带电粒子在匀强磁场中的运动

1、带电粒子在匀强磁场中的运动朱青松【教学目标 】一知识与技能1. 理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度方向垂直时，在匀强磁场中做匀速圆周运 动。2. 熟练掌握 带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动 的根本规律。3. 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，学会解答有关问题。4. 知道质谱仪的工作原理及旋加速器的根本构造、工作原理及用途。二过程与方法 通过学习质谱仪的工作原理，让学生认识先进科技的开展，有助于培养学生对物理的 学习兴趣培养分析物理问题的能力，掌握构建物理图景的分析方法，综合运用力学知识、 电磁学知识解决带电粒子在复合场电场、磁场中的问题。三情感态度与价值观1. 通过对

2、本节的学习，充分了解科技的巨大威力，体会科技的创新历程。2. 培养学生综合分析问题的能力，体会物理知识的实际应用。【教材分析 】本节是本章知识的重要应用之一，是力学知识和电磁学知识的综合。 通过对本节知识 的学习，学生能够把洛伦兹力和动力学知识有机地结合起来，加深对力、磁场知识的理解， 有利于培养学生用物理规律解决实际问题的能力。【教学重点】 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式和周期公式，并能用来解决有关问 题。【教学难点】1. 带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动的根本规律。 qvB=mv2/r2. 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 .【教学方法】 分析法、讲

3、练法 【教学用具】 多媒体【教学过程】一复习旧知 引入新课 问题 1匀速圆周运动受力有什么特点？向心力大小公式？速度有什么特点？生：做匀速圆周运动的物体受力合力指向圆心，F =mv2/r,速度大小不变，方向不断改变。 问题 2带电粒子在磁场中一定受到洛伦兹力吗？ 生：当带电粒子的速度与磁场方向平行时，带电粒子不受洛念伦兹力。 问题 3洛伦兹力的大小怎么计算？生：F=qvBsinB 问题 4洛伦兹力的向如何确定？生：左手定那么问题5洛伦兹力有什么特点？生：对运动电荷不做功，不改变速度大小只改变速度方向。引入：带电粒子进入匀强磁场时将做什么运动呢？今天我们就来讨论一带电粒子在匀强磁场中的运动(二)

4、 新课教学一.带电粒子在匀强磁场中的运动(重力不计)1. 带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态？学生分析得出结论：匀速直线运动2. 带电粒子垂直射入匀强磁场的运动状态？理论分析：首先回忆匀速圆周运动的特点：速率不变，向心力和速度垂直且始终在同一 平面，向心力大小不变始终指向圆心。带电粒子在匀强磁场中的运动时速度、受力否符合 上面3个特点。得出猜想：带电粒子垂直射入匀强磁场后做匀速圆周运动。3. 在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径r和周期T，与速度V、磁场强度B的关系？学生推导：2(1 )圆周运动的半径qvB= mv /RR=mv/qB(2)圆周运动的周期T=2 n R/vT=2 n m/Bq教师总

5、结： 同一粒子在相同磁场中半径跟速率成正比。 同一磁场周期与 r和v均无关，而与比荷 q/m成反比。实验验证1洛伦兹力演示仪结构： 电子枪：射出电子 加速电场：作用是改变电子束出射的速度 励磁线圈：作用是能在两线圈之间产生平行于两线圈中心的连线的匀强磁场(2)实验结论： 沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。 磁场强度不变，粒子射入的速度增加，轨道半径也增大。 粒子射入速度不变，磁场强度增大，轨道半径减小。实验验证2图片：带电粒子在汽泡室运动径迹的照片。有的粒子运动过程中能量降低，速度减小， 径迹就呈螺旋形。结论：沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场

6、中做匀速圆周运动。例1 :一个质量为 m、电荷量为q的粒子，沉着器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后经过 S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为E的匀强磁场中，最后打到 照相底片D上求：(1) 求粒子进入磁场时的速率(2) 求粒子在磁场中运动的轨道半径解：由动能定理得：qU = mv2 /2,解得： m粒子在磁场中做匀速圆周运动得半径为：R = mv/qB=m 2qU / m /qB=教师引导分析：由例 1的结果可知r和进入磁场的速度无关，进入同一磁场时，r ocm ，而且这些个量中，q出质量，这就是质谱仪。二.实际应用u、B、r可以直接测量，那么，我们可以用装置来测量比荷或算1.

7、质谱仪质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的,他用质谱仪发现了氖 20和氖22,证实了同位素的存在，现在的质谱仪已经是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子质量和分析同 位素的重要工具。2.加速器1直线加速器 加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使其动能增加，即qU = Ek 直线加速器的多级加速：多媒体演示直线加速器的原理图由动能定理可知，带电粒子经N级的电场加速后增加的动能为 ： Ek=q U1+U2+U3+U4+Un 直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间内制造直线加速器受到一定的限制。2盘旋加速器 由美国物理学家劳伦斯于1932年创造。 多媒体演示盘旋加速器结构与加速带电粒子的过程。

8、加速原理：通过“思考与讨论让学生自己分析出带电粒子做匀速圆周运动的周期公式T = 2 n m/q B,明确带电粒子的周期在q、m B不变的情况下与速度和轨道半径无关，从而理解盘旋加速器的原理。老师再进一步归纳各部件的作用：磁场的作用：交变电场以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用 下做匀速圆周运动，其周期在q、m B不变的情况下与速度和轨道半径无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间半个周期后平行电场方向进入电场加速。电场的作用：盘旋加速器的的两个D形盒之间的夹缝区域存在周期性变化的并垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。交变电压的作用：为保证交变

9、电场每次经过夹缝时都被加速，使之能量不断提高，须 在在夹缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。教师引导学生总结：1带电粒子在匀强磁场中的运动周期跟运动速率和 轨道半径无关，对于一定的带电粒子和一定的磁感应强度 来说，这个周期是恒定的。T=2 n m/Bq2 交变电场的往复变化周期和粒子的运动周期T相 同，这样就可以保证粒子在每次经过交变电场时都被加速。3粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径决定。4由于侠义相对论的限制，盘旋加速器只能把粒子加速到一定的能量。例2 ： 1989年初，我国投入运行的高能粒子盘旋加速器可以把电子的能量加速到2.8GeV;假设改用直线加速器加速，设每级的

10、加速电压为 U =2.0 X 105V,那么需要几级加速？解：设经n级加速，由neU=E 有n=E/eU=1.4 X04 级稳固练习：盘旋加速器中磁场的磁感应强度为B, D形盒的直径为d,用该盘旋加速器加速质量为 m电量为q的粒子，设粒子加速前的初速度为零。求： 1粒子的回转周期是多大？ 2高频电极的周期为多大？ 3 粒子的最大动能是多 大？ 4粒子在同一个 D形盒中相邻两条轨道半径之比 ？三小结： 由学生对本节要点做简要小结【板书设计】带电粒子在匀强磁场中的运动一. 带电粒子在电场中的运动情况平衡、加速和减速1. 带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态匀速直线运动2. 带电粒子垂直射入匀强磁场的

11、运动状态？匀速圆周运动半径公式 R=mv/qB周期公式T=2 n m/Bq注：同一粒子在相同磁场中半径跟速率成正比。同一磁场周期与 r和v均无关，而与比荷 q/m成反比。二. 实际应用1. 质谱仪2. 加速器 1直线加速器 2盘旋加速器【教学后记 】 本节课的重点是在让学生理解带电粒子垂直进入匀强磁场后，洛伦兹力总与速度垂直不做功的特点，从受力分析得到运动方程，从而得到半径和周期公式。教师在整节课中，通过提出问题t理论分析加猜想t实验验证t例题稳固，让学生自己分析探究带电粒子在 匀强磁场中的匀速圆周运动，推导粒子运动的轨道半径和周期公式，与此同时培养学生的 推理能力。这一教学过程充分表达了教师着意培养学生的科学探究，表达了新课标要求的 “知识与技能、