、課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng)
教師活動(dòng):讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié),其他同學(xué)在筆記本上總結(jié),然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。
學(xué)生活動(dòng):認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容,并把自己這節(jié)課的體會(huì)寫(xiě)下來(lái)、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié),看誰(shuí)的更好,好在什么地方。
點(diǎn)評(píng):總結(jié)課堂內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)能力。
教師要放開(kāi),讓學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容,允許內(nèi)容的順序不同,從而構(gòu)建他們自己的知識(shí)框架。
(四)實(shí)例探究
☆帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)
O
B
S
v
θ
P
【例1】一個(gè)負(fù)離子,質(zhì)量為m,電量大小為q,以速率v垂直于屏S經(jīng)過(guò)小孔O射入存在著勻強(qiáng)磁場(chǎng)的真空室中,如圖所示。磁
9、感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與離子的運(yùn)動(dòng)方向垂直,并垂直于圖中紙面向里。
(1)求離子進(jìn)入磁場(chǎng)后到達(dá)屏S上時(shí)的位置與O點(diǎn)的距離。
(2)如果離子進(jìn)入磁場(chǎng)后經(jīng)過(guò)時(shí)間t到達(dá)位置P,證明:直線OP與離子入射方向之間的夾角θ跟t的關(guān)系是。
解析:(1)離子的初速度與勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向垂直,在洛侖茲力作用下,做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。設(shè)圓半徑為r,則據(jù)牛頓第二定律可得:
,解得
如圖所示,離了回到屏S上的位置A與O點(diǎn)的距離為:AO=2r
所以
(2)當(dāng)離子到位置P時(shí),圓心角:
因?yàn)?,所以?
【例2】如圖所示,半徑為r的圓形空間內(nèi),存在著垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一個(gè)帶電粒子(不計(jì)重力),
10、從A點(diǎn)以速度v0垂直磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)中,并從B點(diǎn)射出,∠AOB=120°,則該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為_(kāi)______
A.2πr/3v0 B.2πr/3v0
C.πr/3v0 D.πr/3v0
v
AB
解析:首先通過(guò)已知條件找到所對(duì)應(yīng)的圓心O′,由圖可知θ=60°,得t=,但題中已知條件不夠,沒(méi)有此選項(xiàng),必須另想辦法找規(guī)律表示t,由圓周運(yùn)動(dòng)和t= =。其中R為AB弧所對(duì)應(yīng)的軌道半徑,由圖中ΔOO′A可得R=r,所以t=r×π/3r0,D選項(xiàng)正確。
答案:D
【例3】電子自靜止開(kāi)始經(jīng)M、N板間(兩板間的電壓為u)的電場(chǎng)加速后從A點(diǎn)垂直于磁場(chǎng)
11、邊界射入寬度為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,電子離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)的位置P偏離入射方向的距離為L(zhǎng),如圖所示。求勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。(已知電子的質(zhì)量為m,電量為e)
解析:電子在M、N間加速后獲得的速度為v,由動(dòng)能定理得:
mv2-0=eu
電子進(jìn)入磁場(chǎng)后做勻速圓周運(yùn)動(dòng),設(shè)其半徑為r,則:
evB=m
電子在磁場(chǎng)中的軌跡如圖,由幾何得:
=
由以上三式得:B=
★課余作業(yè)
完成P108“問(wèn)題與練習(xí)”第1、2、5題。書(shū)面完成第3、4題。
★教學(xué)體會(huì)
思維方法是解決問(wèn)題的靈魂,是物理教學(xué)的根本;親自實(shí)踐參與知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵,離開(kāi)了思維方法和實(shí)踐活動(dòng),物理教學(xué)就成了無(wú)源之水、無(wú)本之木。學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花,水中月。