帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)

1、課題：帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)一、學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、知識(shí)與技能：理解洛倫茲力對(duì)粒子不做功。理解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)。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)的半徑及周期公式。會(huì)運(yùn)用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析問題解決問題。知道質(zhì)譜儀工作原理。2、過程與方法：通過物理實(shí)驗(yàn)觀察、推理逐步掌握研究物理問題的科學(xué)方法。通過觀察實(shí)驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)一步熟悉控制變量法。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀從探究中獲得積極的情感體驗(yàn)和認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。了解并體會(huì)物理學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。二、教學(xué)重點(diǎn)：1、 帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。2、 半徑和周期公

2、式的應(yīng)用。三、教學(xué)難點(diǎn)：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的確定。四、教學(xué)器材：洛倫茲力演示儀自制帶電粒子模具課件五、教學(xué)過程設(shè)計(jì)：（一）、復(fù)習(xí)引入問：上節(jié)課我們學(xué)了磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用，那么什么叫洛倫茲力？其大小和方向如何確定?（要求學(xué)生回答）問：由左手定則可知，洛倫茲力總是與粒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直，那么帶電粒子還能做直線運(yùn)動(dòng)嗎？為什么？（要求學(xué)生回答）那么帶電粒子在磁場(chǎng)中做怎樣的運(yùn)動(dòng)？有怎樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？這就是我們這節(jié)課要深入研究的課題。板書：五帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)質(zhì)譜儀（二）新課教學(xué)我們知道，物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于兩個(gè)因素：一是物體的受力情況，二是物體具有的速度。因此，力和速度就是我們研究帶電粒子在磁

3、場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)和基本點(diǎn)。嚴(yán)格說，帶電粒子在磁場(chǎng)中還會(huì)受到重力作用，但在通常情況下，粒子受到的重力遠(yuǎn)小于洛倫茲力，所以若在問題中沒有特別說明和暗示，粒子的重力是可以忽略不計(jì)的。在本節(jié)課出現(xiàn)的帶電粒子重力均不計(jì)。因此，可認(rèn)為帶電粒子在磁場(chǎng)中只受到洛倫茲力的作用。現(xiàn)在我們探究這樣一個(gè)問題：帶電粒子射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，它的初速度方向跟磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向關(guān)系有幾種情況？猜想分別有怎樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？（學(xué)生討論后引入第一個(gè)要探究的問題）帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，只受洛倫茲力作用到底做什么運(yùn)動(dòng)呢？這就是我們這節(jié)課要解決的第一個(gè)問題。1、運(yùn)動(dòng)軌跡（課件展示問題一）板書：1、運(yùn)動(dòng)軌跡B（勻強(qiáng)） 條件只受洛倫茲力現(xiàn)在同

4、學(xué)們從洛倫茲力與速度的關(guān)系出發(fā)，運(yùn)用已學(xué)過的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，逐一地分析帶電粒子的軌跡在哪個(gè)方位？速度如何變化？受力如何變化？軌跡是什么形狀等問題，同桌可以互相討論，等會(huì)請(qǐng)同學(xué)們回答。（學(xué)生分析同時(shí)展示動(dòng)畫課件）軌跡平面與磁場(chǎng)垂直因?yàn)閹щ娏Ｗ拥某跛俣群退苈鍌惼澚Φ姆较蚨荚诟艌?chǎng)方向垂直的平面內(nèi)，沒有任何作用使粒子離開這個(gè)平面速度大小不變因?yàn)槁鍌惼澚偸歉Ｗ拥倪\(yùn)動(dòng)方向垂直，所以洛倫茲力的功率P等于0，所以洛倫茲力不對(duì)粒子做功，粒子的速度大小不變速度方向時(shí)刻改變因?yàn)槁鍌惼澚偸歉Ｗ拥倪\(yùn)動(dòng)方向垂直，所以速度方向改變受力大小不變因?yàn)樗俣却笮〔蛔?，根?jù)得洛倫茲力大小也不變受力方向時(shí)刻改變因?yàn)樗?/p>

5、度方向改變，所以洛倫茲力方向也改變軌跡形狀圓因?yàn)閹щ娏Ｗ邮艿揭粋€(gè)大小不變，方向總與粒子運(yùn)動(dòng)方向垂直的力，因此帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其向心力就是洛倫茲力通過大家的討論分析得出的結(jié)果是帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，這個(gè)結(jié)果是否正確呢？我們利用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。（介紹實(shí)驗(yàn)儀器并實(shí)驗(yàn)）現(xiàn)在大家觀察不加磁場(chǎng)和加了磁場(chǎng)兩種情況下電子射線的徑跡分別是什么形狀？（要求學(xué)生回答后總結(jié)）不加磁場(chǎng)時(shí)，電子射線的徑跡是直線，在加了垂直于速度方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，電子射線的徑跡是圓形的?？梢娢覀儎偛诺姆治?、推理是正確的。現(xiàn)在我們可以下結(jié)論了：帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在只受洛倫茲力作用的情況下，洛倫茲力始終不做功，

6、所以粒子在垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。板書：結(jié)論：W洛0勻速圓周運(yùn)動(dòng)這了檢查同學(xué)們對(duì)以上知識(shí)的掌握情況，下面我們做一個(gè)小游戲。（出示自制帶電粒子模具，并介紹游戲規(guī)則）畫在背景紙上的有向線條表示的是磁場(chǎng)方向，這個(gè)小球表示帶電粒子將沿箭頭所示方向進(jìn)入磁場(chǎng)，這個(gè)圈作為帶電粒子的徑跡，圈上箭頭方向表示粒子的旋轉(zhuǎn)方向，請(qǐng)同學(xué)們將這個(gè)圈放在空間適當(dāng)位置，用以表示帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)。（依次請(qǐng)兩位同學(xué)上講臺(tái)來放圈）既然帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，那么它的半徑多大？周期又是多大呢？這就是我們今天要探究的第二個(gè)問題。2、軌道半徑和周期（課件展示問題二）板書：2、軌道半徑和周期例1、一帶負(fù)電的

7、粒子的質(zhì)量為m，電荷量為q，以速度v垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，求它的軌道半徑r和運(yùn)動(dòng)周期T。（叫學(xué)生推導(dǎo)，或拿學(xué)生推導(dǎo)的過程用展示臺(tái)展示）板書：半徑周期實(shí)驗(yàn)：由可知，當(dāng)進(jìn)入磁場(chǎng)中的粒子確定后，半徑r與v成正比，與B成反比，這一結(jié)論還可用實(shí)驗(yàn)定性驗(yàn)證。下面我想請(qǐng)一位同學(xué)上臺(tái)來利用洛倫茲力演示儀來定性驗(yàn)證r與v和B的關(guān)系。（學(xué)生操作，教師講解）說明：由周期表達(dá)式可知，周期T與v、r無關(guān)，這是一個(gè)非常重要的規(guī)律，遺憾的是我們無法用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證它，但對(duì)這個(gè)規(guī)律必須有一個(gè)正確的理解。憑我們的經(jīng)驗(yàn)，跑步比賽中，跑得越快，繞操場(chǎng)一圈經(jīng)歷時(shí)間就越短，為什么帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與v、

8、r無關(guān)呢？這種情況與跑步比賽有何不同呢？有誰能談?wù)勛约旱挠^點(diǎn)為？（要求學(xué)生討論后講出自己的觀點(diǎn)）板書：T與v、r無關(guān)到現(xiàn)在為止，這們已經(jīng)知道，磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子可以施加影響，而前面我們學(xué)過的電場(chǎng)也可以對(duì)帶電粒子施加影響，當(dāng)然，電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同存在時(shí)對(duì)帶電粒子也會(huì)施加影響。這一知識(shí)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。例如電視機(jī)中的顯像管，電子顯微鏡，還有我們要學(xué)習(xí)的質(zhì)譜儀，回旋加速器等，都是利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制電荷的運(yùn)動(dòng)的。下面請(qǐng)同學(xué)們運(yùn)用已學(xué)過的電場(chǎng)和磁場(chǎng)知識(shí)解這樣一個(gè)問題。3、質(zhì)譜儀（課件展示應(yīng)用）S1S3AUS2B例題2：一質(zhì)量為m，電荷量為q的帶正電的粒子，從容器A下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U

9、的加速電場(chǎng)，然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖所示，求：大致畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑（學(xué)生解答后，把學(xué)生典型的錯(cuò)誤解法和正確解法用展示臺(tái)展示，并要求學(xué)生一起討論分析后用課件展示粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡）如果在D處放上照相膠片，則帶電粒子打到膠片上就會(huì)形成譜線狀的細(xì)條。如果在容器A中含有電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子，則它們經(jīng)過相同電場(chǎng)加速再進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑是否相同？為什么？（引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)得U、B、q相同，m越大r越大）可見電量相同質(zhì)量不同的粒子進(jìn)入磁場(chǎng)后將沿著不同半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，打到照相膠片的不同地方，

10、在膠片上會(huì)形成若干條譜線狀的細(xì)條，這些細(xì)條叫做質(zhì)譜線。每一條譜線對(duì)應(yīng)于一定的質(zhì)量，從譜線的位置可以知道圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r，而加速電場(chǎng)的電壓U和勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B均可測(cè)量，可見由可求出帶電粒子的比荷，如果再已知帶電粒子的電荷量q，就可以算出它的質(zhì)量，根據(jù)這個(gè)原理制成的儀器叫質(zhì)譜儀。質(zhì)譜儀的應(yīng)用主要是用來測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素。圖中的譜線上標(biāo)出的數(shù)字是鍺同位素的質(zhì)量數(shù)板書：3、質(zhì)譜儀課后思考：如果電量相同，質(zhì)量不同的粒子同時(shí)從孔S1飄入電場(chǎng)，最后打到膠片上，則這此粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相同嗎？（三）課堂小結(jié)1、知道洛倫茲力方向與帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向總是垂直的，因此洛倫茲力對(duì)帶電粒子始終不做功。2、理

11、解垂直磁場(chǎng)方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)的帶電粒子，在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。3、理解公式，的推導(dǎo)過程及物理意義，還要會(huì)應(yīng)用這兩條公式解決實(shí)際問題。4、理解質(zhì)譜儀的原理，知道質(zhì)譜儀在實(shí)際中的應(yīng)用。（四）作業(yè)書上的練習(xí)1、2做在作業(yè)本上，3、4、5做在書上。教學(xué)說明：1、本節(jié)課是高中物理的重點(diǎn)內(nèi)容,也是歷年高考常考的部分,在高科技及探索未知世界方面也有著極其廣泛的應(yīng)用。2、本課在教學(xué)方法上采用了以學(xué)生互相討論，共同探究這主，教師啟發(fā)為輔的方式，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與意識(shí)，使其真正成為教學(xué)過程的“主體”。如果學(xué)生認(rèn)為本課的內(nèi)容靠他自己討論、探究而掌握的，他有能力不依賴教師而自己去學(xué)習(xí)物理，我想本課的目的就算真正達(dá)到了。3、根據(jù)新的課程標(biāo)準(zhǔn)，物理教學(xué)的目標(biāo)除了知識(shí)與技能，還有過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀，所以我在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中力圖能體現(xiàn)這一點(diǎn)，如在運(yùn)動(dòng)軌道的確定上由學(xué)生自己討論分析得出勻速圓周運(yùn)動(dòng)，軌道半徑和周期公式的得出。還有在課件的封面放上物理學(xué)家洛倫茲的簡(jiǎn)單介紹