高中物理《帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)》教案9 新人教版選修3-1

1、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)目標(biāo)一、知識(shí)與技能1.理解洛倫茲力對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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.4.知道質(zhì)譜儀的工作原理5.知道回旋加速器的基本構(gòu)造及工作原理二、過程與方法1.通過帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的討論過程，培養(yǎng)學(xué)生的分析綜合能力2.通過半徑公式和周期公式的推導(dǎo)過程，培養(yǎng)學(xué)生的理解能力和推理能力3.通過回旋加速器的教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀1.通過講述帶電粒子在科技、生產(chǎn)與生活

2、中的典型應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、致力于科學(xué)研究的價(jià)值觀。2.回旋加速器是一種高科技的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過該問題的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生的視野.教學(xué)重點(diǎn)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑公式和周期公式，并能用來分析解決有關(guān)問題教學(xué)難點(diǎn)1.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的條件2.回旋加速器的工作原理與加速條件教學(xué)資源演示儀器：洛侖茲力演示儀教學(xué)設(shè)計(jì)一、引入新課問：什么叫洛倫茲力？其大小和方向怎樣確定？問：垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)的帶電粒子，在洛倫茲力的作用下，將會(huì)偏離原來的運(yùn)動(dòng)方向。那么，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡是怎樣的呢？二、新課教學(xué)1.運(yùn)動(dòng)軌跡演示：首先簡(jiǎn)介洛倫茲力演示儀，接著演示電子射線管內(nèi)的

3、電子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓.問：為什么在vB的條件下，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓形呢？電子做的是勻速圓周運(yùn)動(dòng)嗎？請(qǐng)同學(xué)們?cè)囍脤W(xué)過的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)進(jìn)行論證.答：當(dāng)帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，粒子的初速度和所受洛倫茲力的方向都在跟磁場(chǎng)方向垂直的平面內(nèi)，沒有任何作用使粒子離開這個(gè)平面，所以粒子只能在這個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng).因?yàn)槁鍌惼澚偸歉Ｗ拥倪\(yùn)動(dòng)方向垂直，對(duì)粒子不做功，根據(jù)動(dòng)能定理粒子運(yùn)動(dòng)的速率不變，洛倫茲力只改變粒子的運(yùn)動(dòng)方向.這時(shí)洛倫茲力F=qvB大小不變，方向總與粒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直且指向圓心，因此帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng).過渡：既然帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，

4、那么圓周的軌道半徑和周期與哪些因素有關(guān)呢？2.軌道半徑和周期問：一帶電粒子的質(zhì)量為m，電荷量為q，速率為v，它在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，求軌道半徑有多大？提示：什么力提供了帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力？學(xué)生推導(dǎo)：根據(jù)洛倫茲力提供向心力得方程：qvB=m由此解得軌道半徑為：r=問：請(qǐng)同學(xué)們利用勻速圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)求軌道周期.學(xué)生推導(dǎo)：將r=代入周期公式T=，解得軌道周期T=小結(jié)：公式r=表明，帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與粒子的速度成正比，與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成反比公式T=表明，帶電粒子在磁場(chǎng)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)3質(zhì)譜儀投影提問：如圖所示，一質(zhì)量

5、為m，電荷量為q的粒子從容器A下方小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，最后打到底片D上.(1)粒子在S1區(qū)做什么運(yùn)動(dòng)?(2)在S2區(qū)做何種運(yùn)動(dòng)，在S3區(qū)將做何種運(yùn)動(dòng)? (3)粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率？(4)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑？解析：（1）由于S1區(qū)有加速電場(chǎng)，故帶電粒子在電場(chǎng)力的作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng).（2）在S2區(qū)帶電粒子不受任何力的作用，故帶電粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)；在S3區(qū)有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，故帶電粒子在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng).（3）粒子進(jìn)入加速電場(chǎng)時(shí)的速度很小，可以認(rèn)為等于零.粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率v等于它在電場(chǎng)中被加速而得到的速率.由動(dòng)能定理可知

6、，粒子在電場(chǎng)中得到的動(dòng)能等于電場(chǎng)對(duì)它所做的功，即qU=mv2由此可解出v=（4）粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中后，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，據(jù)洛倫茲力提供向心力，有qvB=m解得r=小結(jié)：電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子，它們進(jìn)入磁場(chǎng)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.每一條譜線對(duì)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，就可以算出它的質(zhì)量，這種儀器叫做質(zhì)譜儀。質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì)的，是一種十分精密的測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要儀器。4回旋加速器過渡：在現(xiàn)代物理學(xué)中，為了研究

7、物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，人們往往利用能量很高的帶電粒子作為“炮彈”，去轟擊各種原子核，以觀察它們的變化規(guī)律.怎樣才能在實(shí)驗(yàn)室大量地產(chǎn)生高能量的帶電粒子呢？這就要用到一種叫加速器的實(shí)驗(yàn)設(shè)備.問：用什么方法可以加速帶電粒子？答：可以利用電場(chǎng)來加速.問：根據(jù)圖示條件，帶電粒子被加速后獲得了多少能量？答：根據(jù)動(dòng)能定理帶電粒子獲得的動(dòng)能Ek=mv2=qU.問：在帶電粒子一定的條件下，要獲得高能量的帶電粒子，可采取什么方法？答：帶電粒子一定，即q、m一定，要使粒子獲得的能量增大，可增大加速電場(chǎng)兩極板間的電勢(shì)差.問：在實(shí)際中能夠達(dá)到的電壓值總是有限的，不可能太高，因而用這種方法加速粒子，獲得的能量很有限，一般只能達(dá)

8、到幾十萬至幾兆電子伏.我們能否設(shè)法突破電壓的限制，使帶電粒子獲得更大的能量呢？答：可以多加幾個(gè)電場(chǎng)，讓帶電粒子逐一通過它們問：由于粒子在加速過程中的徑跡為直線，其加速裝置要很長(zhǎng)很長(zhǎng)。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的注入器部分，就是一個(gè)全長(zhǎng)200多米的直線加速器.這類加速器固然有其優(yōu)點(diǎn)，但它的設(shè)備一字兒排開，往往很長(zhǎng).于是，我們自然會(huì)想到：能否尋找一種既可使帶電粒子實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速，又不必增加設(shè)備長(zhǎng)度的方法呢？提示：如果只用一個(gè)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過加速后還能再次返回，那就好了.用什么方法才能使粒子自動(dòng)返回呢？答：外加磁場(chǎng)。利用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，可使它重返電場(chǎng)，再次加速.問：如左下圖所示.設(shè)位于

9、加速電場(chǎng)中心的粒子源發(fā)出一個(gè)帶正電粒子，以速率v0垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中.如果它在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的協(xié)同配合下，不斷地得到加速，你能大致畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡嗎？請(qǐng)每位同學(xué)都動(dòng)手試試. 學(xué)生作圖，教師巡回指導(dǎo)，并請(qǐng)一位同學(xué)把畫出的軌跡投影在屏幕上，如右上圖所示.問：從畫出的軌跡看，是一條半徑越來越大的許多半圓連成的曲線，這是什么緣故？答：根據(jù)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑公式r=，隨著粒子不斷加速，它的速度越來越大，因此半徑也相應(yīng)增大.問：為使帶電粒子不斷得到加速，提供加速電壓的電源應(yīng)符合怎樣的要求？答：要采用交變電源，且必須使電源極性的變化與粒子的運(yùn)動(dòng)保持同步.具體地說，正粒子以速度v0進(jìn)入磁場(chǎng)，當(dāng)它運(yùn)動(dòng)

10、半周后到達(dá)A1時(shí)，電源極性應(yīng)是“A正A負(fù)”，粒子被電場(chǎng)加速，速度從v0增加到v1.然后粒子繼續(xù)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半周，當(dāng)它到達(dá)A2時(shí)，電源極性又及時(shí)地變?yōu)椤癆負(fù)A 正”，使粒子再次加速，速率從v1增加到v2問：從剛才的分析可以看出，電場(chǎng)的作用是使粒子加速，磁場(chǎng)的作用則使粒子回旋，兩者分工明確，同時(shí)它們又配合默契：電源交替變化一周，粒子被加速兩次，并恰好回旋一圈。隨著粒子不斷加速，它的速度和半徑都在不斷增大，為了滿足同步條件，電源的頻率也要相應(yīng)發(fā)生變化嗎？答：不需變化，因?yàn)閹щ娏Ｗ釉趧驈?qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期T=，與運(yùn)動(dòng)速率無關(guān).介紹：對(duì)于給定的帶電粒子，它在一定的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期是恒定的.有了這一條，

11、我們就可免去隨時(shí)調(diào)整電源頻率以求同步的麻煩，為回旋加速提供了極大的便利.早在1932年，美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯就發(fā)明了回旋加速器，從而使人類在獲得較高能量的粒子方面邁進(jìn)了一大步.為此，勞倫斯獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).介紹：回旋加速器主要構(gòu)造分別有D形盒、強(qiáng)電磁鐵、交變電源、粒子源、引出裝置等.問：兩個(gè)空心的D形金屬盒是它的核心部分，同學(xué)們能說出它的作用嗎？答：這兩個(gè)D形盒就是兩個(gè)電極，可在它們的縫間形成加速電場(chǎng)；它還起到靜電屏蔽的作用，使帶電粒子在金屬盒內(nèi)只受洛倫茲力作用而做勻速圓周運(yùn)動(dòng).問：帶電粒子的最高能量與哪些因素有關(guān)？答：在回旋加速器的最大半徑和磁場(chǎng)都確定的條件下，帶電粒子能達(dá)到的最大速率為vm=，則相應(yīng)的最高能量為Em=mvm2=.這就告訴我們，對(duì)于給定的帶電粒子來說，它所能獲得的最高能量與D形電極半徑的平方成正比，與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比，而與加速電壓無直接關(guān)系.介紹：如果盡量增強(qiáng)