带电粒子在磁场中的运动·教案

带电粒子在磁场中的运动教案带电粒子在磁场中的运动教案 一、教学目标一、教学目标 1．根据洛仑兹力的特点，理解带电粒子垂直进入磁场做匀速 圆周运动。 2．以洛仑兹力为向心力推导出带电粒子在磁场中做圆运动的 半径 r 3．掌握速度选择器和质谱仪的工作原理和计算方法。 二、重点、难点分析二、重点、难点分析 1．洛仑兹力 fBqv 的应用是该节重点。 2．洛仑兹力作为向心力，是使运动电荷在磁场中做匀速圆周 运动的 本节的难点。 3．对速度选择器和质谱仪的工作原理的理解和掌握也是本节 的重点和难点。 三、教具三、教具 洛仑兹力演示仪。 四、主要教学过程四、主要教学过程 （一）引入新课（一）引入新课 1．提问如图所示，当带电粒子 q 以速度 v 分别垂直进入匀 强电场和匀强磁场中，它们将做什么运动（如图 1 所示） 回答平抛和匀速圆周运动。 在此学生很有可能根据带电粒子进入匀强电场做平抛运动的 经验，误认为带电粒子垂直进入匀强磁场也做平抛运动。在这里 不管学生回答正确与错误，都应马上追问为什么引导学生思 考，自己得出正确答案。 2．观察演示实验带电粒子在磁场中的运动洛仑兹力演 示仪。 3．看挂图，比较带电粒子垂直进入匀强电场和磁场这两种情 况下轨迹的差别。 （二）教学过程设计 1．带电粒子垂直进入匀强磁场的轨迹（板书） 提问 ①f 洛 在什么平面内它与 v 的方位关系怎样 ②f 洛 对运动电荷是否做功 ③f 洛 对运动电荷的运动起何作用 ④带电粒子在磁场中的运动具有什么特点 通过学生的回答，展开讨论，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，洛仑兹力大小、方向 的计算和判断方法。 结论（板书）①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。 ②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 fBqv 也是恒定的。 ③洛仑兹力对运动粒子不做功。 ④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 ①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） ②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mv 2／ r （2） 进而由学生自己推出 讨论 ①粒子运动轨道半径与哪些因素有关，关系如何 ②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 ③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 ④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 ①圆周长与圆半径有何关系 周长2πr ②圆周运动的周期与周长和速率的关系如何 ③推出带电粒子在磁场中的周期 讨论①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 ②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 ③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．速度选择器的工作原理 提问①带电粒子（带正电）q 以速度 v 垂直进入匀强电场， 受电场力作用，运动方向将发生偏转，如图 2 所示。若在匀强电 场范围内再加一个匀强磁场，使该带电粒子的运动不偏转，求所 加匀强磁场的方向和磁感应强度的大小。 引导学生利用所学知识自己分析得出结论。 分析电荷进入电场，受垂直向下的电场力作用而偏转，若 使它不发生偏转，电荷受所加磁场的洛仑兹力方向一定与电场力 方向相反，根据左手定则和洛仑兹力方向确定磁场方向垂直纸 面、背向读者，如图 3 所示。 因为 f 洛F安 若我们在该装置前后各加一块挡板，让电量相同的不同速度 的带电粒子从前边挡板中小孔射入，经过匀强电场和磁场，只有 其运动速度刚好满足 f 洛F安的粒子运动轨迹不发生偏转，从第二 块挡板上小孔中射出。改变匀强电场或匀强磁场的大小，就可以 得到不同速度的带电粒子。这个装置就叫做速度选择器。由上面 的关系很容易推导出通过速度选择器 ②若将一个能通过某速度选择器的正电荷换成一个电量相等 速度不变的负电荷，它还能通过该速度选择器吗为什么 回答能。因为虽然它所受电场力和洛仑兹力方向都与正电 荷方向相反，但大小仍然相等，其合力仍然为零，所以能通过。 5．质谱仪 同的速度垂直进入同一匀强磁场，如图 4，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。 （三）课堂小结（三）课堂小结 带电粒子垂直进入匀强磁场时，受到一个大小不变而且始终 与其速度方向垂直的洛仑兹力作用，此力对带电粒子不做功，只 改变粒子的速度方向，不改变其速度大小，粒子将做匀速圆周运 动，其轨道半径为 r 粒子（质量、电荷不相同），其 r 与 mv 成正比， 五、说明五、说明 1．本节在研究带电粒子在磁场中做圆周运动的规律时，首先 要强调“在匀强磁场中”和“v 垂直于 B”这两个条件。 2．轨道半径和周期的推导应强调推导的过程和涉及的旧知 识，对于 对其结果的讨论上，使学生理解该结论的内涵和外延。 3．在上述问题都很好地掌握的基础上，再讲速度选择器和质 谱仪，这两部分内容其实就是新旧知识的实际应用。 4．关于带电粒子在磁场中的偏转量计算问题，因用到不少平 面几何知识，可放在以后的习题课中解决。