風陵渡中學物理——《帶電粒子在組合場中的運動》教學設計

帶電粒子在組合場中的運動教學設計教學目標：知識與技能：1知道什么是組合場，以及組合場的特點。2掌握帶電粒子在組合場中的運動分析的基本方法和思路。過程與方法：通過綜合運用力學知識、電磁學知識解決帶電粒子在組合場(電場、磁場)中的問題.，培養(yǎng)學生的分析推理能力，應用數學知識處理物理問題能力。情感態(tài)度與價值觀： 培養(yǎng)物理學科嚴密的邏輯思維，明辨物理過程的本質，進一步引導學生建立崇尚科學的價值觀。 教學重點：粒子在組合場中的運動分析的基本方法和思路。教學難點：粒子運動問題的求解。教學方法：教師講授法、問答法 教學過程：引入:1復習提問：什么是洛倫茲力？帶電粒子垂直磁場方向進入勻強磁場時會做什么運動呢？ 學生：磁場對運動電荷的作用；勻速圓周運動。2過渡引入：物體在重力作用下的運動與帶電粒子在勻強電場中的運動，都是恒力作用下的運動，因此它們的運動規(guī)律有諸多相似之處，常用類比法處理，而帶電粒子在勻強磁場中運動所受洛倫茲力是一變力，在有磁場的組合場復合場中帶電粒子的運動變得更為復雜。帶電粒子在磁場、組合場、復合場、有界場中的運動是高中物理的重要內容，這類問題對考查同學們空間想象能力，綜合分析能力，應用數學知識處理物理問題的能力都有較高的要求，是高考的熱點。本節(jié)課我們復習帶電粒子在組合場中的運動。 基礎知識回顧：（學生自主完成） 一、帶電粒子在組合場中運動情況分析 1帶電粒子在勻強電場中運動，當粒子初速度與電場強度方向在同一直線上時，粒子做_運動；二者方向成一定夾角時，粒子做_運動，一般采用_ _處理該問題 2帶電粒子在勻強磁場中運動，當粒子速度方向與磁感應強度方向垂直時，帶電粒子做_運動，它在磁場中運動的時間與粒子的速率_，由做圓周運動的_決定二、帶電粒子在組合場中運動的典型應用 1電視顯像管 電視顯像管是應用電子束_(選填“電偏轉”或“磁偏轉”)的原理來工作的，使電子束偏轉的_ (選填“電場”或“磁場”)是由兩對偏轉線圈產生的顯像管工作時，由_發(fā)射電子束，利用磁場來使電子束偏轉，實現電視技術中的_，使整個熒光屏都在發(fā)光 2質譜儀 (1)構造：如圖所示，由粒子源、_、_和照相底片等構成(2)原理：粒子由靜止被加速電場加速，根據動能定理可得關系式_。粒子在磁場中受洛倫茲力作用而偏轉，做勻速圓周運動，根據牛頓第二定律得關系式_.由兩式可得出需要研究的物理量，如粒子軌道半徑、粒子質量、比荷_.3回旋加速器(1)構造：如圖所示，D1、D2是半圓金屬盒，D形盒的縫隙處接_電源D形盒處于勻強磁場中(2)原理：交流電的周期和粒子做圓周運動的周期_，粒子在圓周運動的過程中一次一次地經過D形盒縫隙，兩盒間的電勢差一次一次地反向，粒子就會被一次一次地加速由qvBm，得Ekm_，可見粒子獲得的最大動能由_和D形盒_決定，與加速電壓無關. 三、帶電粒子在組合場中運動情況分析規(guī)律方法(采用提問方式處理) 1處理帶電粒子在電場與磁場的組合場上的運動類問題，要明確電場力與洛倫磁力的不同： (1)在電場中的帶電粒子不論其運動與否，均受到電場力的作用，而磁場僅僅對運動著的并且速度跟磁場方向不平行的帶電粒子有洛倫茲力作用； (2)電場力的大小與速度無關，而洛倫茲力的大小與帶電粒子的速度有關；(3)電場力的方向與電場的方向或相同、或相反，而洛倫茲力的方向既垂直于磁場，又垂直于速度； (4)電場力既可以改變帶電粒子運動速度的方向，也可以改變帶電粒子運動速度的大小，而洛倫茲力只能改變速度的方向，不能改變速度的大??； (5)電場力對帶電粒子做功且與路徑無關，可以改變粒子的動能，而洛倫茲力不對帶電粒子做功，不能改變粒子的動能2對于粒子連續(xù)通過各個不同情況的場的問題，要按不同的場分階段進行處理，對應不同階段采用不同的規(guī)律解題，例如在勻強磁場中的圓周運動，應用牛頓運動定律進行處理，在勻強電場中的勻變速曲線運動應用正交分解的方法進行處理 3在解題時應根據場的不同和進入場的速度分階段進行受力分析和運動分析，畫出粒子的運動軌跡，尤其要注意兩個場中運動的銜接點的位置及速度的大小和方向，它有承上啟下的作用解題思路與方法：（1）分析帶電粒子在各場中的受力情況和運動情況，一般在電場中做類平拋運動，在磁場中做勻速圓周運動。(2)正確地畫出粒子的運動軌跡圖，在畫圖的基礎上注意運用幾何知識尋找關系。(3) 選擇物理規(guī)律，列方程對類平拋運動，一般分解為沿初速度方向的勻速直線運動和垂直初速度方向的勻加速直線運動；對粒子在磁場中做勻速圓周運動，應注意洛倫茲力提供向心力這一特點。(4)注意確定粒子在組合場交界位置處的速度大小與方向，該速度是聯系兩種運動的橋梁。例題解析例1：（2008寧夏（17分）如圖所示，在xOy平面的第一象限有一勻強電場，電場的方向平行于y軸向下；在x軸和第四象限的射線OC之間有一勻強磁場，磁感應強度的大小為B，方向垂直于紙面向外。有一質量為m帶有電荷量+q的質點由電場左側平行于x軸射入電場。質點到達x軸上A點時，速度方向與x軸的夾角為，A點與原點O的距離為D接著，質點進入磁場，并垂直于OC飛離磁場。不計重力影響。若OC與x軸的夾角為，求：   粒子在磁場中運動速度的大小； 勻強電場的場強大小 引導：（采用問答式）1. 帶電粒子在電場中可能做什么運動？學生回答：當粒子進入電場時的速度方向與電場線平行時，粒子做勻變速直線運動。當粒子進入電場時的速度方向與電場線垂直時，粒子將做類平拋運動。2. 帶電粒子在勻強磁場中可能做什么運動？學生回答：當粒子進入勻強磁場時的速度方向與磁感線平行時，粒子將做勻速直線運動。當粒子進入勻強磁場時的速度方向與磁感線垂直時，粒子將做勻速圓周運動。3. 學生自己分析該題分為哪幾個過程？試著畫運動軌跡。并找學生在黑板上演示。4. 教師點評總結：點評 解答帶電粒子在組合場中的運動問題的關鍵是分析清楚帶電粒子在各場中的運動情況，并且注意帶電粒子在兩場邊界的運動狀態(tài)，尤其是空間位置的即時速度的大小、方向，這是聯系粒子在兩個場區(qū)運動的橋梁。學生練習：如圖，bd將矩形abcd分成l和兩個區(qū)域，I區(qū)域內存在平行于ad向下的勻強電場，區(qū)域內有垂直于紙面向外的勻強磁場。一質量為m、電荷量為q(q>0)的粒子以速度v0從a點沿ab方向進入電場，經對角線bd的中點P進入磁場。已知ad=L，ab= L，忽略粒子的重力，求： (1)帶電粒子到達P點時速度的大小vp。(2)若帶電粒子從P點進入磁場后，不能從dc邊射出，求磁感應強度B的大小。例2（2011全國卷1）.（19分） 如圖，與水平面成45°角的平面MN將空間分成I和II兩個區(qū)域。一質量為m、電荷量為q（q0）的粒子以速度從平面MN上的點水平右射入I區(qū)。粒子在I區(qū)運動時，只受到大小不變、方向豎直向下的電場作用，電場強度大小為E；在II區(qū)運動時，只受到勻強磁場的作用，磁感應強度大小為B，方向垂直于紙面向里。求粒子首次從II區(qū)離開時到出發(fā)點的距離。粒子的重力可以忽略。教師板書詳細解題過程：(強調解題規(guī)范性)解析 帶電粒子進入電場后，在電場力的作用下沿拋物線運動，其加速度方向豎直向下，設其大小為a，由牛頓定律得qEma設經過時間t0，粒子從平面MN上的點P1進入磁場，由運動學公式和幾何關系得v0t0at粒子速度大小v1為v1設速度方向與豎直方向的夾角為，則tan此時粒子到出發(fā)點P0的距離為s0v0t0此后，粒子進入磁場，在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，圓的半徑為r1設粒子首次離開磁場的點為P2，弧所對的圓心角為2，則P1到點P2的距離為s12r1sin由幾何關系得45°聯立解得s1點P2與點P0相距l(xiāng)s0s1聯立解得l練習：如圖，直線MN 上方有平行于紙面且與MN成45°的有界勻強電場，電場強度大小未知；MN下方為方向垂直于紙面向里的有界勻強磁場，磁感應強度大小為B。今從MN上的O點向磁場中射入一個速度大小為v、方向與MN成45°角的帶正電粒子，該粒子在磁場中運動時的軌道半徑為R。若該粒子從O點出發(fā)記為第一次經過直線MN，而第五次經過直線MN時恰好又通過O點。不計粒子的重力。求： (1)電場強度E的大小(2)該粒子第五次從O點進入磁場后，運動軌道的半徑。(3)該粒子從O點出發(fā)到再次回到O點所需的時間。課堂小結： 對于帶電粒子在分區(qū)域的電場、磁場中的運動，最簡單的處理辦法就是進行分段處理，關鍵是要注意在兩種區(qū)域的交界處的邊界問題的處理與運動的鏈接問題。教學反思： 本節(jié)課我們學習的是電場和磁場的組合場問題。帶電粒子在勻強電場和勻強磁場中的運動，高中階段一般只考查兩種情況：在勻強電場中，做勻變速直線運動或勻變速曲線運動(類平拋運動)；在勻強磁場中做勻速直線運動或勻速圓周運動。所以可根據帶電粒子進入某一場的初速度方向和受場力方向夾角，作出大膽合理的猜想，并經過分析得出切合實際的結論。作業(yè)：1.體會帶電粒子在組合場中的運動分析的基本方法和思路。2.完成練習題完成對應的課時作業(yè)。