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2019-2020年高中物理《磁場對運動電荷的作用力》教案3 新人教版選修3-1 一、教學(xué)目標 1．在物理知識方面的要求： ①了解什么是洛侖茲力。 ②明確通電導(dǎo)線在磁場中的受力是其中運動電荷在磁場中受到洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)。 ③掌握判斷洛侖茲力方向的法則。 ④能夠推導(dǎo)計算洛侖茲力大小的公式（f=qvBsinθ）。 2．通過觀察演示實驗認識并驗證帶電粒子在勻強磁場中的受力情況，借此培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、分析問題的能力。 3．引導(dǎo)學(xué)生用分析、猜想、實驗（觀察）、理論驗證的科學(xué)方法探求新知識，增強他們的能力。 二、重點、難點分析 1．重點使學(xué)生理解安培力產(chǎn)生的根本原因是運動粒子在勻強磁場中受到洛侖茲力的作用，并掌握計算洛侖茲力的大小、判斷洛侖茲力方向的方法。 2．推導(dǎo)洛侖茲力大小的計算公式（f=qvBsinθ）有些抽象，學(xué)生不易認識和理解，是教學(xué)的難點，應(yīng)加以注意。 三、教具 感應(yīng)圈、機械效應(yīng)陰極射線管、直進陰極射線管、馬蹄形磁鐵。 四、主要教學(xué)過程 （一）復(fù)習(xí)引入新課 如圖1所示，AB導(dǎo)體桿的兩端分別用細線懸掛于O1、O2兩點，AB導(dǎo)體桿處于豎直向下的勻強磁場中。提問：當開關(guān)閉合時，原本處于靜止狀態(tài)的導(dǎo)體桿狀態(tài)將如何？通電直導(dǎo)線在垂直于自身的勻強磁場中會受到安培力的作用。依據(jù)左手定則，AB導(dǎo)體桿受到一個垂直黑板向外的安培力，因此AB導(dǎo)體桿將向黑板外的方向運動。 （二）教學(xué)過程設(shè)計 1．分析 那么，安培力產(chǎn)生的本質(zhì)原因是什么呢？開關(guān)的閉合與斷開關(guān)系到導(dǎo)體桿是否受到安培力。開關(guān)的閉合與斷開到底有什么本質(zhì)上的不同？ 開關(guān)閉合后，AB中有定向移動的電荷，此時AB導(dǎo)體桿受到安培力。開關(guān)斷開后，AB中沒有定向移動的電荷，AB導(dǎo)體桿不受安培力。 2．猜測 運動電荷在磁場中會受到磁場力，安培力是大量運動電荷所受到的磁場力的宏觀體現(xiàn)。 3．實驗（觀察） 實驗?zāi)康氖菣z驗我們的猜測。因此，必須先提供運動電荷和磁場。此外，如何顯示帶電粒子的運動也是需要認真考慮的問題。 解決方案：感應(yīng)圈產(chǎn)生高壓，加在機械效應(yīng)陰極射線管上可觀察到葉輪發(fā)光并轉(zhuǎn)動。若高壓反向，則葉輪向相反方向轉(zhuǎn)動。這樣的方法得到帶負電的粒子流——陰極射線。 用改進的裝置，直進陰極射線管進行實驗。介紹儀器結(jié)構(gòu)后，外加高壓，出現(xiàn)一條亮線。加外部磁場并觀察現(xiàn)象：亮線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。猜測得到驗證。亮線表示的是帶負電粒子流的運動軌跡，在外部磁場的作用下運動方向發(fā)生變化，表明其有加速度，進一步判定帶負電粒子受到力的作用。 改變磁場的方向，觀察磁場力的方向。研究磁場方向與磁場力方向的關(guān)系并檢驗左手定則是否適用。 4．理論推導(dǎo) 洛侖茲力：運動電荷在磁場中所受到的力叫做洛侖茲力。 依據(jù)安培力是大量運動電荷所受到的磁場力的宏觀體現(xiàn)，可利用安培力計算單個運動電荷受到的洛侖茲力的大小f。 在恒定電流中，自由電荷的定向運動可視為速度為v的勻速運動，引入 分析：截取兩橫截面A和B，當AB導(dǎo)體桿中流過恒定電流I時，經(jīng)歷時間t0，則有N個帶電量為q的粒子通過A截面且必定有相同的N 即洛侖茲力的大小等于帶電粒于的電量q、電荷的速度大小v、磁感應(yīng)強度B以及速度與磁感應(yīng)強度方向間夾角θ的正弦sinθ的乘積。在q、v保持不變的前提下，洛侖茲力的大小隨著磁感應(yīng)強度的大小以及速度與磁感應(yīng)強度方向間夾角θ的變化而變化。θ=90即速度方向與磁感應(yīng)強度垂直，洛侖茲力最大；θ=0或θ=180即速度方向與磁感應(yīng)強度方向在一條直線上，電荷受到的洛侖茲力最小，等于零。 5．幾個關(guān)鍵點 ①公式f=qvBsinθ中， q、v、 B、θ的含義。 q：帶電粒子所帶電量的絕對值。 v：帶電粒子運動的速率。 B：磁場磁感應(yīng)強度的大小。 θ：帶電粒子運動方向與磁感應(yīng)強度方向夾角。 ②應(yīng)用左手定則判斷方向時必須讓磁感線穿入手心，四指指向正電荷運動的方向，此時拇指所指的方向才是洛侖茲力的方向。若帶電粒子所帶電性為正，四指指向就是帶電粒子運動方向；若帶電粒子電性為負，四指指向粒子運動的相反方向。 （三）課堂小結(jié) 本節(jié)課主要研究了一種新型的力——洛侖茲力。我們知道一切磁現(xiàn)象都可以歸結(jié)為運動電荷間通過磁場的作用——磁現(xiàn)象的電本質(zhì)。洛侖茲力恰恰是運動電荷在磁場所受到的作用。它的方向仍然服從左手定則，它的大小用公式f=qvBsinθ計算。安培力實際上是大量規(guī)律運動的帶電粒子所受洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)。 例1：如圖3所示，某一帶電粒子垂直射入一個垂直紙面向外的勻強磁場，并經(jīng)過P點，試判斷帶電粒子的電性。（負） 例2：有一束粒子，其中有正電性的、負電性的還有不帶電的粒子，如何區(qū)分開它們？（通過一垂直于粒子運動方向的磁場） 五、說明 洛侖茲力與重力、彈力及摩擦力相比是比較抽象的，理解上也有一定的難度。直接指出該力的產(chǎn)生原因再進行推導(dǎo)，最后由實驗驗證也完全可以。然而考慮到該力的抽象性，從已知的安培力產(chǎn)生的本質(zhì)原因入手，來解決這個問題會使學(xué)生更容易接受洛侖茲力大小計算式（f=qvBsinθ）的推導(dǎo)體現(xiàn)了物理與數(shù)學(xué)兩門學(xué)科密切的關(guān)系，善于利用數(shù)學(xué)工具解決物理問題是學(xué)好物理必不可少的前提條件之一。整體教學(xué)過程安排的設(shè)想是為了培養(yǎng)學(xué)生用分析、猜想、實驗（觀察）、理論驗證的科學(xué)方法探求新知識的能力。 磁場磁場對運動電荷的作用教案 一、教學(xué)目標 1．通過實驗掌握左手定則，并能熟練地用左手定則判斷磁場對運動電荷的作用力——洛侖茲力的方向。 2．理解安培力是洛侖茲力的宏觀表現(xiàn)。 3．根據(jù)磁場對電流的作用和電流強度的知識推導(dǎo)洛侖茲力的公式f=Bqv，并掌握該公式的適用條件。 4．熟練地應(yīng)用公式f=Bqv進行洛侖茲力大小的計算。 二、重點、難點分析 1．重點是洛侖茲力方向的判斷方法左手定則和洛侖茲力大小計算公式的推導(dǎo)和應(yīng)用。 2．因電荷有正、負兩種，在用左手定則判斷不同的電荷受到的洛侖茲力方向時，要強調(diào)四指所指方向應(yīng)是正電荷的運動方向或負電荷運動的反方向。 3．洛侖茲力計算公式的推導(dǎo)是難點之一，這要從概念上講解清楚。 三、教具 感應(yīng)圈、低壓直流電荷（學(xué)生電源或蓄電池）、陰極射線管，蹄形永久磁鐵、導(dǎo)線若干。 四、主要教學(xué)過程 （一）引入新課 1．設(shè)問：我們已經(jīng)掌握了磁場對電流存在力的作用、安培力的產(chǎn)生條件和計算方法，那么磁場對運動電荷是否也有力的作用呢？ 回答：有。 2．實驗： 演示電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)，讓同學(xué)注意當改變磁場方向時，電子束的偏轉(zhuǎn)方向也隨之改變。 （二）教學(xué)過程設(shè)計 1．洛侖茲力（板書） 通過上述實驗，讓學(xué)生思考：電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)的實驗現(xiàn)象揭示了什么？ 定義：磁場對運動電荷存在著力的作用，我們把它稱做洛侖茲力。 2．洛侖茲力產(chǎn)生的條件（板書） 通過實驗，師生共同得出。 結(jié)論：電荷電量q≠0，電荷運動速度v≠0，磁場相對運動電荷速度的垂直分量B⊥≠0，三個條件必須同時具備。在這里教師進一步強調(diào)，當運動電荷垂直進入磁場時受到磁場力的作用最大，教材只要求學(xué)生掌握這種情況。 3．洛侖茲力方向的判斷：（板書） 進一步觀察電子束垂直進入磁場時的偏轉(zhuǎn)，并改變磁場方向。在黑板上作圖表示，讓同學(xué)找出一種判斷方法。也可聯(lián)系安培力方向的判斷推理確定洛侖茲力方向的判斷方法——左手定則。 結(jié)論：洛侖茲力的方向判斷也遵循左手定則。 4．洛侖茲力的大小（板書） 師生共同討論得出。 提問：（1）如何用（單位體積內(nèi)含的運動電荷數(shù)n，每個電荷電量為q，電荷的平均定向移動速率是v，導(dǎo)線的橫截面積是S）n、q、v、S來表示通電導(dǎo)線中的電流強度I？ 教師畫圖點撥，學(xué)生自己討論得出 （2）如何從合力的觀點出發(fā)用洛侖茲力f來表達安培力F的值？（當通電導(dǎo)線垂直于磁場時） 教師點撥，學(xué)生自己討論得出 F=LIB=Mf……②（N為導(dǎo)線中電荷總數(shù)） （3）讓學(xué)生自己根據(jù)上面二個式子推出一個運動電荷垂直于磁場方向運動時受到的洛侖茲力的大小。 ①代入②式：LnvSqB=Nf N=nLS f=Bqv （4）提問：f=Bqv的適用條件是什么？ 答：當電荷q以速度v垂直進入磁感應(yīng)強度為B的磁場中，它所受的洛侖茲力f=Bqv。 （三）小結(jié) 安培力是洛侖茲力的宏觀表現(xiàn)。當運動電荷q以速度v垂直進入磁感應(yīng)強度為B的磁場中，它受到的洛侖茲力f=Bqv。洛侖茲力的方向由左手定則來判斷。 當電荷運動速度平行于磁場方向進入磁場中，電荷不受洛侖茲力作用。 （四）課堂練習(xí) 1．如圖所示，運動電荷電量為q=210-8C，電性圖中標明，運動速度v=4103m／s，勻強磁場磁感應(yīng)強度為B=0.5T，求電荷受到的洛侖茲力的大小和方向。 可以讓六位同學(xué)上黑板上每人演算一小題，寫出公式計算洛侖茲力的大小，并標明電荷受力方向。 2．當一帶正電q的粒子以速度v沿螺線管中軸線進入該通電螺線管，若不計重力，則 [ ] A．帶電粒子速度大小改變； B．帶電粒子速度方向改變； C．帶電粒子速度大小不變； D．帶電粒子速度方向不變。 五、說明 1．本節(jié)教材的重點是洛侖茲力產(chǎn)生的條件，洛侖茲力的大小和方向，難點是公式f=Bqv的推導(dǎo)，為突出重點和難點，該節(jié)內(nèi)容不涉及帶電粒子在磁場中的運動軌跡等問題。 2．嚴格說，洛侖茲力的大小等于電荷電量q、電荷速率v、磁感應(yīng)強度B以及v和B間夾角θ的正弦sinθ的乘積。當電荷運動速率方向與磁場方向垂直時，電荷受洛侖茲力最大，f=Bqv；當電荷運動方向與磁場方向一致時，電荷受洛侖茲力最小，等于零。因教材只要求學(xué)生掌握后兩種情況的判斷和計算，所以教案中只推導(dǎo)出θ=90時的洛侖茲力f=Bqv。 3．洛侖茲力屬于微觀力學(xué)范疇，充分利用實驗讓學(xué)生從感性知識入手，激發(fā)學(xué)生的興趣，在講解重點知識時，分步運用觀察實驗、提問、思考、講解、推導(dǎo)等手段，讓同學(xué)在積極參與的過程中理解和掌握本節(jié)知識內(nèi)容。 磁場帶電粒子的圓周運動教案 一、教學(xué)目標 1．在物理知識方面： （1）理解帶電粒子在勻強磁場中垂直于磁場方向運動時，為什么會做勻速圓周運動。 （2）掌握帶電粒子做圓周運動的半徑公式與周期公式及其推導(dǎo)過程。 （3）了解回旋加速器的工作原理，加深對半徑公式與周期公式的理解。 2．在培養(yǎng)學(xué)生能力方面，通過引導(dǎo)學(xué)生由洛侖茲力對運動電荷的作用力的分析，逐步得出帶電粒子在磁場中的運動規(guī)律，以及通過讓學(xué)生推導(dǎo)半徑公式、周期公式等教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生的遷移能力，體會如何用已學(xué)知識來探討研究新問題。 3．通過對回旋加速器的介紹，開闊學(xué)生眼界，了解物理學(xué)知識在高新科技領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的興趣。 二、重點、難點分析 1．通過對運動電荷所受洛侖茲力的分析及觀察演示實驗，使學(xué)生得出帶電粒子垂直于磁場方向運動時，一定做勻速圓周運動的結(jié)論是本節(jié)重點之一。 r 徑與周期T與哪些因素有關(guān)是本節(jié)又一重點。 3．“回旋加速器”是選修內(nèi)容，電場、磁場在回旋加速器中的作用，電場變化周期與粒子在磁場中做圓運動的周期之間的關(guān)系是這部分教學(xué)的難點。 三、教具 1．ZJ82－B型洛侖茲力演示儀。 2．掛圖：回旋加速器工作原理圖。 四、主要教學(xué)過程 1．提出問題，引入新課 提問（1）：如圖1所示，勻強磁場方向垂直紙面向里，一帶負電的粒子以速度v垂直于磁場方向運動，磁場對電荷有什么作用？作用力的方向及大小如何？ 總結(jié)學(xué)生的回答：運動電荷受到洛侖茲力f的作用，作用力的方向與速度方向垂直，力的方向與速度方向在同一平面內(nèi)，作用力的大小f=Bqv。 提問（2）：根據(jù)牛頓第二定律，洛侖茲力對電荷的運動將產(chǎn)生什么樣的作用？ 總結(jié)學(xué)生的回答：根據(jù)牛頓第二定律，洛侖茲力使電荷沿力的方向產(chǎn)生與速度方向垂直的加速度，這個加速度將使電荷運動方向發(fā)生改變。 提問（3）：洛侖茲力會不會使電荷速度大小發(fā)生改變？為什么？ 總結(jié)學(xué)生的回答：不會，因為洛侖茲力方向總是與速度方向垂直，所以洛侖茲力對電荷不做功，電荷的動能不變，所以速度大小不變。 這里還應(yīng)強調(diào)由于洛侖茲力f=Bqv，當v的大小不變，f的大小也不會變。 提問（4）：電荷在以后的運動過程中所受的洛侖茲力有什么特點，在這樣的力的作用下電荷會做什么樣的運動？ 總結(jié)學(xué)生的回答：電荷在運動過程中洛侖茲力的大小恒定，方向時刻與電荷運動方向垂直，這個力與物體做勻速圓周運動的向心力所起的效果完全相同，因此帶電粒子將在垂直磁場方向的某平面內(nèi)做勻速圓周運動，如圖2所示。 以上是通過理論分析得出的結(jié)論，下面用實驗來驗證一下。 2．演示帶電粒子在磁場中的圓周運動 （1）介紹實驗裝置及實驗原理，告訴學(xué)生實驗中的勻強磁場是由兩個平行的通電環(huán)形線圈產(chǎn)生的，改變環(huán)形電流的強度可以改變磁場的強弱。 （2）演示帶電粒子在電場中被加速后的直線運動軌跡。 （3）演示當建立與速度方向垂直的磁場后，帶電粒子做圓周運動的軌跡，引導(dǎo)學(xué)生注意觀察帶電粒子圓周運動所在的平面與磁場方向的關(guān)系。 （4）改變加速電場的電壓，觀察粒子圓周運動的半徑發(fā)生什么樣的變化；改變磁場的強弱，觀察圓周運動的半徑發(fā)生什么樣的變化。 通過以上教學(xué)過程可以使學(xué)生得出結(jié)論：當帶電粒子垂直于磁場方向運動時，在洛侖茲力的作用下，帶電粒子將做勻速圓周運動。 下面根據(jù)演示中觀察到圓半徑會因某些因素變化而改變的現(xiàn)象，進一步討論圓周運動的半徑與周期。 3．圓周運動的半徑與周期公式（這部分教學(xué)以學(xué)生自己推導(dǎo)為主） （1）圓周運動的半徑公式 首先讓學(xué)生回憶當物體做勻速圓周運動時，向心力與物體速度、圓半徑之間有關(guān)系式 然后引導(dǎo)學(xué)生思考：帶電粒子在磁場中做圓周運動的向心力是誰提供的？其大小與什么有關(guān)？讓學(xué)生自己推導(dǎo)得出： 老師總結(jié)：帶電粒子做圓周運動的半徑與磁感應(yīng)強度B、粒子質(zhì)量m、電量q及運動速率的大小有關(guān)；并對演示實驗中半徑變化原因做出解釋。 （2）周期公式 讓學(xué)生思考：如果知道了圓周運動的半徑及粒子的速率，如何求出粒子轉(zhuǎn)一圈所用的時間，即圓周運動的周期？使學(xué)生自己推導(dǎo)得出 老師可提醒學(xué)生注意，雖然推導(dǎo)T時涉及了半徑r與速率v，但最后結(jié)果中T的大小與r、v都無關(guān)。 例：已知氫核與氦核的質(zhì)量之比m1∶m2=1∶4，電量之比q1∶q1=1∶2，當氫核與氦核以相同的動量，垂直于磁場方向射入磁場后，分別做勻速圓周運動，則氫核與氦核半徑之比r1∶r2=______，周期之比T1∶T2=______。若它們以相同的動能射入磁場后，其半徑之比r′1∶r′2=______，周期之比T′1∶T′2=______ 由于周期只與B、m、q有關(guān)，與v、r無關(guān)，所以 4．介紹回旋加速器的工作原理 在現(xiàn)代物理學(xué)中，人們?yōu)樘剿髟雍藘?nèi)部的構(gòu)造，需要用能量很高的帶電粒子去轟擊原子核，如何才能使帶電粒子獲得巨大能量呢？如果用高壓電源形成的電場對電荷加速，由于受到電源電壓的限制，粒子獲得的能量并不太高。美國物理學(xué)家勞倫斯于1932年發(fā)明了回旋加速器，巧妙地利用較低的高頻電源對粒子多次加速使之獲得巨大能量，為此在1939年勞倫斯獲諾貝爾物理獎。那么回旋加速器的工作原理是什么呢？ 學(xué)生自己閱讀教材。 展示掛圖（圖3）。 可根據(jù)情況先由學(xué)生講解后老師再總結(jié)。 在講解回旋加速器工作原理時應(yīng)使學(xué)生明白下面兩個問題： （1）在狹縫A′A′與AA之間，有方向不斷做周期變化的電場，其作用是當粒子經(jīng)過狹縫時，電源恰好提供正向電壓，使粒子在電場中加速。狹縫的兩側(cè)是勻強磁場，其作用是當被加速后的粒子射入磁場后，做圓運動，經(jīng)半個圓周又回到狹縫處，使之射入電場再次加速。 （2）粒子在磁場中做圓周運動的半徑與速率成正比，隨著每次加速，半徑不斷增大，而粒子運動的周期與半徑、速率無關(guān)，所以每隔相 就可使粒子每到狹縫處剛好得到正向電壓而加速。 老師還可向?qū)W生介紹回旋加速器的局限性以及當前各類加速器的性能及北京郊區(qū)正負電子對撞機的有關(guān)情況。