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2019-2020年高中物理《帶電粒子在磁場中的運動 》教案12 新人教版選修3-1 一、教學(xué)目標(biāo) 1．根據(jù)洛侖茲力的特點，理解帶電粒子垂直進(jìn)入磁場做勻速圓周運動。 2．以洛侖茲力為向心力推導(dǎo)出帶電粒子在磁場中做圓運動的半徑r= 3．掌握速度選擇器和質(zhì)譜儀的工作原理和計算方法。 二、重點、難點分析 1．洛侖茲力f=Bqv的應(yīng)用是該節(jié)重點。 2．洛侖茲力作為向心力，是使運動電荷在磁場中做勻速圓周運動的 本節(jié)的難點。 3．對速度選擇器和質(zhì)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 洛侖茲力演示儀。 四、主要教學(xué)過程 （一）引入新課 1．提問：如圖所示，當(dāng)帶電粒子q以速度v分別垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中，它們將做什么運動？（如圖1所示） 回答：平拋和勻速圓周運動。 在此學(xué)生很有可能根據(jù)帶電粒子進(jìn)入勻強(qiáng)電場做平拋運動的經(jīng)驗，誤認(rèn)為帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場也做平拋運動。在這里不管學(xué)生回答正確與錯誤，都應(yīng)馬上追問：為什么？引導(dǎo)學(xué)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——洛侖茲力演示儀。 3．看掛圖，比較帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場和磁場這兩種情況下軌跡的差別。 （二）教學(xué)過程設(shè)計 1．帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場的軌跡（板書） 提問： ①f洛 在什么平面內(nèi)？它與v的方位關(guān)系怎樣？ ②f洛 對運動電荷是否做功？ ③f洛 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(xué)生的回答，展開討論，讓同學(xué)自己得出正確的答案，強(qiáng)化上節(jié)所學(xué)知識——洛侖茲力產(chǎn)生條件，洛侖茲力大小、方向的計算和判斷方法。 結(jié)論：（板書）①帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場，其初速度v與磁場垂直，根據(jù)左手定則，其受洛侖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(nèi)，所以粒子只能在該平面內(nèi)運動。 ②洛侖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，這時洛侖茲力的大小f=Bqv也是恒定的。 ③洛侖茲力對運動粒子不做功。 ④洛侖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？ F心=f洛=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(zhì)量m、速度v和半徑r的關(guān)系如何？ F心=mv2／r （2） 進(jìn)而由學(xué)生自己推出 討論： ①粒子運動軌道半徑與哪些因素有關(guān)，關(guān)系如何？ ②質(zhì)量不同電量相同的帶電粒子，若以大小相等的動量垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？ ③速度相同，荷質(zhì)比不同的帶電粒子垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)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(guān)系？ 周長=2πr ②圓周運動的周期與周長和速率的關(guān)系如何？ ③推出帶電粒子在磁場中的周期 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(guān)？關(guān)系如何？ ②同一帶電粒子，在磁場中做圓周運動，當(dāng)它的速率增大時，其周期怎樣改變？ ③速率不同、質(zhì)量也不同的兩帶電粒子進(jìn)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(jìn)入勻強(qiáng)電場，受電場力作用，運動方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖2所示。若在勻強(qiáng)電場范圍內(nèi)再加一個勻強(qiáng)磁場，使該帶電粒子的運動不偏轉(zhuǎn)，求所加勻強(qiáng)磁場的方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。 引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識自己分析得出結(jié)論。 分析：電荷進(jìn)入電場，受垂直向下的電場力作用而偏轉(zhuǎn)，若使它不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電荷受所加磁場的洛侖茲力方向一定與電場力方向相反，根據(jù)左手定則和洛侖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 f洛=F安 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(qiáng)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(zhuǎn)，從第二塊擋板上小孔中射出。改變勻強(qiáng)電場或勻強(qiáng)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(guān)系很容易推導(dǎo)出通過速度選擇器 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(fù)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侖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(zhì)譜儀 同的速度垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，如圖4，求它們運動的軌道半徑之比是多少？ 別有： 以上裝置就是質(zhì)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(zhì)量或荷質(zhì)比。 （三）課堂小結(jié) 帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)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侖茲力作用，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r= 粒子（質(zhì)量、電荷不相同），其r與mv成正比， 五、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(qiáng)調(diào)“在勻強(qiáng)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(dǎo)應(yīng)強(qiáng)調(diào)推導(dǎo)的過程和涉及的舊知識，對于 對其結(jié)果的討論上，使學(xué)生理解該結(jié)論的內(nèi)涵和外延。 3．在上述問題都很好地掌握的基礎(chǔ)上，再講速度選擇器和質(zhì)譜儀，這兩部分內(nèi)容其實就是新舊知識的實際應(yīng)用。 4．關(guān)于帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)量計算問題，因用到不少平面幾何知識，可放在以后的習(xí)題課中解決。