帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 人教課標(biāo)版

1、第六節(jié)、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)（課時(shí)練習(xí)）一、教學(xué)目標(biāo)（一）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感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直時(shí)，粒子在勻磁場(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、周期公式，并會(huì)用它們解答有關(guān)問(wèn)題. 知道質(zhì)譜儀的工作原理。、知道回旋加速器的基本構(gòu)造、工作原理 、及用途 。 （二）過(guò)程與方法通過(guò)綜合運(yùn)用力學(xué)知識(shí)、電磁學(xué)知識(shí)解決帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)）中的問(wèn)題.培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力.（三）情感態(tài)度與價(jià)值觀通過(guò)對(duì)本節(jié)的學(xué)習(xí)，充分了解科技的巨大威力，體會(huì)科技的創(chuàng)新歷程。二、重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)

2、的半徑和周期公式，并能用來(lái)分析有關(guān)問(wèn)題.難點(diǎn)：.粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng).綜合運(yùn)用力學(xué)知識(shí)、電磁學(xué)知識(shí)解決帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的問(wèn)題.三、教具：洛倫茲力演示儀、感應(yīng)線圈、電源、多媒體等四、教學(xué)過(guò)程：（一）復(fù)習(xí)引入 問(wèn)題什么是洛倫茲力？磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力問(wèn)題帶電粒子在磁場(chǎng)中是否一定受洛倫茲力？不一定，洛倫茲力的計(jì)算公式為，為電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角，當(dāng)°時(shí)，;當(dāng)°時(shí)，.問(wèn)題帶電粒子垂直磁場(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)、質(zhì)譜儀.（二）新課講解第六節(jié)、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)【演示】先介紹洛倫茲力演示儀的工作原理，由

3、電子槍發(fā)出的電子射線可以使管內(nèi)的低壓水銀蒸氣發(fā)出輝光，顯示出電子的徑跡。后進(jìn)行實(shí)驗(yàn).（并說(shuō)明相關(guān)問(wèn)題頁(yè)）教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn).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.教師引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論當(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).帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力及運(yùn)動(dòng)情況分析（動(dòng)態(tài)課件）.一是要明確所研究的物理現(xiàn)象的條件在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。二是分析帶電粒子的受力情況，用左手定則明確帶電粒子初速度與所受到的洛倫茲力在同一平面內(nèi)，所以

4、只可能做平面運(yùn)動(dòng)。三是洛倫茲力不對(duì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子做功，它的速率不變，同時(shí)洛倫茲力的大小也不變。四是根據(jù)牛頓第二定律，洛倫茲力使運(yùn)動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生加速度(向心加速度)出示投影.電子受到怎樣的力的作用？這個(gè)力和電子的速度的關(guān)系是怎樣的？（電子受到垂直于速度方向的洛倫茲力的作用.）.洛倫茲力對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)有什么作用？（.洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大?。?有沒(méi)有其他力作用使電子離開(kāi)磁場(chǎng)方向垂直的平面？（沒(méi)有力作用使電子離開(kāi)磁場(chǎng)方向垂直的平面）.洛倫茲力做功嗎？（洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功）帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)（）、運(yùn)動(dòng)軌跡：沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子，粒子在垂直磁場(chǎng)方向的平面

5、內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，此洛倫茲力不做功.【注意】帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由洛倫茲力提供。通過(guò)“思考與討論”（ 頁(yè)），使學(xué)生理解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，的軌道半徑和周期與粒子所帶電量、質(zhì)量、粒子的速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么關(guān)系。出示投影一為帶電量，質(zhì)量為 ,速度為的帶電粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其半徑和周期為多大？問(wèn)題什么力給帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力？洛倫茲力給帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力問(wèn)題向心力的計(jì)算公式是什么？教師推導(dǎo)粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供的，所以 由此得出可得（）、軌道半徑和周期帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑及周期公式

6、.、軌道半徑 、周期【說(shuō)明】：（）軌道半徑和粒子的運(yùn)動(dòng)速率成正比.（）帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期跟軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速率無(wú)關(guān).【討論】：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中如果帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向不和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，它的運(yùn)動(dòng)軌道是什么樣的曲線？分析：當(dāng)帶電粒子的速度分別為垂直于的分量和平行于的分量，因?yàn)楹痛怪?，受到洛倫茲力，此力使粒子在垂直于的平面?nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，和平行，不受洛倫茲力，故粒子在沿方向上做勻速曲線運(yùn)動(dòng)，可見(jiàn)粒子的運(yùn)動(dòng)是一等距螺旋運(yùn)動(dòng). 再用洛倫茲力演示儀演示出示投影課本例題如圖所示，一質(zhì)量為，電荷量為的粒子從容器下方小孔飄入電勢(shì)差為的加速電場(chǎng)，然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為的磁場(chǎng)中，最后打到底

7、片上. ()粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率。()求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。解：（）粒子在區(qū)做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng).由動(dòng)能定理知，粒子在電場(chǎng)中得到的動(dòng)能等于電場(chǎng)對(duì)它所做的功，即 由此可得.（）粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供，即所以粒子的軌道半徑為 教師講解和進(jìn)入磁場(chǎng)的速度無(wú)關(guān)，進(jìn)入同一磁場(chǎng)時(shí)，而且這些個(gè)量中，、可以直接測(cè)量，那么，我們可以用裝置來(lái)測(cè)量比荷或算出質(zhì)量。例題在處理上，可以讓學(xué)生自己處理，教師引導(dǎo)總結(jié)。為了加深對(duì)帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解，可以補(bǔ)充例題和適量的練習(xí)。注意：在解決這類(lèi)問(wèn)題時(shí)，如何確定圓心、畫(huà)出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡、半徑及圓心角，找出幾何關(guān)系是解題

8、的關(guān)鍵。例題給我們展示的是一種十分精密的儀器質(zhì)譜儀補(bǔ)充例題: 如圖所示，半徑為的圓形空間內(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），從點(diǎn)以速度垂直磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)中，并從點(diǎn)射出，已知°，求該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。分析：首先通過(guò)已知條件找到所對(duì)應(yīng)的圓心，畫(huà)出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡并畫(huà)出幾何圖形。解：設(shè)粒子在磁場(chǎng)中的軌道半徑為，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡及幾何圖形如圖所示。粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由洛倫茲力提供，有由幾何關(guān)系有：º粒子的運(yùn)動(dòng)周期由圖可知°，得電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 聯(lián)立以上各式解得：（）、質(zhì)譜儀閱讀課文及例題，回答以下問(wèn)題：.試述質(zhì)譜儀

9、的結(jié)構(gòu).試述質(zhì)譜儀的工作原理.什么是同位素？.質(zhì)譜儀最初是由誰(shuí)設(shè)計(jì)的？.試述質(zhì)譜儀的主要用途.閱讀后學(xué)生回答：.質(zhì)譜儀由靜電加速極、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、顯示屏等組成.電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子，它們進(jìn)入磁場(chǎng)后將沿著不同的半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干譜線狀的細(xì)條，叫質(zhì)譜線，每一條對(duì)應(yīng)于一定的質(zhì)量，從譜線的位置可以知道圓周的半徑，如果再已知帶電粒子的電荷量，就可算出它的質(zhì)量.質(zhì)子數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子互稱(chēng)為同位素.質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì).質(zhì)譜儀是一種十分精密的儀器，是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具（課時(shí)）【過(guò)渡語(yǔ)】先從研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的

10、需要出發(fā)提出怎樣大量產(chǎn)生高能帶電粒子的問(wèn)題，從而引出早期使用的加速器靜電加速器回旋加速器（）直線加速器加速原理：利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電的粒子動(dòng)能增加，即直線加速器的多級(jí)加速：教材圖所示的是多級(jí)加速裝置的原理圖，由動(dòng)能定理可知，帶電粒子經(jīng)級(jí)的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能，（）直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。（）回旋加速器由美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯于年發(fā)明。其結(jié)構(gòu)教材圖所示。核心部件為兩個(gè)形盒（加勻強(qiáng)磁場(chǎng)）和其間的夾縫（加交變電場(chǎng)）加速原理：通過(guò)“思考與討論”讓學(xué)生自己分析出帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期公式，明確帶電粒子的周期在、不變的情況下與速度和軌道半徑無(wú)

11、關(guān)，從而理解回旋加速器的原理。在學(xué)生思考之后，可作如下的解釋?zhuān)喝绻渌蛩?、)不變，則當(dāng)速率加大時(shí)，由得知圓運(yùn)動(dòng)半徑將與成正比例地增大，因而圓運(yùn)動(dòng)周長(zhǎng)也將與成正比例地增大，因此運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間(周期)仍將保持原值。最后提到了回旋加速器的效能(可將帶電粒子加速，使其動(dòng)能達(dá)到 )，為狹義相對(duì)論埋下了伏筆。老師再進(jìn)一步歸納各部件的作用：（如圖） 磁場(chǎng)的作用：交變電場(chǎng)以某一速度垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其周期在、不變的情況下與速度和軌道半徑無(wú)關(guān)，帶電粒子每次進(jìn)入形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間（半個(gè)周期）后平行電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)加速。電場(chǎng)的作用：回旋加速器的的兩個(gè)形盒之間的夾縫區(qū)

12、域存在周期性變化的并垂直于兩個(gè)形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)被加速。交變電壓的作用：為保證交變電場(chǎng)每次經(jīng)過(guò)夾縫時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，須在在夾縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓。帶電粒子經(jīng)加速后的最終能量：（運(yùn)動(dòng)半徑最大為形盒的半徑）由有 所以最終能量為 討論：要提高帶電粒子的最終能量，應(yīng)采取什么措施？（可由上式分析）例：年初，我國(guó)投入運(yùn)行的高能粒子回旋加速器可以把電子的能量加速到;若改用直線加速器加速，設(shè)每級(jí)的加速電壓為×，則需要幾級(jí)加速？解：設(shè)經(jīng)級(jí)加速,由 有 ×（級(jí)）（三）對(duì)本節(jié)要點(diǎn)做簡(jiǎn)要小結(jié).（四）鞏固新課：、復(fù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容 、做一做（）、完成“問(wèn)題與練習(xí)”、練習(xí)，作業(yè)。學(xué)習(xí)是一件增長(zhǎng)知識(shí)的工作，在茫茫的學(xué)海中，或許我們困苦過(guò)，在艱難的競(jìng)爭(zhēng)中，或許我們疲勞過(guò)，在失敗的陰影中，或許我們失望過(guò)。但我們發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)在慢慢的增長(zhǎng)，從啞啞學(xué)語(yǔ)的嬰兒到無(wú)所不能的青年時(shí)，這種奇妙而巨大的變化怎能不讓我們感到驕傲而自豪呢？當(dāng)我們?cè)趯W(xué)習(xí)中遇到困難而艱難的戰(zhàn)勝時(shí)，當(dāng)我們?cè)诼L(zhǎng)的奮斗后成功時(shí)，那種無(wú)與倫比的感受又有誰(shuí)能表達(dá)出來(lái)呢？因此學(xué)