高教版《技術(shù)物理 上冊》9-4 磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用教案

第第頁高教版《技術(shù)物理上冊》9-4磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用教案9-4磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用

一、教學(xué)目標(biāo)

1.理解洛倫茲力的概念,會(huì)判斷洛倫茲力的方向。

2.會(huì)解釋帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

3.理解回旋加速器的工作原理。

二、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)

重點(diǎn):洛倫茲力的概念及其應(yīng)用。

難點(diǎn):洛倫茲力的方向。

三、教學(xué)建議

教學(xué)建議

討論法,啟發(fā)法,講解法。

教學(xué)設(shè)計(jì)方案

（一）引入新課

上次課我們學(xué)習(xí)了安培定律,掌握了安培力的計(jì)算公式

F=BIlsinθ

和左手定則。磁場對電流有作用力,而電流是電荷定向移動(dòng)的結(jié)果，磁場對單個(gè)的運(yùn)動(dòng)電荷又有什么樣的作用呢

（二）引出新課內(nèi)容

1.洛倫茲力

從上次課的學(xué)習(xí)中,我們知道,磁場對電流有作用力，它實(shí)質(zhì)上是磁場對定向運(yùn)動(dòng)電荷的作用。我們把磁場對單個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力稱為洛倫茲力。我們從安培力入手來討論洛倫茲力的大小和方向。

(1)洛倫茲力的大小:設(shè)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場中。有一段長為的通電導(dǎo)線,導(dǎo)線中均勻分布著定向移動(dòng)速度相同的帶電粒子個(gè),其中每個(gè)粒子的電量為,若在時(shí)間t內(nèi)，個(gè)粒子全部通過導(dǎo)體橫截面，則導(dǎo)體中的電流強(qiáng)度。

因?yàn)镕=BIl,是個(gè)帶電粒子共同受到的力，l=vt，Q=nq，故每個(gè)帶電粒子受到的力（洛倫茲力）為:

F=qvB

當(dāng)速度方向與磁感強(qiáng)度方向成任意角α?xí)r

F=qvBsinα

式中F、q、v、B、α分別表示電荷所受洛倫茲力、帶電粒子的電荷量、粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的速度、勻強(qiáng)磁場的磁感強(qiáng)度及運(yùn)動(dòng)速度與磁感強(qiáng)度方向的夾角，其SI單位分別為N、C、m/s、T、rad。

分析:F的大小與α角的關(guān)系:

當(dāng)α=0°(即電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向在同一直線上)時(shí)，F(xiàn)=0，電荷不受力；

當(dāng)α=90°(即電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向垂直)時(shí)，電荷受到的洛倫茲力最大：F=qvB。

圖1帶電粒子進(jìn)入勻強(qiáng)磁場

強(qiáng)調(diào)：（1）由上所述分析可知：帶電粒子在磁場中不一定受洛倫茲力的作用。

（2）洛倫茲力與安培力本質(zhì)相同。

（3）洛倫茲力的方向，仍可用左手定則來判定：讓磁感線穿過手心，四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向（或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向），拇指所指的方向就是電荷所受洛倫茲力的方向。

注意：當(dāng)粒子帶正電荷時(shí)，左手四指的指向與其速度的方向一致；當(dāng)粒子帶負(fù)電荷時(shí)，左手四指的指向與其速度的方向相反。

2.帶電粒子在磁場中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)

當(dāng)帶電粒子垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中時(shí)，由于洛倫茲力的方向總是與電荷速度的方向垂直，所以洛倫茲力只改變運(yùn)動(dòng)速度的方向，而不改變速度的大小，因此帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，洛倫茲力成為帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力：

式中m為帶電粒子的質(zhì)量。由上式可求出粒子做圓周運(yùn)運(yùn)時(shí)的軌道半徑：

可以看出：當(dāng)一定時(shí)，和成正比，說明帶電粒子速度越大，它在磁場中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑越大。

粒子做圓周運(yùn)運(yùn)時(shí)的周期：

由此可知：與和無關(guān)。

3.公式應(yīng)用舉例

例題一個(gè)電子垂直磁場方向進(jìn)入一勻強(qiáng)磁場，設(shè)電子速度=1.0×107m/s,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2.0×10-2T,求電子所受洛倫茲力的大小和方向、電子在磁場中的回轉(zhuǎn)半徑以及回轉(zhuǎn)周期。

解已知=9.1×10-31kg，=1.6×10-19C,=1.0×107m/s,=2.0×10-2T,則電子所受洛倫茲力的大小為：

=（1.6×10-19×1.0×107×2.0×10-2）N=3.2×10-14N

洛倫茲力的方向,用左手定則判斷,如圖所示。在洛倫茲力的作

用下,電子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

m=m

s=s

4.回旋加速器的工作原理簡介圖2例題圖

圖3回旋加速器

回旋加速器是用來獲得高能帶電粒子的裝置。如圖3所示，在兩個(gè)強(qiáng)磁極之間放置著兩個(gè)D形電極，被加速的帶電粒子在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過半周，在兩D形電極之間的電場中被加速。每轉(zhuǎn)半周，電場方向改變一次，使得粒子每次經(jīng)過電場都恰好被加速。這樣，粒子回轉(zhuǎn)半徑越來越大，速度越來越大，直至能量足夠大，滿足高能物理實(shí)驗(yàn)的需要。

（三）小結(jié)

1.