2019-2020年高中物理 帶電粒子在勻強磁場中運動應用《回旋加速器》教學設計 新人教版選修3-1

2019-2020年高中物理帶電粒子在勻強磁場中運動應用回旋加速器教學設計新人教版選修3-1【設計思想】本節(jié)課“回旋加速器”是帶電粒子在電場和磁場中運動的一個具體的綜合實例。本節(jié)課的主要任務在于提高學生應用所學知識分析解決問題的能力，并在應用過程中加深對電場和洛侖茲力的理解，同時體會科學研究的方法和思想。因此，本節(jié)課采用問題引導的方式，充分調動學生進行分析討論，讓學生如同身臨其境地“參與”加速器的“設計”和“改進”，這樣能更好地讓學生體驗并深入理解回旋加速器的設計原理和結構、用途。【教學目標】1了解回旋加速器的基本結構，理解回旋加速器的設計原理2理解回旋加速器加速帶電粒子的特點3通過回旋加速器的設計過程，加深對磁場和電場特點的認識4經歷回旋加速器的設計過程，體會科學研究的方法和思想【教學重點】回旋加速器對帶電粒子的加速原理及特點【教學難點】1加速電場與帶電粒子運動周期的同步關系2帶電粒子最大動能和最大速度的影響因素【教學過程】一、引入1類比情景導入出示一個核桃，如果需要知道它內部是怎樣的，需要怎么做？（打開看個究竟，用錘砸開）2課題引入科學研究也是如此，對于原子核，要深入研究或者讓原子核發(fā)生反應，也必須用“炮彈”把它轟開。這樣的“炮彈”需要用高能粒子來充當，通常為質子、電子、中子、氦核等。首先需要解決的問題是，如何獲得高能粒子。二、加速器的實現和改進1加速原理如何獲得高能粒子呢？對于帶電粒子來說很容易想到辦法，讓帶電粒子加速。（帶電粒子在電場中加速）帶電粒子經過電場加速后，能夠獲得多大的能量？怎樣使這個能量高一些？（圧K=qu，提高能量，可以提高加速電壓）當初科學家也是這么想的，進行了許多嘗試去獲得高電壓，采用多級變壓器，靜電發(fā)生器等。但產生高壓要受到許多限制，那個年代大概只能到幾十萬伏，不足以得到所需的高能粒子。必須考慮其它的辦法。2加速器的改進科學家們希望能夠利用較低的電壓，把粒子加速到高能量。（多級加速）多級加速思想如何實現？畫出示意圖，解釋原理。根據示意圖，提出問題，兩個加速電場之間會產生一個減速，如何解決這個問題？（引導學生考慮靜電屏蔽的方法）根據學生解釋的原理，介紹直線加速器，簡單說明真實的直線加速器的實現（采用交流電提供電壓，各屏蔽筒長度不等）出示直線加速器圖片（北京正負電子對撞機注入器），全長204米。是否占據太大空間？三、回旋加速器的設計及結構1設計思想能否進行改進，節(jié)省空間？（在同一個加速電場中反復加速）引導學生討論，總結得到設計方法：利用電場加速，磁場控制軌道。2設計思想的實現原理畫出電場、磁場示意圖，請學生思考討論，具體應該如何實現，帶電粒子如何被反復加速，大致軌道是什么樣的。請學生自己嘗試畫出帶電粒子的運動軌跡。引導學生思考回答，同時在黑板上分析粒子在回旋加速器中加速的原理，逐步分析每一階段帶電粒子的速度、受力、軌道半徑（用半徑公式分析）。要使帶電粒子在經過電場時始終加速，加速電壓的正負極有何要求？討論加速電壓的變化問題，明確加速電壓應與粒子運動相配合。討論加速電壓周期和粒子圓周運動周期的關系，并討論粒子圓周運動周期的特點。（通過討論，最終得到加速電壓周期與粒子圓周運動周期相同（同步條件），并且不隨速度增大而改變。）3回旋加速器的結構引導學生討論：電場、磁場如何提供？粒子在磁場中運動時裝置對電場的屏蔽？粒子加速后從何處引出？介紹D形盒的巧妙之處：作為電極在縫隙間形成加速電場；中空D形盒給粒子運動提供空間；D形盒內部可屏蔽電場；用不易被磁化的銅材料制作。再介紹回旋加速器各個部分及作用（D形盒、交流電源、真空裝置、強電磁鐵、粒子源、引出裝置）。四、帶電粒子在回旋加速器中運動的討論1帶電粒子最終能量的影響因素敘述帶電粒子在回旋加速器中的運動過程：帶電粒子從中心處的粒子源出發(fā)，進入電場加速，再進入磁場做半個周期的圓周運動，回到已變換方向的電場再次加速，再進入磁場做半徑更大的圓周運動，如此反復，直到粒子貼近D形盒盒壁，半徑達到最大值時被引出以供使用。提出問題，讓學生思考：如果要使加速后的粒子獲得更大的能量，可以采取哪些措施？（引導學生討論，首先讓學生明確最終能量即粒子被引出加速器時刻的能量。充分利用學生之間的不同意見，讓學生最終通過自己的討論得到影響因素：D形盒半徑、磁感應強度B。并且通過學生的爭論，明確加速電壓U只影響單次加速粒子的能量增量，同時加速次數會減少，對最終能量沒有影響。討論過程中，得到最大能量的表達式。）在核物理研究中，為了進行更深入的研究，需要更高能量的粒子去轟擊原子核，因此回旋加速器不斷地改進，得到的粒子能量也不斷提高。從4.5吋、9吋、11吋、27吋、36吋，到60吋（1吋=2.54厘米），質子加速后能量可以達到幾十兆電子伏特。27吋回旋加速器所用電磁鐵芯75噸，勵磁線圈銅線8噸。非常龐大復雜的工程。2回旋加速器的制約因素與加速器的改進在建造更大的回旋加速器時，在基本原理上出現了問題，粒子運動周期不再穩(wěn)定，同步條件被破壞。請學生猜想分析原因。（粒子能量很高時，速度很大，必須考慮相對論效應，粒子質量隨速度增大而增大，回轉周期發(fā)生變化）若使電子和氘核具有相同能量，由于電子質量遠小于氘核，其速度就應遠大于氘核，它將很快收到上述相對論效應的限制。因而回旋加速器一般用來加速較大質量的粒子，不用以加速電子。加速電子可用“電子感應加速器”。要得到更大能量的粒子，需要采用同步穩(wěn)相原理，建造同步加速器。并且，再看直線加速器并不存在這個問題，可以把直線加速器做得非常大，幾公里甚至幾十公里的長度。3帶電粒子在回旋加速器中的半徑和運動時間的定量討論請課后思考：（1）前面考慮過帶電粒子在磁場中運動時，半徑不斷增大，相鄰軌道間距離是相等的嗎？兩相鄰軌道半徑大小有什么關系呢？（不等距，）（2）我們清楚了帶電粒子在回旋加速器中的運動過程，那如果需要你計算帶電粒子在回旋加速器中運動的總時間，應該怎樣考慮這個問題？（分別考慮磁場和電場中的運動時間。磁場中運動時，考慮運動了多少圈；電場中運動時，考慮速度從0加速到最大速度的全過程）五、總結1本節(jié)課的主要內容是回旋加速器，經歷了加速器的整個設計改進過程。2本節(jié)課的幾個重點：回旋加速器的基本設計思想（電場加速、磁場控制軌道）；交變電壓周期與粒子回旋周期相同；粒子加速后的最大能量與最大半徑和磁場強弱有關，與加速電壓無關。3帶電粒子在電場和磁場中運動的特點比較?！景鍟O計】2019-2020年高中物理帶電粒子在電場中的運動教案3新人教版選修3一、教材分析本專題是是歷年高考的重點內容。本專題綜合性強，理論分析要求高，帶電粒子的加速是電場的能的性質的應用；帶電粒子的偏轉則側重于電場的力的性質，通過類比恒力作用下的曲線運動（平拋運動），理論上探究帶電粒子在電場中偏轉的規(guī)律。此外專題既包含了電場的基本性質，又要運用直線和曲線運動的規(guī)律，還涉及到能量的轉化和守恒，有關類比和建模等科學方法的應用也比較典型。探究帶電粒子的加速和偏轉的規(guī)律，只要做好引導，學生自己是能夠完成的，而且可以提高學生綜合分析問題的能力。二、教學目標：（一）知識與技能1、理解帶電粒子在電場中的運動規(guī)律，并能分析解決加速和偏轉方向的問題2、知道示波管的構造和基本原理（二）過程與方法通過帶電粒子在電場中加速、偏轉過程分析，培養(yǎng)學生的分析、推理能力（三）情感、態(tài)度與價值觀通過知識的應用，培養(yǎng)學生熱愛科學的精神三、教學重點難點重點：帶電粒子在勻強電場中的運動規(guī)律難點：運用電學知識和力學知識綜合處理偏轉問題四、學情分析帶電粒子在場中的運動（重力場、電場、磁場）問題，由于涉及的知識點眾多，要求的綜合能力較高，因而是歷年來高考的熱點內容，這里需要將幾個基本的運動，即直線運動中的加速、減速、往返運動，曲線運動中的平拋運動、圓周運動、勻速圓周運動進行綜合鞏固和加深，同時需要將力學基本定律，即牛頓第二定律、動量定理、動量守恒定律、動能定理、機械能守恒定律、能量守恒定律等進行綜合運用。五、教學方法講授法、歸納法、互動探究法六、課前準備1學生的學習準備：預習牛頓第二定律的內容是什么，能定理的表達式是什么，拋運動的相關知識點。2教師的教學準備：多媒體課件制作，課前預習學案，課內探究學案，課后延伸拓展學案3、教具：多媒體課件七、課時安排：1課時八、學過程（一）預習檢查、總結疑惑教師活動：引導學生復習回顧相關知識點（1）牛頓第二定律的內容是什么?（2）動能定理的表達式是什么?（3）平拋運動的相關知識點。（4）靜電力做功的計算方法。學生活動：結合自己的實際情況回顧復習。師生互動強化認識：（1）a=F合/m（注意是F合）（2）W合=Ek=mu2-mu02（注意是合力做的功）（3）平拋運動的相關知識（4）W=Fscos8（恒力勻強電場）W=qU（任何電場）檢查落實了學生的預習情況并了解了學生的疑惑，使教學具有了針對性。（二）情景導入、展示目標帶電粒子在電場中受到電場力的作用會產生加速度，使其原有速度發(fā)生變化在現代科學實驗和技術設備中，常常利用電場來控制或改變帶電粒子的運動。具體應用有哪些呢?本節(jié)課我們來研究這個問題以勻強電場為例（三）合作探究、精講點撥1、帶電粒子的加速教師活動：提出問題要使帶電粒子在電場中只被加速而不改變運動方向該怎么辦?（相關知識鏈接：合外力與初速度在一條直線上，改變速度的大小；合外力與初速度成90°，僅改變速度的方向；合外力與初速度成一定角度e，既改變速度的大小又改變速度的方向）學生探究活動：結合相關知識提出設計方案并互相討論其可行性。學生介紹自己的設計方案。師生互動歸納：（教師要對學生進行激勵評價）方案1：v0=0，僅受電場力就會做加速運動，可達到目的。方案2：v0MO,僅受電場力，電場力的方向應同v0同向才能達到加速的目的。教師投影：加速示意圖學生探究活動：上面示意圖中兩電荷電性換一下能否達到加速的目的?（提示：從實際角度考慮，注意兩邊是金屬板）學生匯報探究結果：不可行，直接打在板上。學生活動：結合圖示動手推導，當v0=0時，帶電粒子到達另一板的速度大小。（教師抽查學生的結果展示、激勵評價）教師點撥拓展：方法一：先求出帶電粒子的加速度：a=再根據v2-v2=2adt0可求得當帶電粒子從靜止開始被加速時獲得的速度為v=t方法二：由W=qU及動能定理：W=E=mv2-0k得：qU=mv2到達另一板時的速度為：v=.深入探究：（1）結合牛頓第二定律及動能定理中做功條件（W=Fscose恒力W=Uq任何電場）討論各方法的實用性。（2）若初速度為v0（不等于零），推導最終的速度表達式。學生活動：思考討論，列式推導(教師抽查學生探究結果并展示)教師點撥拓展：(1) 推導：設初速為V。，末速為V,則據動能定理得qU=mv2-mv02所以v=(v0=0時，v=)方法滲透：理解運動規(guī)律，學會求解方法，不去死記結論。(2) 方法一：必須在勻強電場中使用(F=qE,F為恒力，E恒定)方法二：由于非勻強電場中，公式W=qU同樣適用，故后一種可行性更高，應用程度更高。實例探究：課本例題1第一步：學生獨立推導。第二步：對照課本解析歸納方法。第三步：教師強調注意事項。(計算先推導最終表達式，再統(tǒng)一代入數值運算，統(tǒng)一單位后不用每個量都寫，只在最終結果標出即可)過渡：如果帶電粒子在電場中的加速度方向不在同一條直線上，帶電粒子的運動情況又如何呢?下面我們通過一種較特殊的情況來研究。2、帶電粒子的偏轉教師投影：如圖所示，電子以初速度V。垂直于電場線射入勻強電場中.問題討論：(1) 分析帶電粒子的受力情況。(2) 你認為這種情況同哪種運動類似，這種運動的研究方法是什么?(3) 你能類比得到帶電粒子在電場中運動的研究方法嗎?學生活動：討論并回答上述問題：(1)關于帶電粒子的受力，學生的爭論焦點可能在是否考慮重力上。教師應及時引導：對于基本粒子，如電子、質子、a粒子等，由于質量m很小，所以重力比電場力小得多，重力可忽略不計。對于帶電的塵埃、液滴、小球等，m較大，重力一般不能忽略。(2) 帶電粒子以初速度V。垂直于電場線方向飛入勻強電場時，受到恒定的與初速度方向成9。°角的作用而做勻變速曲線運動，類似于力學中的平拋運動，平拋運動的研究方法是運動的合成和分解。(3) 帶電粒子垂直進入電場中的運動也可采用運動的合成和分解的方法進行。CAI課件分解展示：(1) 帶電粒子在垂直于電場線方向上不受任何力，做勻速直線運動。(2) 在平行于電場線方向上，受到電場力的作用做初速為零的勻加速直線運動。深入探究：如右圖所示，設電荷帶電荷量為q,平行板長為L,兩板間距為d,電勢差為U，初速為V。.試求：（1）帶電粒子在電場中運動的時問（2）粒子運動的加速度。（3）粒子受力情況分析。（4）粒子在射出電場時豎直方向上的偏轉距離。（5）粒子在離開電場時豎直方向的分速度。（6）粒子在離開電場時的速度大小。（7）粒子在離開電場時的偏轉角度e。學生活動：結合所學知識，自主分析推導。（教師抽查學生活動結果并展示，教師激勵評價）投影示范解析：解：由于帶電粒子在電場中運動受力僅有電場力（與初速度垂直且恒定），不考慮重力，故帶電粒子做類平拋運動。粒子在電場中的運動時間t=加速度a=qU/md豎直方向的偏轉距離：1UqLqL2y=at2='（）2U-2mdv2mv2d00粒子離開電場時豎直方向的速度為v1=at=UqL、速度為：V=v2+v2=，（）2+v210mdv010粒子離開電場時的偏轉角度e為：vqLqLtan。=i=Un0=arctanU.vmv2dmv2d000拓展：若帶電粒子的初速v0是在電場的電勢差U1下加速而來的（從零開始），那么上面的結果又如何呢?（y，e學生探究活動：動手推導、互動檢查。（教師抽查學生推導結果并展示：結論：y=。=arctan與q、m無關。3、示波管的原理出示示波器，教師演示操作 光屏上的亮斑及變化。 掃描及變化。 豎直方向的偏移并調節(jié)使之變化。 機內提供的正弦電壓觀察及變化的觀察。學生活動：觀察示波器的現象。閱讀課本相關內容探究原因。教師點撥拓展，師生互動探究：多媒體展示：示波器的核心部分是示波管，由電子槍、偏轉電極和熒光屏組成投影：示波管原理圖：電子槍中的燈絲K發(fā)射電子，經加速電場加速后，得到的速度為:如果在偏轉電極上加電壓電子在偏轉電極的電場中發(fā)生偏轉離開偏轉電極后沿直線前進，打在熒光屏v=上的亮斑在豎直方向發(fā)生偏移.其偏移量為=y+Ltane因為y=tan所以=U+L=U=(L+)tane如果U=Umaxsinet貝歸sinetmax學生活動:結合推導分析教師演示現象。（四）反思總結，當堂檢測。教師組織學生反思總結本節(jié)課的主要內容，并進行當堂檢測。1. 帶電粒子的加速（1）動力學分析:帶電粒子沿與電場線平行方向進入電場，受到的電場力與運動方向在同一直線上，做加（減）速直線運動，如果是勻強電場，貝做勻加（減）速運動.（2）功能關系分析:粒子只受電場力作用，動能變化量等于電勢能的變化量.2. 帶電粒子的偏轉（1）動力學分析：帶電粒子以速度V。垂直于電場線方向飛入兩帶電平行板產生的勻強電場中，受到恒定的與初速度方向成900角的電場力作用而做勻變速曲線運動（類平拋運動）.（2）運動的分析方法（看成類平拋運動）： 沿初速度方向做速度為V。的勻速直線運動. 沿電場力方向做初速度為零的勻加速直線運動.（五）發(fā)導學案、布置預習。1、書面完成“問題與練習”第3、4、5題；思考并回答第1、2題。2、課下閱讀課本“科學足跡”和“科學漫步”中的兩篇文章。九板書設計帶電粒子在電場中的運動（一）、帶電粒子的加速由W=qU及動能定理：W=E=mv2-0k得：qU=mv2到達另一板時的速度為：v=設初速為V。，末速為v,則據動能定理得qU=mv2-mv02所以v=（v0=0時，v=）（二）、帶電粒子的偏轉1UqLy=at2=-()22mdv0qLU.2mv2d0vqLtan0=U0vmv2d00qL=arctanU.mv2d0示波管的原理十、教學反思本節(jié)內容是關于帶電粒子在勻強電場中的運動情況三）、是電學和力學知識的綜合，帶電粒子在電場中的運動，常見的有加速、減速、偏轉、圓運動等等，規(guī)律跟力學是相同的，只是在分析物體受力時，注意分析電場力，同時注意：為了方便問題的研究，對于微觀粒子的電荷，因為重力非常小，我們可以忽略不計對于示波管，實際就是帶電粒子在電場中的加速偏轉問題的實際應用