带电粒子在磁场中的运动材料

1、 2005绍兴县高二物理备课会议交流材料绍兴县高二物理备课会议交流材料一、教 材 分 析 n（一）教材的地位n 本章是电磁学基础知识的重要部分。全章建立了磁场的概念，阐明了描述磁场的基本物理量，讨论了磁场对电流及运动电荷的作用规律，揭示了磁现象的电本质。这些都是进一步学习电磁感应、交变电流、电磁振荡与电磁波、原子物理等后继课程所不可缺少的重要基础，应引起充分的重视。（二）教材的结构 本章可分为四个单元：第一单元：第一节，在复习初中内容的基础上，讲述永磁体的磁现象、磁感线及电流的磁场。第二单元：第二、三两节，在研究磁场对通电导线的安培力大小的基础上引入磁感应强度的概念，明确了安培力的方向及电流表

2、的工作原理。第三单元：第四、五、六三节，讨论了磁场对运动电荷的作用，确立了洛伦兹力的大小和方向，阐明了带电粒子在匀强磁场中的运动规律，介绍了质谱仪和回旋加速器的工作原理。第四单元：第七节，介绍了安培分子电流假说、磁性材料及其应用（三）目标与要求 n1正确理解磁感应强度的概念和磁感线的概念。n2掌握磁场对通电导线的作用力-安培力。n3知道磁电式仪表的工作原理。n4掌握磁场对运动电荷的作用力-洛伦兹力。n5掌握带电粒子在匀强电场中做圆周运动的规律。n 6理解回旋加速器的工作原理。 （四）重点和难点n 本章中的永磁体的磁现象、电流的磁场、磁场对电流的作用等内容，在初中物理中已经初步学过，但本章教材不

3、是初中教材的简单重复，而是在初中对磁现象的描述和定性地讨论磁场对电流的作用规律的基础上，提高到定量地研究磁场的特性、磁场对电流和运动电荷的作用规律以及认识磁现象的本质。在本章教学中要突出这种由现象到本质、由定性到定量的认识上的飞跃。因此，本章教材的重点是：描述磁场特性的基本物理量-磁感应强度，表达磁场对电流和运动电荷作用规律的基本公式和基本定则-安培力公式、洛伦兹力公式和左手定则。 上述重点内容对初学者来说都有一定难度，其中尤其是对磁感应强度的定义、洛伦兹力公式的导出、带电粒子在匀强磁场中的运动以及带电粒子在复合场中运动问题的分析方法等等，学生往往不能正确理解和掌握，是教学中的难点，在教学中要

4、十分注意讨论问题的逻辑和思想方法。 二、教 法 研 究n本章教材的中心是研究磁场的特性及有关的规律，因此磁感应强度B是本章的中心概念。教学时，首先研究磁场的形象化描述，引出磁感线的概念，然后在研究磁场对通电导线作用力-安培力大小的基础上，给出磁感应强度B的概念，再依次研究磁场对电流和运动电荷的作用力的规律及其在实际中的各种应用。这样围绕着磁感应强度B这个中心概念，形成了本章的基本框架。（一）关于磁感应强度的引入 n可以根据磁场对通电导线作用来定义 n也可以根据磁场对运动电荷的作用来定义 n还可以根据对通电线圈的作用来定义等 n中学教材通常都是根据磁场对通电导线的作用来定义的,它和电场中定义电场

5、强度E一样，都是通过比值来定义的。这里想就物理量的定义问题，做较为深入的说明。 一个物理量的定义要符合两个要求： n定义所确定的物理量的量值能定量地表征事物的物理性质或特征； n定义本身符合事物的客观实际，即从定义得到的量值受该事物所制约。 n例如关于磁感应强度的定义，在实验中我们看到：垂直放入磁场中的通电导线受到的磁场力的大小F跟通过的电流I和导线的长度l成正比，即F跟乘积Il成正比，比值 跟乘积Il无关，是一个恒量；将通电导线放在磁场中不同的地方，这个比值一般是不同的，可见比值 能反映磁场的一种性质。反映出磁场的什么性质呢？我们分析一下这个比值的大小意味着什么。比值 在数值上等于垂直放入磁

6、场中的通以单位电流的单位长度的导体所受的磁场力的大小，这个比值越大，说明垂直放入磁场中的通以单位电流的单位长度的导体所受的磁场力就越大，因此，它能够定量地反映出磁场的强弱，我们就用它来定义一个描述磁场强弱的物理量-磁感应强度。而这个定义本身又符合客观实际，即定义的量值为磁场本身的性质所制约。 （二）要使学生明确，有关判定方向的定则，都是人为规定的 n在物理学中，为了判定某个物理量的方向，常采用一些简单易行的方法。这些方法，（即所谓的定则）在磁场及电磁感应的教学中，有着广泛的应用，并构成相关教学内容必不可少的组成部分。 教学中应注意以下几点： n同一物理量方向的判定方法可以是多种的；运用某一定则

7、时，要对相关物理量作已知、未知的区分，教师要有意识地变更由某一定则所联系的几个物理量的已知、未知情况，让学生比较熟练和灵活地应用这一定则。例如本章的安培定则和左手定则即是如此。 顺便说明一下，在进行安培定则右手握螺线管的教学时，要在复习初中内容的基础上上升到磁感线的高度，同时要使学生会识别直线电流、环形电流和通电螺线管三种常见磁场的磁感线的立体图及纵、横截面图并掌握其画法。磁感线：在磁场中画一系列有向曲线，这些曲线上每一点的切线磁感线：在磁场中画一系列有向曲线，这些曲线上每一点的切线方向，表示该点的磁场方向。曲线的疏密能定性地表示磁场的强方向，表示该点的磁场方向。曲线的疏密能定性地表示磁场的强

8、弱。磁感线都是闭合曲线。弱。磁感线都是闭合曲线。（三）要突出磁场对电流的作用力这一教学重点 n磁场对电流的作用力在教材中起着承上启下的作用，是本章的一个教学重点。这是因为它不仅是研究磁场性质的出发点，而且又是研究磁电式电表的工作原理及洛伦兹力的基础。在教学中要注意以下几点： 要注意磁感应强度的定义式 与安培力公式 的区别。n公式 是据给定磁场中的给定点上的检验电流（电流元）的受力情况，确定这一位置的磁场的性质，它对任何磁场中的任何点都是适用的；而公式 是在已知磁场性质的基础上，确定在给定位置上给定的一小段通电直导线的受力情况，中学阶段，它只适用于匀强磁场。教师应给学生指出，物理公式在作数学的等

9、价变形时，其物理意义和适用范围都将发生变化，这是运用数学解决物理问题时要引起注意而又常被学生所忽视的问题。 要注意安培力公式 与洛伦兹力公式 的联系。 n教师在此也可以结合电流、电量、速度、位移知识对这两个公式中的各个物理量的相互联系作些粗略地说明 要使推理分析与实验观察协调配合 n在完成了宏观的安培力教学之后，如何引入并进行微观的洛伦兹力的教学，可以有两种方法：第一种方法是由分析推理到实验验证，即在对安培力公式 进行逐量分析并微观解释之后，导出洛伦兹力公式 ，然后再通过阴极射线束在磁场中的偏转得以验证；第二种方法是由实验观察到分析论证，正好和第一种方法相反。方法一由宏观到微观，教学内容的联系

10、比较自然；方法二由现象到本质，教学过程比较生动。两者都易于激起学生学习的兴趣，有利于培养学生的观察、分析能力，符合人的认识规律，因此很难区分孰优孰劣，教师可以在教学中酌情选用。 n目前的中学教材是根据磁场对电流有作用力和电流是电荷的定向运动提出假设：磁场对运动电荷有作用力，再通过实验验证得出存在洛伦兹力的结论。“假设实验验证”体现了科学的思维方法，要让学生体会借助实验证明洛伦兹力存在是非常重要的一步。因此，要注意讲清楚实验原理：电子束的产生荧光屏上的径迹磁场对电子束的作用。要让学生注意观察电子束是否偏转。（四）关于洛伦兹力的方向 n教材直接指出洛伦兹力方向仍用左手定则判定，但强调要注意正电荷运

11、动方向与电流方向相同，负电荷运动方向与电流方向相反。教学实践表明，学生在初用左手定则时容易犯一个错误：把四指指向电荷的运动方向而忘了区分电荷的正负。在教学中要特别强调左手定则中四指的指向是指电流的方向，对负电荷一定要注意其运动方向与电流方向相反。阴极射线管实验中电子束的偏转方向与电子束运动方向、磁场方向间的关系是验证左手定则很好的例子，可让学生用左手定则判定后再演示实验现象作为验证。 （五）关于带电粒子在匀强磁场中的运动 n带电粒子在匀强磁场中的运动是本章的又一重点，也是教学中的难点所在。这是洛伦兹力的应用问题，它与平面几何有密切的联系，建议在教学中，除了让学生深入理解轨道半径和周期的基本规律

12、外，还必须特别注意让学生掌握确定轨道圆心的基本方法以及速度偏向 角 、回旋角 和弦切角 的定量关系。 高考要求高考要求考向指南考向指南1、洛仑磁力、洛仑磁力 2、带电粒子在磁场中的圆、带电粒子在磁场中的圆周运动周运动 3、带电粒子在复合场中的、带电粒子在复合场中的运动运动 4、质谱仪、回旋加速器、质谱仪、回旋加速器 1、本考点一般考查带、本考点一般考查带电粒子受包括洛仑磁力电粒子受包括洛仑磁力在内的多个力作用时复在内的多个力作用时复杂综合性力学问题；杂综合性力学问题；2、高考中以大计算题、高考中以大计算题出现；出现；3、近、近5年高考重现率为年高考重现率为100%。说明：只要求掌握说明：只要求

13、掌握v跟跟B平行或垂直两种情况下的洛仑磁力。平行或垂直两种情况下的洛仑磁力。n在洛伦兹力作用下，一个作匀速圆周运动的粒子，不论沿顺时针方向还是逆时针方向，从A点运动到B点，均具有三个重要特征：轨道圆心O总是位于A、B两点洛伦兹力f作用线的交点上或AB弦的中垂线 与A、B两点中任一点洛伦兹力f作用线的交点；粒子的速度偏向角 等于回旋角 ，并等于AB弦与切线的夹角（弦切角 ）的两倍，即 ；相对的弦切角 相等，与相邻的弦切角 互补。 画轨迹、找圆心、求半径 n“画轨迹”通常有三种情况：已知偏向角，根据弦切角相等，临界情况画相切；n “找圆心”则根据上述介绍的第一条特征来找； n求半径这一步应该得出两

14、个结果，一是根据物理规律，即根据洛伦兹力提供向心力来求，另一是根据几何特征来求。 抓一式，求十量 n抓住洛伦兹力提供向心力这个式子，求出线速度角速度回旋半径回旋周期回旋频率比荷动量动能洛伦兹力的功（洛伦兹力永不做功）洛伦兹力的冲量。n 三、带电粒子在有界磁场中做圆周运动的分析方法三、带电粒子在有界磁场中做圆周运动的分析方法1、首先确定圆心：、首先确定圆心：一个基本思路：一个基本思路：圆心一定在与速度方向垂直的直线上。圆心一定在与速度方向垂直的直线上。两个常用方法：两个常用方法：（1）已知入射方向和出射方向时，可通过入射点）已知入射方向和出射方向时，可通过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向

15、的直线，两直线的交点就是和出射点作垂直于入射方向和出射方向的直线，两直线的交点就是圆弧轨道的圆心（如图甲）；（圆弧轨道的圆心（如图甲）；（2）已知入射方向和出射点的位置）已知入射方向和出射点的位置时，可通过入射点作入射方向的垂线，连接入射点和出射点，作其时，可通过入射点作入射方向的垂线，连接入射点和出射点，作其中垂线，这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心（如图乙）中垂线，这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心（如图乙）2、半径的确定和计算、半径的确定和计算利用平面几何关系，求出该圆的可能半径和圆心角。利用平面几何关系，求出该圆的可能半径和圆心角。注意两个重要的几何特点两个重要的几何特点（1）粒子速度

16、的 偏转角（）等于回旋角（）并等于AB弦与切线的夹角（弦切角）的两倍（如图所示），即= =2；（2）相对的弦切角（）相等，与相邻的弦切角（）互补，即+ =18003、运动时间的确定、运动时间的确定粒子在磁场中运动一周的时间为粒子在磁场中运动一周的时间为T，当粒子运动的圆弧所对应的圆心，当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为角为时，其运动时间可由下式表示：时，其运动时间可由下式表示：Tt0360Tt2（六）关于洛伦兹力在科技中的应用 n质谱仪，磁流体发电（学生应理解其工作原理，会计算电动势和发电通道两端的压强差），速度选择器，回旋加速器（注意带电粒子的运动轨迹不等间距），磁偏转（包括汤姆逊测定电子比荷

17、的实验和电视机显像管的行、场磁偏转等，教师要注意显像管的行、场磁偏转的不同），磁聚焦（在高中可作为拓展性介绍），霍尔效应，测定导电液体的电阻（该装置可作为磁强计），电磁泵，电磁流量计（既可以放在本章研究，也可以到电磁感应部分再讨论，但如果从微观机制上说，最好放在本章来研究）等。 （七）关于带电体在复合场中的运动 n是高中物理教学中的难点，难就难在既要全面、准确地分析带电体所受各个力的大小和方向，又要掌握带电体所受的各个力的特点。n如洛伦兹力的方向总与速度方向垂直，永不做功；电场力、重力做功与路径无关等。 n灵活地运用各种力学规律如平衡条件、牛顿运动定律、动量守恒定律、功能关系等。 n还要有一定的三维空间