课题案《带电粒子在磁场中的运动》教学设计.doc

课题案例高二物理选修31 3-6 带电粒子在匀强磁场中的运动教学设计郑传军（2012.11.04）一、 知识点分析 1、 教材的的编写与分析教材采用了先实验探究，再理论分析与推导的顺序，先通过观察实验现象，带着对实验现象的感性材料，再用学过的的知识进行理论分析，从理论的高度推导出实验现象的必然性。质谱仪和回旋加速器也是本节知识的重要内容，它们是带电粒子在匀强磁场中应用的两个实例。对教材知识处理的分析：先观察实验再理论上推导，降低了学生学习的难度，但也比较符合学生的认知规律。如果从训练学生的思维出发，也可以倒过来，先理论分析，再实验验证。洛仑兹力在各方面有广泛的应用，从定性方面多介绍一些洛仑兹力的应用对开阔学生思路很有好处，如：电视显像管中的磁偏转(教材上节书中有讨论)；磁流体发电(教材98页第4题作业已有介绍)；磁场引起的生物学效应；医疗上应用的磁疗等。在现代科学技术中广泛利用洛仑兹力来控制带电粒子的运动，由于一般情况下带电粒子在磁场中的运动比较复杂，教材只定量讨论了带电粒子速度方向垂直于匀强磁场时的特例，很恰当。作为应用的实例，质谱仪和回旋加速器的选入我觉得很有道理。2、 学生学习分析对带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的分析，所需要的知识学生都已学过，我们可考虑让学生通过自学、讨论的方式来掌握教材内容，这有利于培养学生独立思考能力。为了教学更有针对性，更深入理解教材内容，可提出一些问题供学生思考、讨论，如：为什么粒子的运动轨迹是圆弧?为什么说粒子做匀速圆周运动?怎样推导粒子运动轨道的半径公式和粒子做匀速圆周运动的周期公式?轨道半径与什么因素有关?怎样理解m、v、q、B对轨道半径的影响?怎样理解周期与粒子速度和半径无关?根据教过的学生学习过程中碰到的困惑，我觉得，有的学生只看到带电粒子垂直进入匀强电场和匀强磁场的瞬时所受电场力和洛仑兹力的方向都与速度垂直，在匀强电场中粒子做抛物线运动，惯性思维认为粒子在匀强磁场中也做抛物线运动；特别是当带电粒子通过一定范围的匀强磁场沿一段圆弧运动而不是沿整个圆周运动时，学生更不清楚粒子也是做匀速圆运动的。我们可引导学生对比两者的差别，让学生注意到带电粒子垂直进入匀强电场的瞬时电场力与速度垂直，以后电场力的方向就不再与速度垂直，但电场力的大小、方向不变，是恒力，所以做抛物线运动。带电粒子垂直进入匀强磁场后，洛仑兹力的方向总与速度方向垂直，力大小不变、方向变，不是恒力，由于洛仑兹力不做功带电粒子的速度大小不变、方向变，因此粒子做匀速圆周运动。学生在学习这部份知识后解题中常犯的错误是只是死记半径公式和周期公式，在教学中不要求学生死记半径公式和周期公式，要求学生掌握公式的推导思路，能迅速导出公式。这在教材体现得很好，教材没有列出公式。带电粒子做圆周运动的演示实验效果很好，要注意让学生看清楚，磁感应强度是怎么得到的，带电粒子是怎么得到的。质谱仪是电场加速和磁场中作匀速圆周运动的带电粒子在电场、磁场中运动的综合应用。也是人们运用科学研究成果推动技术进步的又一生动事例。老师可以采取启发、引导，由学生提出设计方案，建立起质谱仪的图景，然后归纳总结，配合“质谱仪的原理”课件进行模拟演示，切实掌握其原理，并会进行定量计算。回旋加速器是利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。是高能物理中的重要仪器。在教学中让学生清楚：（1）磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直进入匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期与速率和半径无关，使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间（半个周期）后，平行于电场方向进入电场中加速。 （2）电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性的变化的并垂直于两D形盒直径的匀强电场，加速就是在这个区域完成的。 （3）交变电压：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使其能量不断提高，要在狭缝处加一个与粒子运动的周期一致的交变电压。3、 从选拔考试角度分析从高考的角度看，这是历届试题中的一个重头戏，带电粒子在匀强磁场中的运动不但是一个热点，也是一个难点，其最大的难点在于带电粒子进入特定的有界磁场后，其轨迹是一个残缺的圆，题中往往会形成各种各样的临界现象，由于此类问题和力学、电学及数学知识紧密联系，因此综合性强，能力要求高，有较强的选拔功能，在教学中教师应当很重视。二、 教学目标1、知识与技能(1)理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度方向垂直时，做匀速圆周运动。 (2)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。(3)能够用学过的知识分析、计算有关带电粒子在匀强磁场的受力、运动问题，知道质谱仪和回旋加速器的工作原理。2、过程与方法在培养学生能力方面，通过引导学生由洛仑兹力对运动电荷的作用力的分析，逐步得出带电粒子在磁场中的运动规律，以及通过让学生推导半径公式、周期公式等教学过程，培养学生的迁移能力，体会如何用已学知识来探讨研究新问题。3、情感、态度与价值观通过学习质谱仪的工作原理，让学生认识先进科技的发展，有助于培养学生对物理的学习兴趣三、 主要教学过程(一) 引入把蹄形磁铁放在磁偏转的电视机前边，观察图象的变化，引起学生的好奇，引出本节要讲的内容：带电粒子在磁场中的运动。(二) 带电粒子垂直进入磁场的运动1、 带电粒子垂直进入磁场的轨迹(图3.6-2) 提问：f洛 在什么平面内？它与v的方位关系怎样？f洛方向怎么变化、大小怎么变化？f洛 对运动电荷是否做功？f洛 对运动电荷的运动起何作用？带电粒子在磁场中的运动具有什么特点？带电粒子在磁场中的讨论，让同学自己得出正确的答案，强化上节所学知识洛仑兹力产生条件，洛仑兹力大运动具有什么特点？ 通过学生的回答，展开讨小、方向的计算和判断方法。结论：（板书）带电粒子垂直进入匀强磁场，其初速度v与磁场垂直，根据左手定则，其受洛仑兹力的方向也跟磁场方向垂直，并与初速度方向都在同一垂直磁场的平面内，所以粒子只能在该平面内运动。洛仑兹力总是跟带电粒子的运动方向垂直，它只改变粒子运动的方向，不改变粒子速度的大小，所以粒子在磁场中运动的速率是恒定的，这时洛仑兹力的大小f=Bqv也是恒定的。洛仑兹力对运动粒子不做功。洛仑兹力对运动粒子起着向心力的作用，因此粒子的运动一定是匀速圆周运动。2带电粒子在磁场中运动的轨道半径提问：带电粒子做匀速圆周运动时，什么力作为向心力？F心=f洛=Bqv （1）做匀速圆周运动的物体所受的向心力F心与物体质量m、速度v和半径r的关系如何？F心=mv2r （2）进而由学生自己推出讨论：粒子运动轨道半径与哪些因素有关，关系如何？质量不同电量相同的带电粒子，若以大小相等的动量垂直进入同一匀强磁场，它们的轨道半径关系如何？速度相同，荷质比不同的带电粒子垂直进入同一匀强磁场，它们的轨道半径关系如何？在同一磁场中做半径相等的圆周运动的氢、氦原子核，哪个运动速度大？3带电粒子在磁场中的运动周期提问：圆周长与圆半径有何关系？周长=2r圆周运动的周期与周长和速率的关系如何？推出带电粒子在磁场中的周期讨论：带电粒子在磁场中做圆周运动的周期大小与哪些因素有关？关系如何？同一带电粒子，在磁场中做圆周运动，当它的速率增大时，其周期怎样改变？速率不同、质量也不同的两带电粒子进入同一磁场做圆周运动，若它们的周期相同，则它们相同的物理量还有哪个？4、 演示(洛仑兹力演示仪) 不加磁场时，说出电子的运动行迹，再观看验证。 加磁场时，怎么判断磁场的方向？说出电子的运动行迹，再观看验证。保持电子的速度不变，改变磁感应强度，说出关系，再观看验证。 保持磁感应强度不变，改变出射电子的速度，说出关系，再观看验证。(三)质谱仪1、提问：当氢的三种同位素 以相同的速度垂直进入同一匀强磁场，如图，求它们运动的轨道半径之比是多少？别有：以上装置就是质谱仪，它可以很方便地帮助我们发现一些元素的同位素，或计算一些带电粒子的质量或荷质比。2、教材100页例题(四) 回旋加速器1、提问：要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行观察。然而，原子核被强大的的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。那么怎么才能获得这些高能炮弹呢？（板画图下图）根据图示条件，带电粒子加速后可获得多大能量？预设学生得到正确答案。教师分析它的弱点：(1)由于电压的限制，能量不会很高。(2)由于是多级加速，加速装置要很长很长。2、提问：请同学们想一想，有没有什么办法可以让带电粒子在加速后又返回来被第二次加速，如此反复？先让学生想象，再介绍回旋加速器的装置。3、提问：由于粒子运动得越来越快，粒子走过半圆的时间就会越来越短，这样两盒间的电势差的正负就要变换得越来越，从而造成技术上的难题。实际情况是这样的吗？ 学生经过思考、讨论回答：周期不