教科版高中物理選修3-1：《洛倫茲力的應用》教

1、教科版高中物理選修3-1 :洛倫 茲力的應用教案-新版3.5洛倫茲力的應用（3課時）【教學目的】1 .理解運動電荷垂直進入勻強磁場時， 電荷在洛侖茲力的作用 下做勻速圓周運動。2 .能通過實驗觀察粒子的圓周運動的條件以及圓周半徑受哪 些因素的影響。推導帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的半徑周期公 式，并會應用它們分析實驗結果，并用于解決實際問題。3 .能通過定圓心，求半徑，算圓心角的過程利用平幾知識解決 磁場中不完整圓周運動的問題。4 . 了解帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)規(guī)律在現(xiàn)代科學技術中的應用。 （如質(zhì)譜儀、回旋加速器等，了解我國在高能物理領域中的科技發(fā)展 狀況。5 .能應用所學知識解決電場、磁場和

2、重力場的簡單的綜合問 題，如速度選擇器、磁流體發(fā)電機、電磁流量計等。其中（1） （2）為第1課時，（3） （4）為第2課時，（5）為第3課時?！窘虒W重點】掌握運動電荷在磁場中圓周運動的半徑和周期的計算公式以及運用公式分 析各種實際問題?！窘虒W難點】理解粒子在勻強磁場中的圓周運動周期大小與速度大小無關?！窘虒W媒體】洛侖茲力演示儀/回旋加速器FLASH/質(zhì)譜儀圖片。【教學安排】【新課導入】上節(jié)課我們學習討論了磁場對運動電荷的作用力 一洛侖茲力，下面請同學 們確定黑板上畫的正負電荷所受洛侖茲力的大小和方向（已知勻強磁場B、正負電荷的q、m、v.）.通過作圖，我們再一次認識到，洛侖茲力總是與粒子的運動

3、方向垂直.所 以洛侖茲力對帶電粒子究竟會產(chǎn)生什么影響？這樣一來粒子還能做直線運動嗎？一一改變速度的方向，但不變速度大小，所以如果沒有其他力的作用，粒 子將做曲線運動。那么粒子做什么曲線運動呢？是不是向電場中一樣的平拋運動？一一不 是，平拋必須是包力作用下的運動，象勻強電場中的電場力或重力，但洛侖茲 力會隨速度的方向改變而改變，是變力。板書（課題）：帶電粒子在磁場中的運動.【新課內(nèi)容】1. 帶電粒子在磁場中的運動規(guī)律研究帶電粒子在磁場中的運動規(guī)律應從哪里著手呢？我們知道，物體的運 動規(guī)律取決于兩個因素：一是物體的受力情況；二是物體具有的速度，因此， 力與速度就是我們研究帶電粒子在磁場中運動的出發(fā)

4、點和基本點.黑板上畫的粒子，其速度及所受洛侖茲力均已知，除洛侖茲力外，還受其 它力作用嗎？嚴格說來，粒子在豎直平面內(nèi)還受重力作用，但通過上節(jié)課的計 算，我們知道，在通常情況下，粒子受到的重力遠遠小于洛侖茲力，所以，若 在研究的問題中沒有特別說明或暗示，粒子的重力是可以忽略不計的，因此， 可認為黑板上畫的粒子只受洛侖茲力作用.為了更好地研究問題，我們今天來研究一種最基本、最簡單的情況，即粒 子垂直射入勻強磁場，且只受洛侖茲力作用的運動規(guī)律.下面，我們從洛侖茲力與速度的關系出發(fā)，研究粒子的運動規(guī)律，洛侖茲 力與速度有什么關系呢？第一、洛侖茲力和速度都與磁場垂直，洛侖茲力和速度均在垂直于磁場的 平面

5、內(nèi)，沒有任何作用使粒子離開這個平面，因此，粒子只能在洛侖茲力與速 度組成的平面內(nèi)運動，即垂直于磁場的平面內(nèi)運動.第二、洛侖茲力始終與速度垂直，不可能使粒子做直線運動，那做什么運 動？一一勻速圓周運動，因為洛侖茲力始終與速度方向垂直，對粒子不做功， 根據(jù)動能定理可知，合外力不做功，動能不變，即粒子的速度大小不變，但速 度方向改變；反過來，由于粒子速度大小不變，則洛侖茲力的大小也不變，但 洛侖茲力的方向要隨速度方向的改變而改變，因此，帶電粒子做勻速圓周運動, 所需要的向心力由洛侖茲力提供.分析推理得出的結果是否正確呢？最好的方法就是用實驗來驗證.教師介 紹洛侖茲力演示儀的構造、原理，然后操作演示不

6、加磁場和加磁場兩種情況下， 電子射線的徑跡.從演示中，同學們觀察到的現(xiàn)象是什么？一一在不加磁場的情況下，電子 射線的徑跡是直線；在加垂直于速度的勻強磁場情況下，電子射線的徑跡是圓.這就證明了上述的分析、推理是正確的，至恥匕，我們就可下結論了：帶電 粒子垂直射入勻強磁場，在只受洛侖茲力作用的情況下，粒子在垂直于磁場的 平面內(nèi)做勻速圓周運動。既然粒子是做勻速圓周運動，那么它的圓心在哪里？半徑有多大？周期是 多少呢？這就是我們要進一步討論的問題，從前面的分析中，你知道該如何確 從粒子做勻速圓周運動的圓心嗎？一一在洛侖茲力作用線的交點上.板書：圓 心：洛侖茲力作用線的交點.半徑、周期應怎樣確定？根據(jù)做

7、勻速圓周運動的基本條件，洛侖茲力可提 供所需的向心力，由此可確定半徑、周期.由 f=qvB=mv 2/r可以推出r=mv/qB , 即半徑與速度大小正比，與B成反比，這一規(guī)律可用實驗來驗證.演示實驗一一改變洛侖茲力演示儀的加速電壓（即改變速度大?。┖痛艌?電流（即改變磁感應強度的大?。ㄐ则炞C r與v、B的關系.由圓周運動的周期表達式可以知道： T=2 </v=2 Tm/qB 0因此周期與速度和 半徑無關。這是一個非常重要的規(guī)律，遺憾的是我們無法用實驗驗證它，因為 粒子太小，且運動的時間實在是太快了，我們的實驗精度無法測量。但對這個 規(guī)律必須有一個正確的理解.憑經(jīng)驗我們知道，跑步比賽時

8、，跑得越快經(jīng)歷的時間就越短.為什么帶電 粒子在磁場中運動的時間與v、r無關呢？它與跑步比賽有何不同呢？一一跑步比 賽時，跑的是大小相等的圈，速率越大，時間就越短.而粒子在磁場中運動的 圓大小是隨速率的增大而增大的.從半徑公式可知：速率增大一倍，半徑也增 大一倍，圓周長也增大一倍，所以周期不變，因此帶電粒子在磁場中的運動周 期與v、r無關.2. 粒子不是垂直射入磁場和粒子進入非勻強磁場的問題.如果粒子是平行于磁場入射，將做什么運動？從一勻速直線運動。例：一帶電粒子在勻強磁場中.沿著磁感應強度的方向運動，現(xiàn)將該磁場的 磁感應強度增大1倍，則帶電粒子受到的洛倫茲力（）.XXXXXX 妙M * 圖3A

9、 .增大為原來的2倍8 .增大為原來的4倍C.減小為原來的一半D.保持原來的情況不變?nèi)绻Ｗ邮羌炔黄叫幸膊淮怪钡倪M入勻強磁場，又將做什么運動？-請大家用分解的思路來進行分析。得出粒子將做勻速螺旋線的運動。如果粒子進入了非勻強的磁場區(qū)域，又該做什么樣的運動。例：初速度為V0的電子，沿平行于通電長直導線的方向射出。直導線中電 流方向與電子的初始運動方向如圖所示，則（）.（要求畫出電子的大概軌跡）% I左右A.電子將向右偏轉(zhuǎn)，速率不變9 .電子將向左偏轉(zhuǎn)，速率改變.C.電子將向左偏轉(zhuǎn)，速率不變D.電子將向右偏轉(zhuǎn)，速率改變3. 帶電粒子在磁場中運動的規(guī)律在生活和生產(chǎn)中的實際應用主要通過例題來引導學生理

10、解一般粒子的速度是通過電壓加速獲得的，下面我們在黑板圖上加一個加速 電壓.要使帶正電的粒子加速，則哪板接正極，哪板接負極？一一左板接正， 右板接負.若加速電壓為U,粒子帶電量為q,質(zhì)量為m,勻強磁場磁感強度為B.大 致畫出正粒子在磁場中的運動軌跡、圓心位置，求出半徑大小.（學生練習，教師巡視，學生回答，畫出正粒子的運動軌跡）頸_19 hitm _ Iq _ 2U或丁可得：丁彳從這個公式中有什么發(fā)現(xiàn)嗎？一一只要測出加速電壓、磁感強度及偏轉(zhuǎn)半 徑，就可測定粒子的電量和質(zhì)量比.我們把粒子的電量和質(zhì)量比叫做粒子的荷 質(zhì)比，質(zhì)譜儀就是利用這個原理來測定粒子的荷質(zhì)比的，很多同位素就是在質(zhì) 譜儀中首先被發(fā)現(xiàn)

11、的.例：如圖所示，在y< 0的區(qū)域內(nèi)存在勻強磁場，磁場方向垂直于 xOy平面 并指向紙面外，磁感應強度為 B, 一帶正電的粒子以速度 V0從O點射入磁場， 入射方向在xOy平面內(nèi)，與x軸正向的夾角為8若粒子射出磁場的位置與 。點 距離為1,求該粒子的電量和質(zhì)量之比q/m.（2001年全國高考試題）答案：2v0sinIBpy O* * * * .例：如圖，在兩長為L,間距為d的平行板之間有勻強磁場 B, 一個電子從 a板的邊緣以平行于板的速度垂直進入磁場區(qū)域， 求要使粒子不打在板上，求粒 子的速度范圍和在板間運動的時間。通過以上兩道例題使學生了解求解磁場中圓周運動的方法是要定圓 心、求半徑

12、、算圓心角。定圓心可通過圓心必定在與速度垂直的線上，必定在 圓周兩點的垂直平分線上。求半徑可利用三角函數(shù)，也可利用勾股定理。4. 介紹回旋加速器的工作原理在現(xiàn)代物理學中，人們?yōu)樘剿髟雍藘?nèi)部的構造，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？教師講解回旋加速器的原理，其間應使學生明白下面兩個問題：(1

13、)在狹縫A' A與AA之間，有方向不斷做周期變化的電場，具作用是當粒 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，所以每隔相同的時間(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而加速.縫狹窄的原因是粒子每次過狹縫的時間是變化的， 距離短可以使經(jīng)過縫中電場的時間短到可以忽略不計。(3)對給定的粒子和

14、磁場而言，粒子的最大速度取決于 D型盒的大小。最 大半徑即為D型盒的半徑。但不能無限制的增大 D型盒來獲得高速度，因為速度 太大時，粒子的運動已不能遵循牛頓運動定律來計算周期和半徑，而是具有相 對論的特征。例：前一道是以掌握磁場圓周運動的周期即為電壓變化周期為目標；通過 后一道題掌握D型盒的半徑就是粒子運動的最大半徑，對應粒子加速的最大速 度。閱讀課本了解回旋加速器的作用以及其在現(xiàn)代科技中的應用。知道我國在 高能物理領域的成就。5. 速度選擇器的工作原理一一從本題開始過渡到粒子不僅受 磁場力的復合場問題。提問：帶電粒子(帶正電)q以速度v垂直進入勻強電場，受電場力作用，運動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖

15、2所示.若在勻強電場范圍內(nèi)再加一個勻強磁場，使 該帶電粒子的運動不偏轉(zhuǎn)，求所加勻強磁場的方向和磁感應強度的大小.引導學生利用所學知識自己分析得出結論.團2如分析：電荷進入電場，受垂直向下的電場力作用而偏轉(zhuǎn)，若使它不發(fā)生 偏轉(zhuǎn)，電荷受所加磁場的洛侖茲力方向一定與電場力方向相反，根據(jù)左手定則 和洛侖茲力方向確定磁場方向：垂直紙面、背向讀者，如圖3所示.因為F=f,所以有qE=qBv,如果我們在該裝置前后各加一塊擋板，讓電量相同的不同速度 的帶電粒子從前邊擋板中小孔射入，經(jīng)過勻強電場和磁場，只有其運動速度剛 好滿足f洛=f安的粒子運動軌跡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從第二塊擋板上小孔中射出.改變勻 強電場或勻強磁場

16、的大小，就可以得到不同速度的帶電粒子.這個裝置就叫做 速度選擇器.由上面的關系很容易推導出通過速度選擇器的帶電粒子速度大小 v=E/B。若將一個能通過某速度選擇器的正電荷換成一個電量相等速度不變的負 電荷，它還能通過該速度選擇器嗎？為什么？一一能.因為雖然它所受電場力 和洛侖茲力方向都與正電荷方向相反，但大小仍然相等，其合力仍然為零，所 以能通過.若將一個能通過某速度選擇器的正電荷換成速度大小不變，從右邊進入， 它還能通過該速度選擇器嗎？為什么？一一不能.因為雖然它所受電場力不變， 但洛侖茲力方向反過來了，雖然大小仍然相等，但合力不為零，所以不能通過.因此，我們可以看到該設備不看電性、電量大小

17、，只看速度（含大小和方 向），所以叫做速度選擇器。6. 磁流體發(fā)電機、電磁流量計與霍爾效應。（1）分析討論導入磁流體發(fā)電機。從發(fā)電的機理上講，磁流體發(fā)電與普通發(fā)電一樣，都是根據(jù)法拉第電磁感 應定律獲得電能。所不同的是，磁流體發(fā)電是以高溫的導電流體（在工程技術上常用等離子體)高速通過磁場。這時，等離子體會在磁場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 使兩極板上堆積異種電荷，產(chǎn)生電壓。一旦接通兩極板，電荷定向移動，就形 成了電流。磁流體發(fā)電中所采用的導電流體一般是導電的氣體，也可以是液態(tài)金屬。常溫下的氣體是絕緣體，只有在很高的溫度下，例如 6000K以上，才能電 離，才能導電。當這種氣體到很高的速度通過磁場時，就可以實現(xiàn)具有工業(yè)應 用