宜賓市一中2016-2017學(xué)年教學(xué)設(shè)計(jì)

宜賓市一中2016—2017學(xué)年教學(xué)設(shè)計(jì)(教研活動(dòng)成果載體)課題第五節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用課時(shí)2考點(diǎn)、知識(shí)點(diǎn)1.知道帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，理解應(yīng)用磁場(chǎng)可以控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)．(重點(diǎn)、難點(diǎn))2．知道質(zhì)譜儀的構(gòu)造，會(huì)應(yīng)用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律分析相關(guān)問(wèn)題．(難點(diǎn))3．知道回旋加速器的構(gòu)造和加速原理，理解粒子的回旋周期與加速電場(chǎng)的變化周期相同．(重點(diǎn))學(xué)習(xí)目標(biāo)理解運(yùn)動(dòng)電荷垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，電荷在洛侖茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。能通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察粒子的圓周運(yùn)動(dòng)的條件以及圓周半徑受哪些因素的影響。推導(dǎo)帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑周期公式，并會(huì)應(yīng)用它們分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并用于解決實(shí)際問(wèn)題。能通過(guò)定圓心，求半徑，算圓心角的過(guò)程利用平幾知識(shí)解決磁場(chǎng)中不完整圓周運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。了解帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)規(guī)律在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。（如質(zhì)譜儀、回旋加速器等，了解我國(guó)在高能物理領(lǐng)域中的科技發(fā)展?fàn)顩r。5.能應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決電場(chǎng)、磁場(chǎng)和重力場(chǎng)的簡(jiǎn)單的綜合問(wèn)題，如速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計(jì)等。重、難點(diǎn)1.知道帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，理解應(yīng)用磁場(chǎng)可以控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)．(重點(diǎn)、難點(diǎn))2．知道質(zhì)譜儀的構(gòu)造，會(huì)應(yīng)用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律分析相關(guān)問(wèn)題．(難點(diǎn))3．知道回旋加速器的構(gòu)造和加速原理，理解粒子的回旋周期與加速電場(chǎng)的變化周期相同．(重點(diǎn))學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和內(nèi)容學(xué)生活動(dòng)建議教師活動(dòng)建議調(diào)整記錄一、利用磁場(chǎng)控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)分析帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)1．圓心的確定方法：兩線(xiàn)定一點(diǎn)(1)圓心一定在垂直于速度的直線(xiàn)上．如圖3甲所示，已知入射點(diǎn)P(或出射點(diǎn)M)的速度方向，可通過(guò)入射點(diǎn)和出射點(diǎn)作速度的垂線(xiàn)，兩條直線(xiàn)的交點(diǎn)就是圓心．圖3(2)圓心一定在弦的中垂線(xiàn)上．如圖乙所示，作P、M連線(xiàn)的中垂線(xiàn)，與其中一個(gè)速度的垂線(xiàn)的交點(diǎn)為圓心．2．半徑的確定半徑的計(jì)算一般利用幾何知識(shí)解直角三角形．做題時(shí)一定要做好輔助線(xiàn)，由圓的半徑和其他幾何邊構(gòu)成直角三角形．3．粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定(1)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間為T(mén)，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)的圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角為α?xí)r，其運(yùn)動(dòng)時(shí)間t＝eq\f(α,360°)T(或t＝eq\f(α,2π)T)．(2)當(dāng)v一定時(shí)，粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t＝eq\f(l,v)，l為帶電粒子通過(guò)的弧長(zhǎng)．二、質(zhì)譜儀[問(wèn)題設(shè)計(jì)]結(jié)合圖2，思考并回答下列問(wèn)題．(1)帶電粒子在P1與P2兩平行金屬板間做什么運(yùn)動(dòng)？若已知P1、P2間電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，則從S3穿出的粒子的速度是多大？(2)設(shè)下方磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2，粒子打在底片上到S3距離為L(zhǎng)，則粒子的荷質(zhì)比是多大？答案(1)S2、S3在同一直線(xiàn)上，所以在P1、P2間做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橹挥须妶?chǎng)力與洛倫茲力平衡即qE＝qvB1時(shí)才可做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，故應(yīng)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，即從狹縫S3穿出的粒子速度均為v＝eq\f(E,B1).(2)粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R＝eq\f(L,2)根據(jù)R＝eq\f(mv,qB2)及v＝eq\f(E,B1)可得：eq\f(q,m)＝eq\f(2E,B1B2L).[要點(diǎn)提煉]1．質(zhì)譜儀的原理(如圖2)(1)帶電粒子進(jìn)入加速電場(chǎng)(狹縫S1與S2之間)，滿(mǎn)足動(dòng)能定理：qU＝eq\f(1,2)mv2.(2)帶電粒子進(jìn)入速度選擇器(P1和P2兩平行金屬板之間)，滿(mǎn)足qE＝qvB1，v＝eq\f(E,B1)，勻速直線(xiàn)通過(guò)．(3)帶電粒子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域)，偏轉(zhuǎn)半徑R＝eq\f(mv,qB2).(4)帶電粒子打到照相底片，可得荷質(zhì)比eq\f(q,m)＝eq\f(E,B1B2R).2．(1)速度選擇器適用于正、負(fù)電荷．(2)速度選擇器中的E、B1的方向具有確定的關(guān)系，僅改變其中一個(gè)方向，就不能對(duì)速度做出選擇．三、回旋加速器[問(wèn)題設(shè)計(jì)]1．回旋加速器的核心部分是什么？回旋加速器中磁場(chǎng)和電場(chǎng)分別起什么作用？答案D形盒磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子回旋，電場(chǎng)的作用是使帶電粒子加速．2．對(duì)交變電壓的周期有什么要求？帶電粒子獲得的最大動(dòng)能由什么決定？答案交變電壓的周期應(yīng)等于帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期．由R＝eq\f(mv,qB)及Ek＝eq\f(1,2)mv2得最大動(dòng)能Ek＝eq\f(q2B2R2,2m)，由此知最大動(dòng)能由D形盒的半徑和磁感應(yīng)強(qiáng)度決定．[要點(diǎn)提煉]1．回旋加速器中交流電源的周期等于帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期，這樣就可以保證粒子每次經(jīng)過(guò)電場(chǎng)時(shí)都正好趕上適合電場(chǎng)而被加速．2．帶電粒子獲得的最大動(dòng)能Ekm＝eq\f(q2B2R2,2m)，決定于D形盒的半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度B.四、典例分析一、利用磁場(chǎng)控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)例1如圖4所示，虛線(xiàn)圓所圍區(qū)域內(nèi)有方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.一束電子沿圓形區(qū)域的直徑方向以速度v射入磁場(chǎng)，電子束經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域后，其運(yùn)動(dòng)方向與原入射方向成θ角．設(shè)電子質(zhì)量為m，電荷量為e，不計(jì)電子之間相互作用力及所受的重力．求：圖4(1)電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑R.(2)電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t.(3)圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑r.解析本題是考查帶電粒子在圓形區(qū)域中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題．一般先根據(jù)入射、出射速度確定圓心，再根據(jù)幾何知識(shí)求解．首先利用對(duì)準(zhǔn)圓心方向入射必定沿背離圓心出射的規(guī)律，找出圓心位置，再利用幾何知識(shí)及帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)求解．(1)由牛頓第二定律得Bqv＝eq\f(mv2,R)，q＝e，得R＝eq\f(mv,Be).(2)如圖所示，設(shè)電子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期為T(mén)，則T＝eq\f(2πR,v)＝eq\f(2πm,Bq)＝eq\f(2πm,Be).由幾何關(guān)系得圓心角α＝θ，所以t＝eq\f(α,2π)T＝eq\f(mθ,eB).(3)由幾何關(guān)系可知：taneq\f(θ,2)＝eq\f(r,R)，所以有r＝eq\f(mv,eB)taneq\f(θ,2).答案(1)eq\f(mv,Be)(2)eq\f(mθ,eB)(3)eq\f(mv,eB)taneq\f(θ,2)針對(duì)訓(xùn)練如圖5所示，一束電荷量為e的電子以垂直于磁場(chǎng)方向(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B)并垂直于磁場(chǎng)邊界的速度v射入寬度為d的磁場(chǎng)中，穿出磁場(chǎng)時(shí)速度方向和原來(lái)射入方向的夾角為θ＝30°.求電子的質(zhì)量和穿越磁場(chǎng)的時(shí)間．圖5答案eq\f(2dBe,v)eq\f(πd,3v)解析過(guò)M、N作入射方向和出射方向的垂線(xiàn)，兩垂線(xiàn)交于O點(diǎn)，O點(diǎn)即電子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心，連接ON，過(guò)N做OM的垂線(xiàn)，垂足為P，如圖所示．由直角三角形OPN知，電子軌跡半徑r＝eq\f(d,sin30°)＝2d ①由牛頓第二定律知evB＝meq\f(v2,r) ②解①②得：m＝eq\f(2dBe,v)電子在無(wú)界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期為T(mén)＝eq\f(2π,eB)·eq\f(2dBe,v)＝eq\f(4πd,v)電子在磁場(chǎng)中的軌跡對(duì)應(yīng)的圓心角為θ＝30°，故電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為：t＝eq\f(1,12)T＝eq\f(1,12)×eq\f(4πd,v)＝eq\f(πd,3v).二、對(duì)質(zhì)譜儀原理的理解例2如圖6是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖，帶電粒子被加速電場(chǎng)加速后，進(jìn)入速度選擇器．速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分別為B和E.平板S上有可讓粒子通過(guò)的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2.平板S下方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．下列表述正確的是()圖6A．質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B．速度選擇器中的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外C．能通過(guò)狹縫P的帶電粒子的速率等于eq\f(E,B)D．粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的荷質(zhì)比越小解析根據(jù)Bqv＝Eq，得v＝eq\f(E,B)，C正確；在磁場(chǎng)中，B0qv＝meq\f(v2,r)，得eq\f(q,m)＝eq\f(v,B0r)，半徑r越小，荷質(zhì)比越大，D錯(cuò)誤；同位素的電荷數(shù)一樣，質(zhì)量數(shù)不同，在速度選擇器中電場(chǎng)力向右，洛倫茲力必須向左，根據(jù)左手定則，可判斷磁場(chǎng)方向垂直紙面向外，A、B正確．答案ABC三、對(duì)回旋加速器原理的理解例3回旋加速器是用來(lái)加速一群帶電粒子使它們獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬扁盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接，以便在盒內(nèi)的狹縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過(guò)狹縫時(shí)都得到加速，兩盒放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rmax.求：(1)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)；(2)所加交變電流頻率及粒子角速度；(3)粒子離開(kāi)加速器時(shí)的最大速度及最大動(dòng)能．解析(1)帶電粒子在盒內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，每次加速之后半徑變大．(2)粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間極短，因此高頻交變電流頻率要等于粒子回旋頻率，因?yàn)門(mén)＝eq\f(2πm,qB)，回旋頻率f＝eq\f(1,T)＝eq\f(qB,2πm)，角速度ω＝2πf＝eq\f(qB,m).(3)由牛頓第二定律知eq\f(mv\o\al(2,max),Rmax)＝qBvmax則Rmax＝eq\f(mvmax,qB)，vmax＝eq\f(qBRmax,m)最大動(dòng)能Ekmax＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max)＝eq\f(q2B2R\o\al(2,max),2m)答案(1)勻速圓周運(yùn)動(dòng)(2)eq\f(qB,2πm)eq\f(qB,m)(3)eq\f(qBRmax,m)eq\f(q2B2R\o\al(2,max),2m)方法點(diǎn)撥回旋加速器中粒子每旋轉(zhuǎn)一周被加速兩次，粒子射出時(shí)的最大速度(動(dòng)能)由磁感應(yīng)強(qiáng)度和D形盒的半徑?jīng)Q定，與加速電壓無(wú)關(guān)．五、板書(shū)設(shè)計(jì)洛倫茲力的應(yīng)用—eq\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(—磁偏轉(zhuǎn)的特點(diǎn)：只改變粒子速度的方向，,不改變粒子速度的大小,—應(yīng)用—\b\lc\|\rc\(\a\vs4\al\co1(—質(zhì)譜儀,—回旋加速器))))六、作業(yè)布置1.第一課時(shí)：《全品