高中物理第五节《带电粒子在复合场中的运动》教案

第五节 带电粒子在复合场中的运动复习目标一、知识目标1.理解洛伦兹力对粒子不做功.2.理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀磁场中做匀速圆周运动.3.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题.4.知道质谱仪的工作原理.二、能力目标能综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场中的问题.三、德育目标培养学生的分析推理能力.复习重点掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并能用来分析有关问题.复习难点1.粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动.2.综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场中的问题.复习方法分析推导法、阅读法复习过程投影片出示本节课教学目标1.理解洛伦兹力对粒子不做功.2.理解带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.3.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径及周期公式.4.理解质谱仪工作原理.复习目标完成过程一、复习提问，问题什么是洛伦兹力？学生答磁场对运动电荷的作用力问题带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？学生答不一定，洛伦兹力的计算公式为 f=qvBsin ， 为电荷运动方向与磁场方向的夹角，当 =90时，f=qvB;当 =0时，f=0.问题带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？今天我们来学习带电粒子在磁场中的运动、质谱仪.二、理论复习归纳：演示实验介绍电子射线管的工作原理，进行实验.教师讲述电子射线管的工作原理：由电子枪发出的电子射线可以使管内的低压水银蒸气发出辉光，显示出电子的径迹.教师进行演示实验.实验现象在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场（这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的） ，电子的径迹变弯曲成圆形.教师引导学生分析得出结论当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.带电粒子垂直进入匀强磁场中的受力及运动情况分析.出示投影片1.电子受到怎样的力的作用？这个力和电子的速度的关系是怎样的？2.洛伦兹力对电子的运动有什么作用？3.有没有其他力作用使电子离开磁场方向垂直的平面？4.洛伦兹力做功吗？学生答1.电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用.2.洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小.3.没有力作用使电子离开磁场方向垂直的平面.4.洛伦兹力对运动电荷不做功.投影片出示板书带电粒子垂直进入匀强磁场中，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功.过渡句带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，其轨道半径 r 和周期 T 为多大呢？出示投影片一带电量为 q，质量为 m ,速度为 v 的带电粒子垂直进入磁感应强度为 B 的匀强磁场中，其半径 r 和周期 T 为多大？问题什么力给带电粒子做圆周运动提供向心力？学生答洛伦兹力给带电粒子做圆周运动提供向心力？问题向心力的计算公式是什么？学生答F=m rv2教师推导粒子做匀速圆周运动所需的向心力 F=m rv2是由粒子所受的洛伦兹力提供的，所以qvB=m rv2由此得出 r= qBvT= v可得 T= 2投影片出示例题例 1 H、 21、 e4它们以下列情况垂直进入同一匀强磁场，求轨道半径之比.（1）具有相同速度（2）具有相同动量（3）具有相同动能解答：依据 qvB=mv2/r 得 r=mv/qB（1）v 、 B 相同，所以 r qm，所以 r1r 2r 3= 1qm 2 3=122（2）因为 mv、 B 相同，所以 r1/q,r 1r 2r 3=221.（3） 2v相同，v ,B 相同，所以 r .所以 r1r 2r 3=1 1.例 2 如图所示，一质量为 m，电荷量为 q 的粒子从容器 A 下方小孔 S1 飘入电势差为 u 的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为 B 的磁场中，最后打到底片 D 上. (1)粒子在 S1 区做什么运动?(2)在 S2 区做何种运动，在 S3 区将做何种运动?(3)假如粒子沿一半圆运动打到底片 D 上，B 距离 D 多远？解答：(1)粒子在 S1 区做初速度为零的匀加速直线运动.（2）在 S2 区做匀速直线运动，在 S3 区做匀速圆周运动.（3）由动能定理知，粒子在电场中得到的动能等于电场对它所做的功，即 qumv1由此可得 v= m/2.粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径为 r=mv/qB= 2/qBmu教师讲解r 和进入磁场的速度无关，进入同一磁场时，r ，而且这些个量中，u、 B、 r 可以直接测量，那么，我们可以用装置来测量荷质比.阅读课文，回答以下问题：1.试述质谱仪的结构.2.试述质谱仪的工作原理.3.什么是同位素？4.质谱仪最初是由谁设计的？5.试述质谱仪的主要用途.阅读后学生回答：1.质谱仪由静电加速极、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成.2.电荷量相同而质量有微小差别的粒子，它们进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫质谱线，每一条对应于一定的质量，从谱线的位置可以知道圆周的半径 r，如果再已知带电粒子的电荷量 q，就可算出它的质量.3.质子数相同而质量数不同的原子互称为同位素.4.质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计.5.质谱仪是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具.投影片出示练习题1.匀强磁场中，有两个电子分别以速率 v 和 2v 沿垂直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？学生答因为电子在匀强磁场中的运动周期和电子的速率无关，所以两个电子同时回到原来的出发点.2.质子和一价钠离子分别垂直进入同一匀强磁场中做匀速圆周运动，如果它们的圆运动半径恰好相等，这说明它们在刚进入磁场时_A.速率相等 B.动量大小相等 C.动能相等 D.质量相等学生答B问题带电粒子在磁场和电场中受力有什么区别呢？教师引导学生分析得出结论1.电场对静止或运动的带电粒子都有电场力（库仑力）的作用.磁场只对运动的带电粒子有磁场力（洛伦兹力）的作用（条件是 v 与 B 不平行）.2.库仑力跟电场强度 E 的方向相同（正电荷）或相反（负电荷） ，洛伦兹力跟磁感应强度 B 的方向垂直.3.库仑力不受粒子运动速度的影响，洛伦兹力则与粒子运动速度有关.三、小结本节课我们主要复习了1.洛伦兹力对带电粒子不做功.2.带电粒子的初速度方向和磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.3.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题.4.知道质谱仪的工作原理.四、本节优化训练设计1.质子和 粒子由静止出发经同一加速电场加速后，沿垂直磁感线方向进入同一匀强磁场，则它们在磁场中的各个运动参量间的关系正确的是_A.动能之比为 12 B.速率之比为 21C.轨道半径之比为 2 D.运动周期之比为 122.如图所示，半径为 r 的圆形空间内，存在着垂直于纸面向里的匀强磁场，一个带电粒子（不计重力） ，从 A 点以速度 v0 垂直磁场方向射入磁场中，并从 B 点射出，AOB=120，则该带电粒子在磁场中运动的时间为_A.2 r/3v0 B.2 3 r/3v0C. r/3v0 D. r/3v03.如图所示，一束具有各种速率的带一个基本正电荷的两种铜离子，质量数分别为 63 和 65，水平地经小孔 S 进入有匀强电场和匀强磁场的区域，电场 E 的方向向下，磁场 B1 的方向垂直纸面向里.只有那些路径不发生偏折的离子才能通过另一个小孔 S，为了把从 S射出来的两种铜离子分开，让它们再进入另一个方向垂直纸面向外的匀强磁场 B2 中，使两种离子分别沿不同半径的圆形轨道运动，试分别求出两种离子的轨道半径.已知：E=1.0 105 V/m,B1=0.40 T，B 2=0.50 T，e =1.6010-19C质量数是 63 的铜离子质量 m1=631.6610-27 kg质量数是 65 的铜离子质量 m2=651.6610-27 kg4.长为 L 的水平板间，有垂直纸面向内的匀强磁场，如图所示，磁感应强度为 B，板间距离也为 L，板不带电，现有质量为 m，电量为q 的带正电粒子（不计重力） ，从左边极板间中点处垂直磁感线以速度v 水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是_A.使粒子的速度 v L5C.使粒子的速度 v BD.使粒子的速度 mq4m2m3 B.m3m2m1C.m1m 2=12 D.m2m 3=217.如图所示，一个质量为 m、带电量为 q 的粒子，以速度 v 垂直射入磁感应强度为 B 的匀强磁场中，粒子经过一段时间，受到的冲量大小为 mv，不计重力，则这段时间可能为_A.2 m/qB B. m/qBC. m/3qB D.7 m/3qB8.如图所示，一个带电粒子在 B=0.8 T 的匀强磁场中运动，其速度方向始终与磁场方向垂直，它从轨迹上 a 点运动到 b 点所用时间是 210-4 s，继续从 b 点再运动到 a 点所用时间为 1.010-3 s，已知 a、b 两点间的距离直线距离为 0.3 m，粒子的带电量是 310-8 C，不计粒子重力，该粒子运动量大小为_A.7.210-9 kgm/s B.3.610-9 kgm/sC.1.4410-8 kgm/s D.2.8810-8 kgm/s9.如图所示，一带电粒子垂直射入