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1、2022年高中物理 帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 質(zhì)譜儀教案 人教版二冊(cè) 一、教學(xué)目標(biāo) 1．根據(jù)洛倫茲力的特點(diǎn)，理解帶電粒子垂直進(jìn)入磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 2．以洛倫茲力為向心力推導(dǎo)出帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓運(yùn)動(dòng)的半徑和周期，并討論它們的物理意義。 3．掌握速度選擇器和質(zhì)譜儀的工作原理和計(jì)算方法。 二、重點(diǎn)、難點(diǎn)分析 1．洛倫茲力f=Bqv的應(yīng)用是該節(jié)課的重點(diǎn)。 2．洛倫茲力作為向心力，是使運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的原因。結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)推導(dǎo)和周期是本節(jié)的難點(diǎn)。 3．對(duì)速度選擇器和質(zhì)譜儀的工作原理的理解和掌握也是本節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 三、教 具：洛倫茲力演示

2、儀。 四、教學(xué)方法：實(shí)驗(yàn)演示，多媒體輔助教學(xué) 五、主要教學(xué)過(guò)程 （一）引入新課 1．提問(wèn)：如圖所示，當(dāng)帶電粒子q以速度v分別垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，它們將做什么運(yùn)動(dòng)？（如圖1所示） 回答：類平拋和勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 在此學(xué)生很有可能根據(jù)帶電粒子進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)做類平拋運(yùn)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，誤認(rèn)為帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)也做類平拋運(yùn)動(dòng)。在這里不管學(xué)生回答正確與錯(cuò)誤，都應(yīng)馬上追問(wèn)：為什么？引導(dǎo)學(xué)生思考，自己得出正確答案。 2．觀察演示實(shí)驗(yàn)：帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)——洛倫茲力演示儀。 3．看掛圖，比較帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)這兩種情況下軌跡的差別。 （二）進(jìn)行新課 1．帶電

3、粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)的軌跡（板書(shū)） 提問(wèn)：①在什么平面內(nèi)？它與v的方位關(guān)系怎樣？ ②?對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷是否做功？ ③對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的運(yùn)動(dòng)起何作用？ ④帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)具有什么特點(diǎn)？ 通過(guò)學(xué)生的回答，展開(kāi)討論，讓同學(xué)自己得出正確的答案，強(qiáng)化上節(jié)所學(xué)知識(shí)——洛倫茲力產(chǎn)生條件，洛倫茲力大小、方向的計(jì)算和判斷方法。 結(jié)論：（板書(shū)）①帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，其初速度v與磁場(chǎng)垂直，根據(jù)左手定則，其受洛倫茲力的方向也跟磁場(chǎng)方向垂直，并與初速度方向都在同一垂直磁場(chǎng)的平面內(nèi)，所以粒子只能在該平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 ②洛倫茲力總是跟帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直，它只改變粒子運(yùn)動(dòng)的方向，不改變粒子速度的大小，所以粒子在

4、磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的速率是恒定的，這時(shí)洛倫茲力的大小f=Bqv也是恒定的。 ③洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)粒子不做功。 ④洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)粒子起著向心力的作用，因此粒子的運(yùn)動(dòng)一定是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 2．帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑 提問(wèn)：①帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，什么力作為向心力？ ==Bqv???????????????????????????????????? （1） ②做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受的向心力F心與物體質(zhì)量m、速度v和半徑r的關(guān)系如何？ =mv2／r????????????????????????????????????? （2） 進(jìn)而由學(xué)生自己推出： 討論： ①粒子運(yùn)動(dòng)軌道半徑與

5、哪些因素有關(guān)，關(guān)系如何？ ②質(zhì)量不同電量相同的帶電粒子，若以大小相等的動(dòng)量垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，它們的軌道半徑關(guān)系如何？ ③速度相同，荷質(zhì)比不同的帶電粒子垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，它們的軌道半徑關(guān)系如何？ ④在同一磁場(chǎng)中做半徑相等的圓周運(yùn)動(dòng)的氫、氦原子核，哪個(gè)運(yùn)動(dòng)速度大？ 3．帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期 提問(wèn)：①圓周長(zhǎng)與圓半徑有何關(guān)系？　周長(zhǎng)=2πr ②圓周運(yùn)動(dòng)的周期與周長(zhǎng)和速率的關(guān)系如何？T＝ ③推出帶電粒子在磁場(chǎng)中的周期　因故 討論：①帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期大小與哪些因素有關(guān)？關(guān)系如何？ ②同一帶電粒子，在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它的速率增大時(shí)，其周期怎樣改變？ ③

6、速率不同、質(zhì)量也不同的兩帶電粒子進(jìn)入同一磁場(chǎng)做圓周運(yùn)動(dòng)，若它們的周期相同，則它們相同的物理量還有哪個(gè)？ 4．速度選擇器的工作原理 提問(wèn)：①帶電粒子（帶正電）q以速度v垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)，受電場(chǎng)力作用，運(yùn)動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖2所示。若在勻強(qiáng)電場(chǎng)范圍內(nèi)再加一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)，使該帶電粒子的運(yùn)動(dòng)不偏轉(zhuǎn)，求所加勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。 引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)自己分析得出結(jié)論。 分析：電荷進(jìn)入電場(chǎng)，受垂直向下的電場(chǎng)力作用而偏轉(zhuǎn)，若使它不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電荷受所加磁場(chǎng)的洛倫茲力方向一定與電場(chǎng)力方向相反，根據(jù)左手定則和洛倫茲力方向確定磁場(chǎng)方向：垂直紙面、背向讀者，如圖3所示。 因?yàn)?= 若我們?cè)?/p>

7、該裝置前后各加一塊擋板，讓電量相同的不同速度的帶電粒子從前邊擋板中小孔射入，經(jīng)過(guò)勻強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，只有其運(yùn)動(dòng)速度剛好滿足f洛=F安的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從第二塊擋板上小孔中射出。改變勻強(qiáng)電場(chǎng)或勻強(qiáng)磁場(chǎng)的大小，就可以得到不同速度的帶電粒子。這個(gè)裝置就叫做速度選擇器。由上面的關(guān)系很容易推導(dǎo)出通過(guò)速度選擇器的帶電粒子的速度大小v=E/B. ②若將一個(gè)能通過(guò)某速度選擇器的正電荷換成一個(gè)電量相等速度不變的負(fù)電荷，它還能通過(guò)該速度選擇器嗎？為什么？ 回答：能。因?yàn)殡m然它所受電場(chǎng)力和洛倫茲力方向都與正電荷方向相反，但大小仍然相等，其合力仍然為零，所以能通過(guò)。 5．質(zhì)譜儀 提問(wèn)：①當(dāng)氫的三種同位素氕

8、()、氘()、氚()以相同的速度垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如圖4，求它們運(yùn)動(dòng)的軌道半徑之比是多少？ 分析：、、在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，作為向心力，分別有： 以上裝置就是質(zhì)譜儀，它可以很方便地幫助我們發(fā)現(xiàn)一些元素的同位素，或計(jì)算一些帶電粒子的質(zhì)量或荷質(zhì)比。 （三）課堂小結(jié) 帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，受到一個(gè)大小不變而且始終與其速度方向垂直的洛倫茲力作用，此力對(duì)帶電粒子不做功，只改變粒子的速度方向，不改變其速度大小，粒子將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其軌道半徑為。對(duì)于同種帶電粒子，R與v成正比，與B成反比。對(duì)于不同的帶電粒子（質(zhì)量、電荷不相同），其R與mv成正比，與Bq成反比，其周期，即T與粒子

9、運(yùn)動(dòng)速度v和半徑R無(wú)關(guān)，與荷質(zhì)比和B的乘積成反比。 (四)布置作業(yè)：把課本182頁(yè)練習(xí)四(1)、(2)、(3)做在作業(yè)本上，（4）、（5）、（6）做課本上。 六、教學(xué)說(shuō)明 1．本節(jié)在研究帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，首先要強(qiáng)調(diào)“在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中”和“v垂直于B”這兩個(gè)條件。 2．軌道半徑和周期的推導(dǎo)應(yīng)強(qiáng)調(diào)推導(dǎo)的過(guò)程和涉及的舊知識(shí)，對(duì)于導(dǎo)出的結(jié)果和不要光讓學(xué)生死記硬背，而重點(diǎn)應(yīng)放在對(duì)其結(jié)果的討論上，使學(xué)生理解該結(jié)論的內(nèi)涵和外延。 3．在上述問(wèn)題都很好地掌握的基礎(chǔ)上，再講速度選擇器和質(zhì)譜儀，這兩部分內(nèi)容其實(shí)就是新舊知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。 4．關(guān)于帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)量計(jì)算問(wèn)題，因用到不少平面幾何知識(shí)，可放在以后的習(xí)題課中解決。