带电粒子在磁场中的运动教学设计

1 课题 带电粒子在磁场中的运动教学设计 一 学习目标 一 学习目标 1 知识与技能 理解洛伦兹力对粒子不做功 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 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 会运用带电粒子在匀强磁场中的运动规律分析问题解决问题 知道质谱仪工作原理 2 过程与方法 通过物理实验观察 推理逐步掌握研究物理问题的科学方法 通过观察实验能进一步熟悉控制变量法 3 情感态度与价值观 从探究中获得积极的情感体验和认真 严谨的科学态度和科学精神 了解并体会物理学在现代科学技术中的应用 二 教学重点 二 教学重点 1 带电粒子垂直进入匀强磁场中运动的规律 2 半径和周期公式的应用 三 教学难点 三 教学难点 带电粒子在匀强磁场中运动轨迹的确定 四 教学器材 四 教学器材 洛伦兹力演示仪 自制带电粒子模具 课件 五 教学过程设计 五 教学过程设计 一 一 复习引入 复习引入 问 上节课我们学了磁场对运动电荷的作用 那么什么叫洛伦兹力 其大小和 方向如何确定 要求学生回答 2 问 由左手定则可知 洛伦兹力总是与粒子的运动方向垂直 那么带电粒子还 能做直线运动吗 为什么 要求学生回答 那么带电粒子在磁场中做怎样的运动 有怎样的运动规律 这就是我们这节课 要深入研究的课题 板书 五 带电粒子在磁场中运动 质谱仪 二 新课教学 二 新课教学 我们知道 物体的运动规律取决于两个因素 一是物体的受力情况 二是物体 具有的速度 因此 力和速度就是我们研究带电粒子在磁场中运动的出发点和基本 点 严格说 带电粒子在磁场中还会受到重力作用 但在通常情况下 粒子受到的 重力远小于洛伦兹力 所以若在问题中没有特别说明和暗示 粒子的重力是可以忽 略不计的 在本节课出现的带电粒子重力均不计 因此 可认为带电粒子在磁场中 只受到洛伦兹力的作用 现在我们探究这样一个问题 带电粒子射入匀强磁场时 它的初速度方向跟磁 感应强度 B 的方向关系有几种情况 猜想分别有怎样的运动规律 学生讨论后引入第一个要探究的问题 带电粒子垂直射入匀强磁场 只受洛伦兹力作用到底做什么运动呢 这就是我 们这节课要解决的第一个问题 1 运动轨迹 课件展示问题一 板书 1 运动轨迹 B 匀强 v 条件 只受洛伦兹力 现在同学们从洛伦兹力与速度的关系出发 运用已学过的运动学和动力学的知 识 逐一地分析带电粒子的轨迹在哪个方位 速度如何变化 受力如何变化 轨迹 是什么形状等问题 同桌可以互相讨论 等会请同学们回答 学生分析同时展示动画课件 轨迹平面与磁场垂直因为带电粒子的初速度和所受洛伦兹力的方向都在跟磁场 方向垂直的平面内 没有任何作用使粒子离开这个平面 速度大小不变因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直 所以洛伦兹力 的功率 P 等于 0 所以洛伦兹力不对粒子做功 90cosFv 粒子的速度大小不变 3 速度方向时刻改变因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直 所以速度方向 改变 受力大小不变 因为速度大小不变 根据得洛伦兹力大小也不变qvBF 受力方向时刻改变因为速度方向改变 所以洛伦兹力方向也改变 轨迹形状圆因为带电粒子受到一个大小不变 方向总与粒子运动方向 垂直的力 因此带电粒子做匀速圆周运动 其向心力就是 洛伦兹力 通过大家的讨论分析得出的结果是带电粒子垂直射入匀强磁场应做匀速圆周运 动 这个结果是否正确呢 我们利用实验来验证 介绍实验仪器并实验 现在大家观察不加磁场和加了磁场两种情况下电子射线的径迹分别是什么形状 要求学生回答后总结 不加磁场时 电子射线的径迹是直线 在加了垂直于速 度方向的匀强磁场后 电子射线的径迹是圆形的 可见我们刚才的分析 推理是正确的 现在我们可以下结论了 带电粒子垂直 射入匀强磁场 在只受洛伦兹力作用的情况下 洛伦兹力始终不做功 所以粒子在 垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动 板书 结论 W W洛 0 0 匀速圆周运动 这了检查同学们对以上知识的掌握情况 下面我们做一个小游戏 出示自制带电粒子模具 并介绍游戏规则 画在背景纸上的有向线条表示的是磁场方向 这个小球表示带电粒子将沿箭头 所示方向进入磁场 这个圈作为带电粒子的径迹 圈上箭头方向表示粒子的旋转方 向 请同学们将这个圈放在空间适当位置 用以表示带电粒子在磁场中的圆周运动 依次请两位同学上讲台来放圈 既然带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动 那么它的半径多大 周期又是多 大呢 这就是我们今天要探究的第二个问题 2 轨道半径和周期 课件展示问题二 板书 2 轨道半径和周期 例 1 一带负电的粒子的质量为 m 电荷量为 q 以速度 v 垂直射入磁感应强 度为 B 的匀强磁场中做匀速圆周运动 求它的轨道半径 r 和运动周期 T 叫学生推导 或拿学生推导的过程用展示台展示 板书 半径 周期 qB mv r qB m T 2 4 实验 由可知 当进入磁场中的粒子确定后 半径 r 与 v 成正比 qB mv r 与 B 成反比 这一结论还可用实验定性验证 下面我想请一位同学上台来利用洛伦 兹力演示仪来定性验证 r 与 v 和 B 的关系 学生操作 教师讲解 说明 由周期表达式可知 周期 T 与 v r 无关 这是一个非常重要 qB m T 2 的规律 遗憾的是我们无法用实验来验证它 但对这个规律必须有一个正确的理解 凭我们的经验 跑步比赛中 跑得越快 绕操场一圈经历时间就越短 为什么 带电粒子在磁场中运动的时间与 v r 无关呢 这种情况与跑步比赛有何不同呢 有谁能谈谈自己的观点为 要求学生讨论后讲出自己的观点 板书 T 与 v r 无关 到现在为止 这们已经知道 磁场对运动的带电粒子可以施加影响 而前面我 们学过的电场也可以对带电粒子施加影响 当然 电场和磁场共同存在时对带电粒 子也会施加影响 这一知识在现代科学技术中有着广泛的应用 例如电视机中的显 像管 电子显微镜 还有我们要学习的质谱仪 回旋加速器等 都是利用电场和磁 场控制电荷的运动的 下面请同学们运用已学过的电场和磁场知识解这样一个问题 3 质谱仪 课件展示应用 例题 2 一质量为 m 电荷量为 q 的带正电的粒子 从容器 A 下方的小孔 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 的匀强磁场中 做匀速圆周运动 如图所示 求 大致画出粒子的运动轨迹 粒子进入磁场时的速率 S1 S3 A U S2 B 5 粒子在磁场中运动的轨道半径 学生解答后 把学生典型的错误解法和正确解法用展示台展示 并要求学生 一起讨论分析后用课件展示粒子的运动轨迹 如果在 D 处放上照相胶片 则带电粒子打到胶片上就会形成谱线状的细条 如果在容器 A 中含有电荷量相同而质量有微小差别的粒子 则它们经过相同电场 加速再进入同一匀强磁场 则粒子在磁场中运动的轨道半径是否相同 为什么 引导学生根据得 U B q 相同 m 越大 r 越大 2 2 qB mU r 可见电量相同质量不同的粒子进入磁场后将沿着不同半径做圆周运动 打到照 相胶片的不同地方 在胶片上会形成若干条谱线状的细条 这些细条叫做质谱线 每一条谱线对应于一定的质量 从谱线的位置可以知道圆周运动的半径 r 而加速 电场的电压 U 和匀强磁场的磁感应强度 B 均可测量 可见由可求出带 2 2 qB mU r 电粒子的比荷 如果再已知带电粒子的电荷量 q 就可以算出它的质量 22 2 Br U m q 根据这个原理制成的仪器叫质谱仪 质谱仪的应用主要是用来测量带电粒子的质量 和分析同位素 图中的谱线上标出的数字是锗同位素的质量数 板书 3 质谱仪 课后思考 如果电量相同 质量不同的粒子同时从孔 S1飘入电场 最后打到 胶片上 则这此粒子运动的时间相同吗 三 课堂小结 三 课堂小结 1 知道洛伦兹力方向与带电粒子运动方向总是垂直的 因此洛伦兹力对带电 粒子始终不做功 2 理解垂直磁场方向射入匀强磁场的带电粒子 在洛伦兹力作用下做匀速圆 周运动 3 理解公式 的推导过程及物理意义 还要会应用这两 qB mv r qB m T 2 6 条公式解决实际问题 4 理解质谱仪的原理 知道质谱仪在实际中的应用 四 作业 四 作业 书上的练习 1 2 做在作业本上 3 4 5 做在书上 教学说明 教学说明 1 本节课是高中物理的重点内容 也是历年高考常考的部分 在高科技及探索未 知世界方面也有着极其广泛的应用 2 本课在教学方法上采用了以学生互相讨论 共同探究这主 教师启发为辅 的方式 最大限度地调动学生的参与意识 使其真正成为教学过程的 主体 如 果学生认为本课的内容靠他自己讨论 探究而掌握的 他有能力不依赖教师而自己 去学习物理 我想本课的目的就算真正达到了 3 根据新的课程标准 物理教学的目标除了知识与技能 还有过程与方法 情感态度与价值观 所以我在教学设计过程中力图能体现这一点 如在运动轨道的 确定上由学生自己讨论分析得出匀速圆周运动 轨道半径和周期公式的得出 还有 在课件的封