带电粒子在匀强磁场中的运动说课稿教案教学设计文档格式.docx
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● 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.
教学方法
小组合作学习为主，辅以问题探究、归纳法等.
教学准备
洛伦兹力演示仪、感应线圈、电源、多媒体等.
教学设计
（一）（设计者：
宋林珊）
主要教学过程
教学设计
教师活动
学生活动
一、引入新课
【预习案反馈】
1.带电粒子沿着电场线方向飞入匀强电场，将做什么运动？
2.带电粒子垂直于电场线方向飞入匀强电场，将做什么运动？
3.物体做匀速圆周运动的条件是什么？
4.匀速圆周运动中向心力需要单独受力分析吗？
若不是，如何分析向心力？
5.匀速圆周运动的向心力公式是什么？
带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时，会做什么运动呢？
引入新课
小组展示预习案，引入新课.
提前完成预习案.
二、新课教学
（一）带电粒子在匀强磁场中的运动
【实验】
介绍洛伦兹力演示仪的工作原理：
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．后进行实验.
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.
分析：
1.带电粒子沿着磁感线方向飞入匀强磁场，将做什么运动？
2.带电粒子垂直于磁感线方向飞入匀强磁场，又做什么运动呢？
（1）洛伦兹力方向与速度方向有什么关系？
洛伦兹力做功吗？
（2）洛伦兹力对带电粒子的运动起到什么作用？
（3）洛伦兹力的大小改变吗？
方向呢？
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.
进一步分析：
1.平面运动：
分析带电粒子的受力情况，用左手定则明确带电粒子初速度与所受到的洛伦兹力在同一平面内，所以只可能做平面运动.
2.做功情况：
洛伦兹力不对运动的带电粒子做功，它的速率不变，同时洛伦兹力的大小也不变.
3.向心力来源：
根据牛顿第二定律，洛伦兹力使运动的带电粒子产生加速度（向心加速度）.
【练习】
1．如图所示，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？
（电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用．）
2.洛伦兹力对电子的运动有什么作用？
（洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小．）
3.洛伦兹力做功吗？
（洛伦兹力对运动电荷不做功．）
（设计意图：
首先通过实验让学生对带电粒子的运动有感性的认识，激发学生兴趣，再通过问题组的引导使学生一步步分析运动的原因，由浅入深，逐层递进．）
认真观察实验现象，并对实验现象进行理论的阐释.
通过问题组一步步引导，学生自己从理论上得到结论.
及时跟踪联系，巩固所学.
（二）相关公式推导
思考教材第100页“思考与讨论”，使学生理解带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r和周期T与粒子所带电荷量、质量、粒子的速度、磁感应强度有什么关系.
【思考】
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1：
什么力给带电粒子做圆周运动提供向心力？
（洛伦兹力给带电粒子做圆周运动提供向心力．）
问题2：
向心力的计算公式是什么？
（F＝）
推导：
粒子做匀速圆周运动所需的向心力F＝m是由粒子所受的洛伦兹力提供的，所以qvB＝，由此得出r＝，T＝＝可得T＝.
问题3：
（1）轨道半径和什么因素有关？
（轨道半径与比荷、速度、磁感应强度有关．）
（2）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期与什么有关？
（带电粒子的运动周期与比荷、磁感应强度有关．）
【讨论】在匀强磁场中如果带电粒子的运动方向不和磁感应强度方向垂直，它的运动轨道是什么样的曲线？
将带电粒子的速度分解为垂直于B的分量v1和平行于B的分量v2，因为v1和B垂直，受到洛伦兹力qv1B，此力使粒子q在垂直于B的平面内做匀速圆周运动，v2和B平行，不受洛伦兹力，故粒子在沿B方向上做匀速运动，可见粒子的合运动是一等距螺旋.
【实验】用洛伦兹力演示仪演示
首先，学生通过提示性问题自行推导出半径、周期公式，然后根据结果思考二者的影响因素．计算并分析的这个过程逐渐成为学生的思维习惯．）
【例题】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．求：
（1）粒子进入磁场时的速率；
（2）粒子在磁场中运动的轨道半径.
解：
（1）粒子在S1区做初速度为零的匀加速直线运动．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mv2＝qU
由此可得v＝.
（2）粒子做匀速圆周运动所需的向心力由粒子所受的洛伦兹力提供，即qvB＝m.
所以粒子的轨道半径为r＝＝.
[教师讲解]r和进入磁场的速度无关，进入同一磁场时，r∝，而且这些量中，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出质量.
例题给我们展示的是一种十分精密的仪器——质谱仪.
小结：
解决此类问题的一般步骤
在解决这类问题时，如何确定圆心、画出粒子的运动轨迹、半径及圆心角，找出几何关系是解题的关键.
【巩固练习】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，已知∠AOB＝120°
，求该带电粒子的电性及在磁场中运动的时间.
首先通过已知条件找到AB所对应的圆心O′，画出粒子的运动轨迹及几何图形.
设粒子在磁场中的轨道半径为R，粒子的运动轨迹及几何图形如图所示．由左手定则可知粒子带负电.
粒子在磁场中做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供，有qvB＝
由几何关系有：
R＝rtan60°
粒子的运动周期T＝
由图可知θ＝60°
，得带电粒子在磁场中运动的时间t＝
联立以上各式解得：
t＝.
两道题设计两种不同形状的磁场，是在总结解题方法的基础上进一步的巩固和拓展，其中例题为后面的质谱仪的学习打下基础．）
通过一组问题，步步深入，学生推导半径和周期公式.
学生通过这两个问题的思考，明确影响圆周运动速度与周期的因素.
再次回归实验，用实验验证理论分析.
学生自行完成例题，投影仪展示讲解.
小结解决此类问题的一般步骤.
运用刚才总结的步骤，进一步练习.
（三）质谱仪
阅读教材，回答以下问题：
1.试述质谱仪的结构．（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.试述质谱仪的工作原理．（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.）
3.分析影响粒子落点位置d的因素有哪些.
（比荷、进入磁场的速度、磁感应强度）
4.若磁场确定，测出d，那么我们实际上是测出了什么？
（比荷）
5.若磁场确定，我们控制进入的粒子具有相同的电荷量，测出d，我们可以测量有关粒子的什么信息？
（质量）
6.现代科学利用质谱仪分析什么？
（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．）
【过渡语】先从研究物质微观结构的需要出发提出怎样大量产生高能带电粒子的问题，从而引出早期使用的加速器——静电加速器.
参照问题，自己阅读教材，尝试回答问题.
（四）回旋加速器
1.直线加速器
分析问题
（1）如何使粒子获得加速？
（利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，即qU＝ΔEk）
（2）如何获得更大的加速？
（多级加速装置，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，ΔEk＝q（U1＋U2＋U3＋U4＋…Un）.
（3）弊端是什么？
（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.回旋加速器
（1）由美国物理学家劳伦斯于1932年发明.
（2）其结构如图所示．核心部件为两个D形盒（加匀强磁场）和其间的夹缝（加交变电场）.
（3）加速原理分析：
①如何保证粒子每次经过金属盒缝隙时都是被加速？
（每过一段时间电场反向）
②从图上我们看到，越转圆的半径越大，这是为什么？
（速度逐渐变大）
③粒子的运动越来越快，也许粒子走过半圆的时间间隔越来越短，这样两盒间电势差的正负变换就要越来越快，从而造成技术上的一个难题，实际情况是这样吗？
（由粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期公式可知，对同一粒子只要磁场不变，粒子在半圆金属盒里的运动时间都相同，为半个周期．）
④粒子在半径为R的回旋加速器中获得的最大动能为多少？
与什么因素有关？
（可以获得的最大动能Ekm＝，最大动能与电荷量、电荷质量、磁感应强度、回旋加速器的半径有关．）
教师再进一步归纳各部件的作用（如图）：
磁场的作用：
带电粒子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：
回旋加速器的两个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：
为保证带电粒子每次经过夹缝时都被加速，使之能量不断提高，须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.
带电粒子经加速后的最终能量：
（运动半径最大为D形盒的半径R）
由R＝得v＝，所以最终能量为Em＝＝.
讨论：
要提高带电粒子的最终能量，应采取什么措施？
（可由上式分析）
【例题】1989年初，我国投入运行的高能粒子回旋加速器可以把电子的能量加速到2.8GeV；
若改用直线加速器加速，设每级的加速电压为U＝2.0×
105V，则需要几级加速？
设经n级加速，由neU＝E，有n＝1.4×
104（级）
思考与直线加速器相比，回旋加速器的优势.
利用电场
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