帶電粒子在勻強磁場中的運動

1、帶電粒子在勻強磁場中的運動朱青松【教學(xué)目標 】一知識與技能1. 理解帶電粒子的初速度方向與磁感應(yīng)強度方向垂直時，在勻強磁場中做勻速圓周運 動。2. 熟練掌握 帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動 的根本規(guī)律。3. 推導(dǎo)帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑、周期公式，學(xué)會解答有關(guān)問題。4. 知道質(zhì)譜儀的工作原理及旋加速器的根本構(gòu)造、工作原理及用途。二過程與方法 通過學(xué)習(xí)質(zhì)譜儀的工作原理，讓學(xué)生認識先進科技的開展，有助于培養(yǎng)學(xué)生對物理的 學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)分析物理問題的能力，掌握構(gòu)建物理圖景的分析方法，綜合運用力學(xué)知識、 電磁學(xué)知識解決帶電粒子在復(fù)合場電場、磁場中的問題。三情感態(tài)度與價值觀1. 通過對

2、本節(jié)的學(xué)習(xí)，充分了解科技的巨大威力，體會科技的創(chuàng)新歷程。2. 培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題的能力，體會物理知識的實際應(yīng)用。【教材分析 】本節(jié)是本章知識的重要應(yīng)用之一，是力學(xué)知識和電磁學(xué)知識的綜合。 通過對本節(jié)知識 的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠把洛倫茲力和動力學(xué)知識有機地結(jié)合起來，加深對力、磁場知識的理解， 有利于培養(yǎng)學(xué)生用物理規(guī)律解決實際問題的能力?！窘虒W(xué)重點】 帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑公式和周期公式，并能用來解決有關(guān)問 題。【教學(xué)難點】1. 帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動的根本規(guī)律。 qvB=mv2/r2. 綜合運用力學(xué)知識、電磁學(xué)知識解決帶電粒子在復(fù)合場中的問題 .【教學(xué)方法】 分析法、講

3、練法 【教學(xué)用具】 多媒體【教學(xué)過程】一復(fù)習(xí)舊知 引入新課 問題 1勻速圓周運動受力有什么特點？向心力大小公式？速度有什么特點？生：做勻速圓周運動的物體受力合力指向圓心，F(xiàn) =mv2/r,速度大小不變，方向不斷改變。 問題 2帶電粒子在磁場中一定受到洛倫茲力嗎？ 生：當(dāng)帶電粒子的速度與磁場方向平行時，帶電粒子不受洛念倫茲力。 問題 3洛倫茲力的大小怎么計算？生：F=qvBsinB 問題 4洛倫茲力的向如何確定？生：左手定那么問題5洛倫茲力有什么特點？生：對運動電荷不做功，不改變速度大小只改變速度方向。引入：帶電粒子進入勻強磁場時將做什么運動呢？今天我們就來討論一帶電粒子在勻強磁場中的運動(二)

4、 新課教學(xué)一.帶電粒子在勻強磁場中的運動(重力不計)1. 帶電粒子平行射入勻強磁場的運動狀態(tài)？學(xué)生分析得出結(jié)論：勻速直線運動2. 帶電粒子垂直射入勻強磁場的運動狀態(tài)？理論分析：首先回憶勻速圓周運動的特點：速率不變，向心力和速度垂直且始終在同一 平面，向心力大小不變始終指向圓心。帶電粒子在勻強磁場中的運動時速度、受力否符合 上面3個特點。得出猜想：帶電粒子垂直射入勻強磁場后做勻速圓周運動。3. 在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑r和周期T，與速度V、磁場強度B的關(guān)系？學(xué)生推導(dǎo)：2(1 )圓周運動的半徑qvB= mv /RR=mv/qB(2)圓周運動的周期T=2 n R/vT=2 n m/Bq教師總

5、結(jié)： 同一粒子在相同磁場中半徑跟速率成正比。 同一磁場周期與 r和v均無關(guān)，而與比荷 q/m成反比。實驗驗證1洛倫茲力演示儀結(jié)構(gòu)： 電子槍：射出電子 加速電場：作用是改變電子束出射的速度 勵磁線圈：作用是能在兩線圈之間產(chǎn)生平行于兩線圈中心的連線的勻強磁場(2)實驗結(jié)論： 沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做勻速圓周運動。 磁場強度不變，粒子射入的速度增加，軌道半徑也增大。 粒子射入速度不變，磁場強度增大，軌道半徑減小。實驗驗證2圖片：帶電粒子在汽泡室運動徑跡的照片。有的粒子運動過程中能量降低，速度減小， 徑跡就呈螺旋形。結(jié)論：沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場

6、中做勻速圓周運動。例1 :一個質(zhì)量為 m、電荷量為q的粒子，沉著器下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，然后經(jīng)過 S3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應(yīng)強度為E的勻強磁場中，最后打到 照相底片D上求：(1) 求粒子進入磁場時的速率(2) 求粒子在磁場中運動的軌道半徑解：由動能定理得：qU = mv2 /2,解得： m粒子在磁場中做勻速圓周運動得半徑為：R = mv/qB=m 2qU / m /qB=教師引導(dǎo)分析：由例 1的結(jié)果可知r和進入磁場的速度無關(guān)，進入同一磁場時，r ocm ，而且這些個量中，q出質(zhì)量，這就是質(zhì)譜儀。二.實際應(yīng)用u、B、r可以直接測量，那么，我們可以用裝置來測量比荷或算1.

7、質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計的,他用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖 20和氖22,證實了同位素的存在，現(xiàn)在的質(zhì)譜儀已經(jīng)是一種十分精密的儀器，是測量帶電粒子質(zhì)量和分析同 位素的重要工具。2.加速器1直線加速器 加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使其動能增加，即qU = Ek 直線加速器的多級加速：多媒體演示直線加速器的原理圖由動能定理可知，帶電粒子經(jīng)N級的電場加速后增加的動能為 ： Ek=q U1+U2+U3+U4+Un 直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。2盤旋加速器 由美國物理學(xué)家勞倫斯于1932年創(chuàng)造。 多媒體演示盤旋加速器結(jié)構(gòu)與加速帶電粒子的過程。

8、加速原理：通過“思考與討論讓學(xué)生自己分析出帶電粒子做勻速圓周運動的周期公式T = 2 n m/q B,明確帶電粒子的周期在q、m B不變的情況下與速度和軌道半徑無關(guān)，從而理解盤旋加速器的原理。老師再進一步歸納各部件的作用：磁場的作用：交變電場以某一速度垂直磁場方向進入勻強磁場后，在洛倫茲力的作用 下做勻速圓周運動，其周期在q、m B不變的情況下與速度和軌道半徑無關(guān)，帶電粒子每次進入D形盒都運動相等的時間半個周期后平行電場方向進入電場加速。電場的作用：盤旋加速器的的兩個D形盒之間的夾縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個D形盒正對截面的勻強電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速。交變電壓的作用：為保證交變

9、電場每次經(jīng)過夾縫時都被加速，使之能量不斷提高，須 在在夾縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運動周期相同的交變電壓。教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：1帶電粒子在勻強磁場中的運動周期跟運動速率和 軌道半徑無關(guān)，對于一定的帶電粒子和一定的磁感應(yīng)強度 來說，這個周期是恒定的。T=2 n m/Bq2 交變電場的往復(fù)變化周期和粒子的運動周期T相 同，這樣就可以保證粒子在每次經(jīng)過交變電場時都被加速。3粒子最后出加速器的速度大小由盒的半徑?jīng)Q定。4由于俠義相對論的限制，盤旋加速器只能把粒子加速到一定的能量。例2 ： 1989年初，我國投入運行的高能粒子盤旋加速器可以把電子的能量加速到2.8GeV;假設(shè)改用直線加速器加速，設(shè)每級的

10、加速電壓為 U =2.0 X 105V,那么需要幾級加速？解：設(shè)經(jīng)n級加速，由neU=E 有n=E/eU=1.4 X04 級穩(wěn)固練習(xí)：盤旋加速器中磁場的磁感應(yīng)強度為B, D形盒的直徑為d,用該盤旋加速器加速質(zhì)量為 m電量為q的粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為零。求： 1粒子的回轉(zhuǎn)周期是多大？ 2高頻電極的周期為多大？ 3 粒子的最大動能是多 大？ 4粒子在同一個 D形盒中相鄰兩條軌道半徑之比 ？三小結(jié)： 由學(xué)生對本節(jié)要點做簡要小結(jié)【板書設(shè)計】帶電粒子在勻強磁場中的運動一. 帶電粒子在電場中的運動情況平衡、加速和減速1. 帶電粒子平行射入勻強磁場的運動狀態(tài)勻速直線運動2. 帶電粒子垂直射入勻強磁場的

11、運動狀態(tài)？勻速圓周運動半徑公式 R=mv/qB周期公式T=2 n m/Bq注：同一粒子在相同磁場中半徑跟速率成正比。同一磁場周期與 r和v均無關(guān)，而與比荷 q/m成反比。二. 實際應(yīng)用1. 質(zhì)譜儀2. 加速器 1直線加速器 2盤旋加速器【教學(xué)后記 】 本節(jié)課的重點是在讓學(xué)生理解帶電粒子垂直進入勻強磁場后，洛倫茲力總與速度垂直不做功的特點，從受力分析得到運動方程，從而得到半徑和周期公式。教師在整節(jié)課中，通過提出問題t理論分析加猜想t實驗驗證t例題穩(wěn)固，讓學(xué)生自己分析探究帶電粒子在 勻強磁場中的勻速圓周運動，推導(dǎo)粒子運動的軌道半徑和周期公式，與此同時培養(yǎng)學(xué)生的 推理能力。這一教學(xué)過程充分表達了教師著意培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究，表達了新課標要求的 “知識與技能、