3.6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動教案

1、最新 料推薦3.6 、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動（2 課時 +1 練習(xí)）一、 教學(xué)目標(biāo)（一）知識與技能1、理解洛倫茲力對粒子不做功.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，粒子在勻磁場中做勻速圓周運(yùn)動 .3、會推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的半徑、周期公式，并會用它們解答有關(guān)問題 . 知道質(zhì)譜儀的工作原理。4、知道回旋加速器的基本構(gòu)造、工作原理、及用途。（二）過程與方法通過綜合運(yùn)用力學(xué)知識、電磁學(xué)知識解決帶電粒子在復(fù)合場（電場、磁場）中的問題.培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力.（三）情感態(tài)度與價值觀通過對本節(jié)的學(xué)習(xí)，充分了解科技的巨大威力，體會科技的創(chuàng)新歷程。二、重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：

2、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的半徑和周期公式，并能用來分析有關(guān)問題 .難點(diǎn)： 1. 粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動.2. 綜合運(yùn)用力學(xué)知識、電磁學(xué)知識解決帶電粒子在復(fù)合場中的問題.三、教具 ：洛倫茲力演示儀、感應(yīng)線圈、電源、多媒體等四、教學(xué)過程：（一）復(fù)習(xí)引入問題 1什么是洛倫茲力？磁場對運(yùn)動電荷的作用力問題 2帶電粒子在磁場中是否一定受洛倫茲力？不一定，洛倫茲力的計(jì)算公式為F=qvBsin ， 為電荷運(yùn)動方向與磁場方向的夾角，當(dāng) =90時， F=qvB; 當(dāng) =0時， F=0. 問題 3帶電粒子垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場時會做什么運(yùn)動呢？今天我們來學(xué)習(xí)帶電粒子在 勻強(qiáng) 磁場中的運(yùn)動、

3、質(zhì)譜儀.（二）新課講解- 第六節(jié)、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動【演示】先介紹洛倫茲力演示儀的工作原理，由電子槍發(fā)出的電子射線可以使管內(nèi)的低壓水銀蒸氣發(fā)出輝光，顯示出電子的徑跡。后進(jìn)行實(shí)驗(yàn). （并說明相關(guān)問題104-105 頁）教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在暗室中可以清楚地看到，在沒有磁場作用時，電子的徑跡是直線；在管外加上勻強(qiáng)磁場 （這個磁場是由兩個平行的通電環(huán)形線圈產(chǎn)生的），電子的徑跡變彎曲成圓形.教師引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論當(dāng)帶電粒子的初速度方向與磁場方向垂直時，粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動.帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中的受力及運(yùn)動情況分析（動態(tài)課件）.一是要明確所研究的物理現(xiàn)象的條件-在勻強(qiáng)磁場

4、中垂直于磁場方向運(yùn)動的帶電粒子。二是分析帶電粒子的受力情況，用左手定則明確帶電粒子初速度與所受到的洛倫茲力在同一平面內(nèi)，所以只可能做平面運(yùn)動。三是 洛倫茲力不對運(yùn)動的帶電粒子做功，它的速率不變，同時洛倫茲力的大小也不變。四是根據(jù)牛頓第二定律，洛倫茲力使運(yùn)動的帶電粒子產(chǎn)生加速度 ( 向心加速度 )出示投影- 1 -最新 料推薦 . 電子受到怎樣的力的作用？這個力和電子的速度的關(guān)系是怎樣的？（電子受到垂直于速度方向的洛倫茲力的作用 . ） . 洛倫茲力對電子的運(yùn)動有什么作用？（. 洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大?。?. 有沒有其他力作用使電子離開磁場方向垂直的平面？（沒有力作用使電子離開

5、磁場方向垂直的平面） . 洛倫茲力做功嗎？（洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功）1 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動（ 1）、運(yùn)動軌跡：沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，粒子在垂直磁場方向的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，此洛倫茲力不做功.【注意】 帶電粒子做圓周運(yùn)動的向心力由洛倫茲力提供。通過“思考與討論” （ 105 頁），使學(xué)生理解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，的軌道半徑 r 和周期 T 與粒子所帶電量、質(zhì)量、粒子的速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么關(guān)系。出示投影一為帶電量 q，質(zhì)量為 m, 速度為 v 的帶電粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的勻強(qiáng)磁場中，其半徑 r和周期 T 為多大？問題 1什么力給帶電粒子做圓周運(yùn)

6、動提供向心力？洛倫茲力給帶電粒子做圓周運(yùn)動提供向心力問題 2向心力的計(jì)算公式是什么？2F=mv/r 教師推導(dǎo) 粒子做勻速圓周運(yùn)動所需的向心力=v 2是由粒子所受的洛倫茲力提供的，所F mr以= 2/r由此得出r= mv= 2 r2 m2 mqvB mvqBTqB可得 T=vqB（ 2）、軌道半徑和周期帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的軌道半徑及周期公式.1、軌道半徑r= mv2、周期T= qB2 m/ qB【說明】：（1）軌道半徑和粒子的運(yùn)動速率成正比.（2）帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的周期跟軌道半徑和運(yùn)動速率無關(guān).【討論】：在勻強(qiáng)磁場中如果帶電粒子的運(yùn)動方向不和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，它的

7、運(yùn)動軌道是什么樣的曲線？分析：當(dāng)帶電粒子的速度分別為垂直于B 的分量 v1 和平行于 B的分量 v2，因?yàn)?v1 和 B 垂直，受到洛倫茲力qv B，此力使粒子 q 在垂直于 B 的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，v和 B 平行，不11受洛倫茲力，故粒子在沿B 方向上做勻速曲線運(yùn)動，可見粒子的運(yùn)動是一等距螺旋運(yùn)動.再用洛倫茲力演示儀演示出示投影課本例題如圖所示，一質(zhì)量為m，電荷量為q 的粒子從容器A 下方小孔 S1 飄入電勢差為 U的加速電場，然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場中，最后打到底片D上 .(1) 粒子進(jìn)入磁場時的速率。- 2 -最新 料推薦(2) 求粒子在磁場中運(yùn)動的軌道半徑。解：（

8、1）粒子在 S1 區(qū)做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動. 由動能定理知，粒子在電場中得到的動能等于電場對它所做的功，即1 mv2qu2由此可得 v=2qu / m .2（ 2）粒子做勻速圓周運(yùn)動所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供，即qvB=mvr所以粒子的軌道半徑為r =mv/qB= 2mu / qB 2教師講解 r 和進(jìn)入磁場的速度無關(guān)，進(jìn)入同一磁場時，r m ，而且這些個量中， u、B、qr 可以直接測量，那么，我們可以用裝置來測量比荷或算出質(zhì)量。例題在處理上，可以讓學(xué)生自己處理，教師引導(dǎo)總結(jié)。為了加深對帶電粒子在磁場中的運(yùn)動規(guī)律的理解，可以補(bǔ)充例題和適量的練習(xí)。 注意：在解決這類問題時，如

9、何確定圓心、畫出粒子的運(yùn)動軌跡、半徑及圓心角，找出幾何關(guān)系是解題的關(guān)鍵。例題給我們展示的是一種十分精密的儀器-質(zhì)譜儀補(bǔ)充例題 : 如圖所示，半徑為 r 的圓形空間內(nèi)，存在著垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場，一個帶電粒子 （不計(jì)重力），從 A 點(diǎn)以速度 v0 垂直磁場方向射入磁場中，并從 B點(diǎn)射出，已知 AOB=120，求該帶電粒子在磁場中運(yùn)動的時間。分析：首先通過已知條件找到所對應(yīng)的圓心O，畫出粒子的運(yùn)動軌跡并畫出幾何圖形。解：設(shè)粒子在磁場中的軌道半徑為R，粒子的運(yùn)動軌跡及幾何圖形如圖所示。粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的向心力由洛倫茲力提供，2有 qvB=mv/R由幾何關(guān)系有： R = r tan60

10、o粒子的運(yùn)動周期 T =2 R/v0由圖可知 =60，得電粒子在磁場中運(yùn)動的時間t = T/ 6聯(lián)立以上各式解得：t =3 r /3 v0（ 3）、質(zhì)譜儀閱讀課文及例題，回答以下問題：1. 試述質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu) .2. 試述質(zhì)譜儀的工作原理 .3. 什么是同位素？4. 質(zhì)譜儀最初是由誰設(shè)計(jì)的？5. 試述質(zhì)譜儀的主要用途 .閱讀后學(xué)生回答：1. 質(zhì)譜儀由靜電加速極、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場、顯示屏等組成.2. 電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子，它們進(jìn)入磁場后將沿著不同的半徑做圓周運(yùn)動，- 3 -最新 料推薦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，每一條對應(yīng)于一定的質(zhì)量，從譜線的位

11、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，就可算出它的質(zhì)量 .3.質(zhì)子數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子互稱為同位素.4.質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì).5.質(zhì)譜儀是一種十分精密的儀器，是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具.- （ 1 課時）【過渡語】先從研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的需要出發(fā)提出怎樣大量產(chǎn)生高能帶電粒子的問題，從而引出早期使用的加速器靜電加速器2回旋加速器（ 1）直線加速器加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電的粒子動能增加，即qU = Ek直線加速器的多級加速：教材圖3 6 5 所示的是多級加速裝置的原理圖，由動能定理可知，帶電粒子經(jīng) N 級的電場加速后增加的動能

12、，E =q（ U+U+U+U+U）k1234n直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。（ 2）回旋加速器由美國物理學(xué)家勞倫斯于1932 年發(fā)明。其結(jié)構(gòu)教材圖 36 6 所示。核心部件為兩個D 形盒（加勻強(qiáng)磁場） 和其間的夾縫 （加交變電場）加速原理： 通過“思考與討論”讓學(xué)生自己分析出帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動的周期公式 T = 2 m/q B，明確帶電粒子的周期在q、m、 B 不變的情況下與速度和軌道半徑無關(guān)，從而理解回旋加速器的原理。在學(xué)生思考之后，可作如下的解釋：如果其他因素(q 、 m、 B) 不變，則當(dāng)速率 v 加大時，由 r=mv/qB 得知圓運(yùn)動半徑將

13、與v 成正比例地增大，因而圓運(yùn)動周長將與 v 成正比例地增大，因此運(yùn)動一周的時間( 周期 ) 仍將保持原值。最后提到了回旋加速器的效能( 可將帶電粒子加速，使其動能達(dá)到狹義相對論埋下了伏筆。老師再進(jìn)一步歸納各部件的作用：（如圖）2 r2 mv也qB25 MeV 30 MeV) ，為磁場的作用：交變電場以某一速度垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場后，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動，其周期在q、m、B 不變的情況下與速度和軌道半徑無關(guān)，帶電粒子每次進(jìn)入 D 形盒都運(yùn)動相等的時間（半個周期）后平行電場方向進(jìn)入電場加速。電場的作用： 回旋加速器的的兩個D形盒之間的夾縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個 D 形盒正對截面的勻強(qiáng)電場， 帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速。交變電壓的作用：為保證交變電場每次經(jīng)過夾縫時都被加速，使之能量不斷提高， 須在在夾縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動周期相同的交變電壓。帶電粒子經(jīng)加速后的最終能量：（運(yùn)動半徑最大為D 形盒的半徑R）2222由 R=mv/qB有 v=qBR/m 所以最終能量為Em=mv/2 = qB R/2m討論 ：要提高帶電粒子的最終能量，應(yīng)采取什么措施？