2019-2020年高中物理 3.5《磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力》教案 新人教版選修3-1.doc

2019-2020年高中物理 3.5磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力教案 新人教版選修3-1科目物理年級(jí)作者時(shí)間年 月 日課題第五節(jié)、磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用教學(xué)目標(biāo)知識(shí)能力品德（一）知識(shí)與技能1、理解洛倫茲力對粒子不做功.2、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)，粒子在勻磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng).3、會(huì)推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑、周期公式，并會(huì)用它們解答有關(guān)問題. 知道質(zhì)譜儀的工作原理。4、知道回旋加速器的基本構(gòu)造、工作原理 、及用途 。 （二）過程與方法通過綜合運(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（電場、磁場）中的問題.培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力.（三）情感態(tài)度與價(jià)值觀通過對本節(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。教材分析重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑和周期公式，并能用來分析有關(guān)問題.難點(diǎn)：1.粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng).時(shí)序教學(xué)操作過程設(shè)計(jì)（一）復(fù)習(xí)引入 問題1什么是洛倫茲力？磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力問題2帶電粒子在磁場中是否一定受洛倫茲力？不一定，洛倫茲力的計(jì)算公式為F=qvBsin，為電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向的夾角，當(dāng)=90時(shí)，F(xiàn)=qvB;當(dāng)=0時(shí)，F(xiàn)=0.問題3帶電粒子垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場時(shí)會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)呢？今天我們來學(xué)習(xí)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)、質(zhì)譜儀.（二）新課講解-第六節(jié)、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)【演示】先介紹洛倫茲力演示儀的工作原理，由電子槍發(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).（并說明相關(guān)問題104-105頁）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，在沒有磁場作用時(shí)，電子的徑跡是直線；在管外加上勻強(qiáng)磁場（這個(gè)磁場是由兩個(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方向垂直時(shí)，粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng).帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中的受力及運(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)磁場中垂直于磁場方向運(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)，所以只可能做平面運(yùn)動(dòng)。三是洛倫茲力不對運(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?。?有沒有其他力作用使電子離開磁場方向垂直的平面？（沒有力作用使電子離開磁場方向垂直的平面）.洛倫茲力做功嗎？（洛倫茲力對運(yùn)動(dòng)電荷不做功）1帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)（1）、運(yùn)動(dòng)軌跡：沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，粒子在垂直磁場方向的平面內(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“思考與討論”（ 105頁），使學(xué)生理解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，的軌道半徑r和周期T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q，質(zhì)量為m ,速度為v的帶電粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，其半徑r和周期T為多大？問題1什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)提供向心力問題2向心力的計(jì)算公式是什么？F=mv2/r教師推導(dǎo)粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力F=m是由粒子所受的洛倫茲力提供的，所以 qvB=mv2/ r由此得出r= T=可得T=（2）、軌道半徑和周期帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑及周期公式.1、軌道半徑r = 2、周期T =2m/ qB【說明】：（1）軌道半徑和粒子的運(yùn)動(dòng)速率成正比.（2）帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期跟軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速率無關(guān).【討論】：在勻強(qiáng)磁場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B的分量v1和平行于B的分量v2，因?yàn)関1和B垂直，受到洛倫茲力qv1B，此力使粒子q在垂直于B的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，v1和B平行，不受洛倫茲力，故粒子在沿B方向上做勻速曲線運(yùn)動(dòng)，可見粒子的運(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m，電荷量為q的粒子從容器A下方小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，最后打到底片D上. (1)粒子進(jìn)入磁場時(shí)的速率。(2)求粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。解：（1）粒子在S1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，粒子在電場中得到的動(dòng)能等于電場對它所做的功，即 由此可得v=.（2）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qvB=m所以粒子的軌道半徑為 r=mv/qB=教師講解r和進(jìn)入磁場的速度無關(guān)，進(jìn)入同一磁場時(shí)，r，而且這些個(gè)量中，u、B、r可以直接測量，那么，我們可以用裝置來測量比荷或算出質(zhì)量。注意：在解決這類問題時(shí)，如何確定圓心、畫出粒子的運(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r的圓形空間內(nèi)，存在著垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場，一個(gè)帶電粒子（不計(jì)重力），從A點(diǎn)以速度v0垂直磁場方向射入磁場中，并從B點(diǎn)射出，已知AOB=120，求該帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。分析：首先通過已知條件找到所對應(yīng)的圓心O，畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡并畫出幾何圖形。解：設(shè)粒子在磁場中的軌道半徑為R，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡及幾何圖形如圖所示。粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由洛倫茲力提供，有qvB=mv2/R 由幾何關(guān)系有：R = r tan60 粒子的運(yùn)動(dòng)周期T =2R/v0 由圖可知=60，得電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 t = T/6 聯(lián)立以上各式解得：t=r/3v0（3）、質(zhì)譜儀閱讀課文及例題，回答以下問題：1.試述質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu).2.試述質(zhì)譜儀的工作原理.3.什么是同位素？4.質(zhì)譜儀最初是由誰設(shè)計(jì)的？5.試述質(zhì)譜儀的主要用途.閱讀后學(xué)生回答：1.質(zhì)譜儀由靜電加速極、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場、顯示屏等組成.2.電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子，它們進(jìn)入磁場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，每一條對應(yīng)于一定的質(zhì)量，從譜線的位置可以知道圓周的半徑r，如果再已知帶電粒子的電荷量q，就可算出它的質(zhì)量.3.質(zhì)子數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子互稱為同位素.4.質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì).5.質(zhì)譜儀是一種十分精密的儀器，是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具.【過渡語】先從研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的需要出發(fā)提出怎樣大量產(chǎn)生高能帶電粒子的問題，從而引出早期使用的加速器靜電加速器2回旋加速器（1）直線加速器加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電的粒子動(dòng)能增加，即qU =Ek直線加速器的多級(jí)加速：教材圖365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)N級(jí)的電場加速后增加的動(dòng)能，Ek=q（U1+U2+U3+U4+Un）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。（2）回旋加速器由美國物理學(xué)家勞倫斯于1932年發(fā)明。其結(jié)構(gòu)教材圖366所示。核心部件為兩個(gè)D形盒（加勻強(qiáng)磁場）和其間的夾縫（加交變電場）加速原理：通過“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T = 2m/q B，明確帶電粒子的周期在q、m、B不變的情況下與速度和軌道半徑無關(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：如果其他因素(q、m、B)不變，則當(dāng)速率v加大時(shí)，由r=mv/qB得知圓運(yùn)動(dòng)半徑將與v成正比例地增大，因而圓運(yùn)動(dòng)周長也將與v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25 MeV30 MeV)，為狹義相對論埋下了伏筆。老師再進(jìn)一步歸納各部件的作用：（如圖） 磁場的作用：交變電場以某一速度垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場后，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其周期在q、m、B不變的情況下與速度和軌道半徑無關(guān)，帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間（半個(gè)周期）后平行電場方向進(jìn)入電場加速。電場的作用：回旋加速器的的兩個(gè)D形盒之間的夾縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個(gè)D形盒正對截面的勻強(qiáng)電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速。交變電壓的作用：為保證交變電場每次經(jīng)過夾縫時(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D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D形盒的半徑R）由R=mv/qB有 v=qBR/m 所以最終能量為 Em=mv2/2 = q2B2R2/2m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：1989年初，我國投入運(yùn)行的高能粒子回旋加速器可以把電子的能量加速到2.8GeV;若改用直線加速器加速，設(shè)每級(jí)的加速電壓為U =2.0105V，則需要幾級(jí)加速？解：設(shè)經(jīng)n級(jí)加速,由neU=E 有 n=E/eU=1.4104（級(jí)）（三）小結(jié)：對本節(jié)要點(diǎn)做簡要小結(jié).（四）課后作業(yè)：1、復(fù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容 2、完成“問題與練習(xí)”2、4練習(xí)。教學(xué)后記