3.6 帶電粒子在勻強磁場中的運動教案

上傳人:無*** 文檔編號:101390329 上傳時間:2022-06-05 格式:DOC 頁數(shù):8 大?。?41.88KB
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1、老常理科思維訓(xùn)練中心物理教學(xué)組 3.6 帶電粒子在勻強磁場中的運動 ★新課標要求 (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)強度的方向垂直時,粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動。 3、會推導(dǎo)帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑、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)過程與方法 通過帶電粒子在勻強磁場中的受力分析,靈活解決有關(guān)磁場的問題。 (三)情感、態(tài)度與價值觀 通過本節(jié)知識的學(xué)習(xí),充分了解科技的巨大威力,體會科技的創(chuàng)新與應(yīng)用歷程。 ★教學(xué)重點 帶電粒子在勻強磁場中的受力分析及運動

2、徑跡 ★教學(xué)難點 帶電粒子在勻強磁場中的受力分析及運動徑跡 ★教學(xué)方法 第8頁(共8頁) 實驗觀察法、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)過程 (一)引入新課 教師:(復(fù)習(xí)提問)什么是洛倫茲力? 學(xué)生答:磁場對運動電荷的作用力 教師:帶電粒子在磁場中是否一定受洛倫茲力? 學(xué)生答:不一定,洛倫茲力的計算公式為f=qvBsinθ,θ為電荷運動方向與磁場方向的夾角,當θ=90°時,f=qvB;當θ=0°時,f=0。 教師:帶電粒子垂直磁場方向進入勻強磁場時會做什么運動呢?今天我們來學(xué)習(xí)——帶電粒子在勻強磁場

3、中的運動。 (二)進行新課 1、帶電粒子在勻強磁場中的運動 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)測電子束的運動情況。 (1)不加磁場時,電子束的徑跡; (2)加垂直紙面向外的磁場時,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)強度,電子束的徑跡; (4)保持磁感應(yīng)強度不變,增大或減小出射電子的速度,電子束的徑跡。 教師演示,學(xué)生觀察實驗,驗證自己的預(yù)測是否正確。 實驗現(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。磁場越強,徑跡的

4、半徑越小;電子的出射速度越大,徑跡的半徑越大。 教師指出:當帶電粒子的初速度方向與磁場方向垂直時,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,洛倫茲力對粒子不做功,不能改變粒子的能量。洛倫茲力對帶電粒子的作用正好起到了向心力的作用。所以,當帶電粒子的初速度方向與磁場方向垂直時,粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動。 思考與討論: 帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動,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的帶電粒子垂直進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,其半徑r和周期T為多大?如圖所示。

5、 學(xué)生推導(dǎo):粒子做勻速圓周運動所需的向心力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、總結(jié):由①式可知,粒子速度越大,軌跡半徑越大;磁場越強,軌跡半徑越小,這與演示實驗觀察的結(jié)果是一致的。 由②式可知,粒子運動的周期與粒子的速度大小無關(guān)。磁場越強,周期越短。 點評:演示實驗與理論推導(dǎo)相結(jié)合,使學(xué)生從感性認識上升到理性認識,實現(xiàn)認識上的升華。 教師:介紹帶電粒子在汽泡室運動的徑跡照片,讓學(xué)生了解物理學(xué)中研究帶電粒子運動的方法。 投影片

6、出示例題: 教師引導(dǎo)學(xué)生對結(jié)果進行討論,讓學(xué)生了解有關(guān)質(zhì)譜儀的知識。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對電荷加速,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。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,體會回旋加速器的優(yōu)越性

7、。 課件演示,回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應(yīng)使學(xué)生明白下面兩個問題: (1)在狹縫A′A′與AA之間,有方向不斷做周期變化的電場,其作用是當粒子經(jīng)過狹縫時,電源恰好提供正向電壓,使粒子在電場中加速。狹縫的兩側(cè)是勻強磁場,其作用是當被加速后的粒子射入磁場后,做圓運動,經(jīng)半個圓周又回到狹縫處,使之射入電場再次加速。 (2)粒子在磁場中做圓周運動的半徑與速率成正比,隨著每次加速,半徑不斷增大,而粒子運動的周期與半徑、速率無關(guān),所以每隔相相同的時間(半個周期)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

8、而加速。 (三)課堂總結(jié)、點評 教師活動:讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請一個同學(xué)到黑板上總結(jié),其他同學(xué)在筆記本上總結(jié),然后請同學(xué)評價黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學(xué)生活動:認真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容,并把自己這節(jié)課的體會寫下來、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié),看誰的更好,好在什么地方。 點評: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,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)建他們自己的知識框架。 (四)實例探究 ☆帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動 O B S v θ P 【例1】一個負離子,質(zhì)量為m,電量大小為q,以速率v垂直于屏S經(jīng)過小孔O射入存在著勻強磁場的真空

9、室中,如圖所示。磁感應(yīng)強度B的方向與離子的運動方向垂直,并垂直于圖中紙面向里。 (1)求離子進入磁場后到達屏S上時的位置與O點的距離。 (2)如果離子進入磁場后經(jīng)過時間t到達位置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磁場的方向垂直,在洛侖茲力作用下,做勻速圓周運動。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點的距離為:AO=2r 所以 (2)當離子到位置P時,圓心角: 因為,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磁場,一個帶電

10、粒子(不計重力),從A點以速度v0垂直磁場方向射入磁場中,并從B點射出,∠AOB=120°,則該帶電粒子在磁場中運動的時間為_______ A.2πr/3v0 B.2πr/3v0 C.πr/3v0 D.πr/3v0 v AB 解析:首先通過已知條件找到所對應(yīng)的圓心O′,由圖可知θ=60°,得t=,但題中已知條件不夠,沒有此選項,必須另想辦法找規(guī)律表示t,由圓周運動和t= =。其中R為AB弧所對應(yīng)的軌道半徑,由圖中ΔOO′A可得R=r,所以t=r×π/3r0,D選項正確。 答案:D 【例3】電子自靜止開始經(jīng)M、N板間(兩板間的電壓為u)的電場加速

11、后從A點垂直于磁場邊界射入寬度為d的勻強磁場中,電子離開磁場時的位置P偏離入射方向的距離為L,如圖所示。求勻強磁場的磁感應(yīng)強度。(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,由動能定理得: mv2-0=eu 電子進入磁場后做勻速圓周運動,設(shè)其半徑為r,則: evB=m 電子在磁場中的軌跡如圖,由幾何得: = 由以上三式得:B= ★課余作業(yè) 完成P108“問題與練習(xí)”第1、2、5題。書面完成第3、4題。 ★教學(xué)體會 思維方法是解決問題的靈魂,是物理教學(xué)的根本;親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵,離開了思維方法和實踐活動,物理教學(xué)就成了無源之水、無本之木。學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花,水中月。

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