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2019-2020年高中物理 帶電粒子在磁場中的運動 質譜儀教案 人教版二冊 一、教學目標 1．根據(jù)洛倫茲力的特點，理解帶電粒子垂直進入磁場做勻速圓周運動。 2．以洛倫茲力為向心力推導出帶電粒子在磁場中做圓運動的半徑和周期，并討論它們的物理意義。 3．掌握速度選擇器和質譜儀的工作原理和計算方法。 二、重點、難點分析 1．洛倫茲力f=Bqv的應用是該節(jié)課的重點。 2．洛倫茲力作為向心力，是使運動電荷在磁場中做勻速圓周運動的原因。結合圓周運動的運動學知識和動力學知識推導和周期是本節(jié)的難點。 3．對速度選擇器和質譜儀的工作原理的理解和掌握也是本節(jié)的重點和難點。 三、教 具：洛倫茲力演示儀。 四、教學方法：實驗演示，多媒體輔助教學 五、主要教學過程 （一）引入新課 1．提問：如圖所示，當帶電粒子q以速度v分別垂直進入勻強電場和勻強磁場中，它們將做什么運動？（如圖1所示） 回答：類平拋和勻速圓周運動。 在此學生很有可能根據(jù)帶電粒子進入勻強電場做類平拋運動的經(jīng)驗，誤認為帶電粒子垂直進入勻強磁場也做類平拋運動。在這里不管學生回答正確與錯誤，都應馬上追問：為什么？引導學生思考，自己得出正確答案。 2．觀察演示實驗：帶電粒子在磁場中的運動——洛倫茲力演示儀。 3．看掛圖，比較帶電粒子垂直進入勻強電場和磁場這兩種情況下軌跡的差別。 （二）進行新課 1．帶電粒子垂直進入勻強磁場的軌跡（板書） 提問：①在什么平面內？它與v的方位關系怎樣？ ②對運動電荷是否做功？ ③對運動電荷的運動起何作用？ ④帶電粒子在磁場中的運動具有什么特點？ 通過學生的回答，展開討論，讓同學自己得出正確的答案，強化上節(jié)所學知識——洛倫茲力產生條件，洛倫茲力大小、方向的計算和判斷方法。 結論：（板書）①帶電粒子垂直進入勻強磁場，其初速度v與磁場垂直，根據(jù)左手定則，其受洛倫茲力的方向也跟磁場方向垂直，并與初速度方向都在同一垂直磁場的平面內，所以粒子只能在該平面內運動。 ②洛倫茲力總是跟帶電粒子的運動方向垂直，它只改變粒子運動的方向，不改變粒子速度的大小，所以粒子在磁場中運動的速率是恒定的，這時洛倫茲力的大小f=Bqv也是恒定的。 ③洛倫茲力對運動粒子不做功。 ④洛倫茲力對運動粒子起著向心力的作用，因此粒子的運動一定是勻速圓周運動。 2．帶電粒子在磁場中運動的軌道半徑 提問：①帶電粒子做勻速圓周運動時，什么力作為向心力？ ==Bqv （1） ②做勻速圓周運動的物體所受的向心力F心與物體質量m、速度v和半徑r的關系如何？ =mv2／r （2） 進而由學生自己推出： 討論： ①粒子運動軌道半徑與哪些因素有關，關系如何？ ②質量不同電量相同的帶電粒子，若以大小相等的動量垂直進入同一勻強磁場，它們的軌道半徑關系如何？ ③速度相同，荷質比不同的帶電粒子垂直進入同一勻強磁場，它們的軌道半徑關系如何？ ④在同一磁場中做半徑相等的圓周運動的氫、氦原子核，哪個運動速度大？ 3．帶電粒子在磁場中的運動周期 提問：①圓周長與圓半徑有何關系？　周長=2πr ②圓周運動的周期與周長和速率的關系如何？T＝ ③推出帶電粒子在磁場中的周期　因故 討論：①帶電粒子在磁場中做圓周運動的周期大小與哪些因素有關？關系如何？ ②同一帶電粒子，在磁場中做圓周運動，當它的速率增大時，其周期怎樣改變？ ③速率不同、質量也不同的兩帶電粒子進入同一磁場做圓周運動，若它們的周期相同，則它們相同的物理量還有哪個？ 4．速度選擇器的工作原理 提問：①帶電粒子（帶正電）q以速度v垂直進入勻強電場，受電場力作用，運動方向將發(fā)生偏轉，如圖2所示。若在勻強電場范圍內再加一個勻強磁場，使該帶電粒子的運動不偏轉，求所加勻強磁場的方向和磁感應強度的大小。 引導學生利用所學知識自己分析得出結論。 分析：電荷進入電場，受垂直向下的電場力作用而偏轉，若使它不發(fā)生偏轉，電荷受所加磁場的洛倫茲力方向一定與電場力方向相反，根據(jù)左手定則和洛倫茲力方向確定磁場方向：垂直紙面、背向讀者，如圖3所示。 因為= 若我們在該裝置前后各加一塊擋板，讓電量相同的不同速度的帶電粒子從前邊擋板中小孔射入，經(jīng)過勻強電場和磁場，只有其運動速度剛好滿足f洛=F安的粒子運動軌跡不發(fā)生偏轉，從第二塊擋板上小孔中射出。改變勻強電場或勻強磁場的大小，就可以得到不同速度的帶電粒子。這個裝置就叫做速度選擇器。由上面的關系很容易推導出通過速度選擇器的帶電粒子的速度大小v=E/B. ②若將一個能通過某速度選擇器的正電荷換成一個電量相等速度不變的負電荷，它還能通過該速度選擇器嗎？為什么？ 回答：能。因為雖然它所受電場力和洛倫茲力方向都與正電荷方向相反，但大小仍然相等，其合力仍然為零，所以能通過。 5．質譜儀 提問：①當氫的三種同位素氕()、氘()、氚()以相同的速度垂直進入同一勻強磁場，如圖4，求它們運動的軌道半徑之比是多少？ 分析：、、在勻強磁場中做圓周運動，作為向心力，分別有： 以上裝置就是質譜儀，它可以很方便地幫助我們發(fā)現(xiàn)一些元素的同位素，或計算一些帶電粒子的質量或荷質比。 （三）課堂小結 帶電粒子垂直進入勻強磁場時，受到一個大小不變而且始終與其速度方向垂直的洛倫茲力作用，此力對帶電粒子不做功，只改變粒子的速度方向，不改變其速度大小，粒子將做勻速圓周運動，其軌道半徑為。對于同種帶電粒子，R與v成正比，與B成反比。對于不同的帶電粒子（質量、電荷不相同），其R與mv成正比，與Bq成反比，其周期，即T與粒子運動速度v和半徑R無關，與荷質比和B的乘積成反比。 (四)布置作業(yè)：把課本182頁練習四(1)、(2)、(3)做在作業(yè)本上，（4）、（5）、（6）做課本上。 六、教學說明 1．本節(jié)在研究帶電粒子在磁場中做圓周運動的規(guī)律時，首先要強調“在勻強磁場中”和“v垂直于B”這兩個條件。 2．軌道半徑和周期的推導應強調推導的過程和涉及的舊知識，對于導出的結果和不要光讓學生死記硬背，而重點應放在對其結果的討論上，使學生理解該結論的內涵和外延。 3．在上述問題都很好地掌握的基礎上，再講速度選擇器和質譜儀，這兩部分內容其實就是新舊知識的實際應用。 4．關于帶電粒子在磁場中的偏轉量計算問題，因用到不少平面幾何知識，可放在以后的習題課中解決。