高中物理新課標(biāo)版選修3-1優(yōu)秀教案:3.6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)_第1頁(yè)
高中物理新課標(biāo)版選修3-1優(yōu)秀教案:3.6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)_第2頁(yè)
高中物理新課標(biāo)版選修3-1優(yōu)秀教案:3.6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)_第3頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、教學(xué)設(shè)計(jì)整體設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)1 知識(shí)與技能(1)理解洛倫茲力對(duì)粒子不做功。(2)理解帶電粒子的初速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直時(shí),粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。(3)會(huì)推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑、周期公式,知道它們與哪些因素有關(guān),并會(huì)用它們解答有關(guān)問(wèn)題。(4)知道質(zhì)譜儀的工作原理。知道回旋加速器的基本構(gòu)造、工作原理及用途。2 過(guò)程與方法通過(guò)綜合運(yùn)用力學(xué)知識(shí)、電磁學(xué)知識(shí)解決帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)(電場(chǎng)、磁場(chǎng))中的問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力。3 情感、態(tài)度與價(jià)值觀通過(guò)本節(jié)知識(shí)的學(xué)習(xí),充分了解科技的巨大威力,體會(huì)科技的創(chuàng)新與應(yīng)用歷程。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn):帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的

2、半徑和周期公式,并能用來(lái)分析有關(guān)問(wèn)題。難點(diǎn):帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力分析及運(yùn)動(dòng)徑跡。教學(xué)方法實(shí)驗(yàn)觀察法、講述法、分析推理法。教學(xué)用具洛倫茲力演示儀、電源、投影儀、投影片、多媒體輔助教學(xué)設(shè)備。教學(xué)過(guò)程導(dǎo)入新課問(wèn)題1什么是洛倫茲力?磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力問(wèn)題2帶電粒子在磁場(chǎng)中是否一定受洛倫茲力?不一定,洛倫茲力的計(jì)算公式為F=qvBsin,。為電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角,當(dāng)仁90°時(shí),F(xiàn)=qvB;當(dāng)0=0°時(shí),F(xiàn)=0。問(wèn)題3帶電粒子垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)呢?今天我們來(lái)學(xué)習(xí)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、質(zhì)譜儀。推進(jìn)新課【演示】先介紹洛倫茲力演示儀的工作原理,由電

3、子槍發(fā)出的電子射線可以使管內(nèi)的低壓水銀蒸氣發(fā)出輝光,顯示出電子的徑跡。后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在暗室中可以清楚地看到,在沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí),電子的徑跡是直線;在管外加上勻強(qiáng)磁場(chǎng)(這個(gè)磁場(chǎng)是由兩個(gè)平行的通電環(huán)形線圈產(chǎn)生的),電子的徑跡變彎曲成圓形。教師引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論當(dāng)帶電粒子的初速度方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力及運(yùn)動(dòng)情況分析(動(dòng)態(tài)課件)。一是要明確所研究的物理現(xiàn)象的條件在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子;二是分析帶電粒子的受力情況,用左手定則明確帶電粒子初速度與所受到的洛倫茲力在同一平面內(nèi),所以只可能做平面運(yùn)動(dòng);三是

4、洛倫茲力不對(duì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子做功,它的速率不變,同時(shí)洛倫茲力的大小也不變;四是根據(jù)牛頓第二定律,洛倫茲力使運(yùn)動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生加速度(向心加速度)。出示投影/一、X/XXryXi/F77Vx、-一一XX<X電子受到怎樣的力的作用?這個(gè)力和電子的速度的關(guān)系是怎樣的?(電子受到垂直于速度方向的洛倫茲力的作用)洛倫茲力對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)有什么作用?(洛倫茲力只改變速度的方向,不改變速度的大?。┯袥](méi)有其他力作用使電子離開(kāi)磁場(chǎng)方向垂直的平面?(沒(méi)有力作用使電子離開(kāi)磁場(chǎng)方向垂直的平面)洛倫茲力做功嗎?(洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功)1 .帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(1)運(yùn)動(dòng)軌跡:沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電

5、粒子,粒子在垂直磁場(chǎng)方向的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),此洛倫茲力不做功。【注意】帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由洛倫茲力提供。通過(guò)“思考與討論”,使學(xué)生理解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑r和周期T與粒子所帶電荷量、質(zhì)量、粒子的速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么關(guān)系。出示投影一帶電量為q,質(zhì)量為m,速度為v的帶電粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,其半徑r和周期T為多大?問(wèn)題1什么力給帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力?洛倫茲力給帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)提供向心力問(wèn)題2向心力的計(jì)算公式是什么?F=mv2/r2教師推導(dǎo)粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力F=mv是由粒子所受的洛倫茲力提供的,所以qvB=mv2/r,由此

6、得出r=mv,丁;號(hào)1篇,可得丁=2背。qBvqBqB(2)軌道半徑和周期帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑及周期公式。軌道半徑r=mVqB周期T=2ttm/qB【說(shuō)明】(1)軌道半徑和粒子的運(yùn)動(dòng)速率成正比。(2)帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期跟軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速率無(wú)關(guān)。【討論】在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中如果帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向不與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直,它的運(yùn)動(dòng)軌跡是什么樣的曲線?分析:當(dāng)帶電粒子的速度分別為垂直于B的分量V1和平行于B的分量V2,因?yàn)椤昂虰垂直,受到洛倫茲力qvB,此力使粒子q在垂直于B的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),丫2和8平行,不受洛倫茲力,故粒子在沿B方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng),可見(jiàn)粒子

7、的合運(yùn)動(dòng)是一等距螺旋運(yùn)動(dòng)。再用洛倫茲力演示儀演示出示投影課本例題如圖所示,一質(zhì)量為m,電荷量為q的粒子從容器A下方小孔Si飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng),然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中,最后打到底片D上。(1)粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率。(2)求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。解:(1)粒子在Si區(qū)做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng).由動(dòng)能定理知,粒子在電場(chǎng)中得到的動(dòng)能等于電場(chǎng)對(duì)它所做的功,即mv2=qU由此可得v=,2qU/m02(2)粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供,即qvB=m所以粒子的軌道半徑為r=mv/qB=2mU/qB2教師講解r和進(jìn)入磁場(chǎng)的速度無(wú)關(guān),進(jìn)入同一磁場(chǎng)時(shí),8

8、dm,而且這些量中,U、B、r可以直接測(cè)量,那么,我們可以用裝置來(lái)測(cè)量比荷或算出質(zhì)量。例題在處理上,可以讓學(xué)生自己處理,教師引導(dǎo)總結(jié)。為了加深對(duì)帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解,可以補(bǔ)充例題和適量的練習(xí)。注意:在解決這類問(wèn)題時(shí),如何確定圓心、畫(huà)出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡、半徑及圓心角,找出幾何關(guān)系是解題的關(guān)鍵。例題給我們展示的是一種十分精密的儀器質(zhì)譜儀(3)質(zhì)譜儀閱讀課文及例題,回答以下問(wèn)題:試述質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)。試述質(zhì)譜儀的工作原理。什么是同位素?質(zhì)譜儀最初是由誰(shuí)設(shè)計(jì)的?試述質(zhì)譜儀的主要用途。閱讀后學(xué)生回答:質(zhì)譜儀由靜電加速器、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、顯示屏等組成。電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子,它們進(jìn)入

9、磁場(chǎng)后將沿著不同的半徑做圓周運(yùn)動(dòng),打到照相底片不同的地方,在底片上形成若干譜線狀的細(xì)條,叫質(zhì)譜線,每一條對(duì)應(yīng)于一定的質(zhì)量,從譜線的位置可以知道圓周的半徑r,如果再已知帶電粒子的電荷量q,就可算出它的質(zhì)量。質(zhì)子數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子互稱為同位素。質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì)。質(zhì)譜儀是一種十分精密的儀器,是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具?!具^(guò)渡語(yǔ)】先從研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的需要出發(fā)提出怎樣大量產(chǎn)生高能帶電粒子的問(wèn)題,從而引出早期使用的加速器一一靜電加速器。2 .回旋加速器(1)直線加速器加速原理:利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電的粒子動(dòng)能增加,即qU=AEk直線加速器的多級(jí)加速:

10、教材圖3.65所示的是多級(jí)加速裝置的原理圖,由動(dòng)能定理可知,帶電粒子經(jīng)N級(jí)的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能,AEk=q(Ui+6+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)回旋加速器由美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯于1932年發(fā)明。其結(jié)構(gòu)教材圖3.66所示。核心部件為兩個(gè)D形盒(加勻強(qiáng)磁場(chǎng))和其間的夾縫(加交變電場(chǎng))。加速原理:通過(guò)“思考與討論”讓學(xué)生自己分析出帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期公式T=2兀m/qB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(wú)關(guān),從而理解回旋加速器的原理。在學(xué)生思考之后,可作如下的解釋:如果其他因素(q、m、B)不變,則

11、當(dāng)速率v加大時(shí),由r=mv/qB得知圓運(yùn)動(dòng)半徑將與v成正比例地增大,因而圓運(yùn)動(dòng)周長(zhǎng)2兀?瞪也將與v成正比例地增大,因此運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間(周期)仍將保持原值。最后提到了回旋加速器的效能(可將帶電粒子加速,使其動(dòng)能達(dá)到25MeV30MeV),(如圖)為狹義相對(duì)論埋下了伏筆。老師再進(jìn)一步歸納各部件的作用:在洛倫茲力的作用下磁場(chǎng)的作用:帶電粒子以某一速度垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后,做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其周期在q、m、B不變的情況下與速度和軌道半徑無(wú)關(guān),帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間(半個(gè)周期)后平行電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)加速。電場(chǎng)的作用:回旋加速器的兩個(gè)D形盒之間的夾縫區(qū)域存在周期性變化并垂直于兩個(gè)D形盒

12、正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng),帶電粒子經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)被加速。交變電壓的作用:為保證交變電場(chǎng)每次經(jīng)過(guò)夾縫時(shí)都被加速,使之能量不斷提高,須在夾縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓。帶電粒子經(jīng)加速后的最終能量:(運(yùn)動(dòng)半徑最大為D形盒的半徑R)由R=mv/qB得v=qBR/m,所以最終能量為Em=mv2/2=q2B2R2/2m討論:要提高帶電粒子的最終能量,應(yīng)采取什么措施?(可由上式分析)例:1989年初,我國(guó)投入運(yùn)行的高能粒子回旋加速器可以把電子的能量加速到2.8GeV;若改用直線加速器加速,設(shè)每級(jí)的加速電壓為U=2.0X105V,則需要幾級(jí)加速?解:設(shè)經(jīng)n級(jí)加速,由neU=E,有n=E/eU=

13、1.4X104(級(jí))3 .對(duì)本節(jié)要點(diǎn)作簡(jiǎn)要小結(jié):學(xué)生先自我小結(jié)分組展示,教師點(diǎn)評(píng)歸納整合。4 .鞏固新課:(1)復(fù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容(2)完成課本“問(wèn)題與練習(xí)”2、4題。實(shí)例探究帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)例1一個(gè)負(fù)離子,質(zhì)量為m,電荷量大小為q,以速率v垂直于屏S經(jīng)過(guò)小孔。射入存在著勻強(qiáng)磁場(chǎng)的真空室中,如圖所示。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與離子的運(yùn)動(dòng)方向垂直,并垂直于圖中紙面向里。八|XXXXQyr>cxXXVXXXXsXXXX(1)求離子進(jìn)入磁場(chǎng)后到達(dá)屏S上時(shí)的位置與。點(diǎn)的距離。(2)如果離子進(jìn)入磁場(chǎng)后經(jīng)過(guò)時(shí)間t到達(dá)位置P,證明:直線OP與離子入射方向之間的夾角。跟t的關(guān)系是AqBt。2m解析

14、:(1)離子的初速度與勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向垂直,在洛倫茲力作用下,做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。設(shè)圓半徑為r,則據(jù)牛頓第二定律可得:2Bqv=my,解得r=q如圖所示,離了回到屏S上的位置A與O點(diǎn)的距離為:AO=2rft0,XXXXax2mv所以AO=DoBq(2)當(dāng)離子到位置P時(shí),圓心角:a=vt=Bqt因?yàn)閍=20,所以0=2m-to例2如圖所示,半徑為r的圓形空間內(nèi),存在著垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一個(gè)帶電粒子(不計(jì)重力),從A點(diǎn)以速度vo垂直磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)中,并從B點(diǎn)射出,/AOB=120°,則該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為()A . 2 兀 r/3vC.兀 r/3vB.273兀r/3oD.小

15、rr/3v解析:首先通過(guò)已知條件找到AB所對(duì)應(yīng)的圓心O',由圖可知t,由圓周運(yùn)動(dòng)和 t=就,但題中已知條件不夠,沒(méi)有此選項(xiàng),必須另想辦法找規(guī)律表示ABRXfllAB-=j。其中R為AB弧所對(duì)應(yīng)的軌道半徑,由圖中OO'A可得R=T3r,所以t=M3rX兀/3畫(huà)D選項(xiàng)正確。答案:D例3電子自靜止開(kāi)始經(jīng)M、N板間(兩板間的電壓為u)的電場(chǎng)加速后從A點(diǎn)垂直于磁場(chǎng)邊界射入寬度為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,電子離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)的位置P偏離入射方向的距離為L(zhǎng),如圖所示。求勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。(已知電子的質(zhì)量為m,電量為e)nn產(chǎn)xx加UU4iXXXxl£O-44Ton北MNIxxxxi:P-d1c

16、解析:設(shè)電子在M、N間加速后獲得的速度為v,由動(dòng)能定理得:jmv20=eu2電子進(jìn)入磁場(chǎng)后做勻速圓周運(yùn)動(dòng),設(shè)其半徑為r,則:evB=mv電子在磁場(chǎng)中的軌跡如圖,由幾何關(guān)系得:2M me2L2mu由以上二式得:B=-22jpJe5.布置作業(yè):課本“問(wèn)題與練習(xí)”第3題。備課資料粒子加速器在中國(guó)的發(fā)展1955年中國(guó)科學(xué)院原子能所建成700eV質(zhì)子靜電加速器。1957年前后中國(guó)科學(xué)院開(kāi)始研制電子回旋加速器。1958年中國(guó)科學(xué)院高能所2.5MeV質(zhì)子靜電加速器建成。中國(guó)第一臺(tái)回旋加速器建成。清華大學(xué)400keV質(zhì)子倍壓加速器建成。19581959年清華大學(xué)2.5MeV電子回旋加速器出電子束。1964年中國(guó)科學(xué)院高能所30MeV電子直線加速器建成。1982年中國(guó)第一臺(tái)自行設(shè)計(jì)、制造的質(zhì)子直線加速器首次引出能量為10MeV的質(zhì)子束流,脈沖流達(dá)到14mA。1988年北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)撞。蘭州近代物理研究所用于加速器重離子的分離扇形回旋加速器(HIRFL)建成。1989年北京譜儀推至對(duì)撞點(diǎn)上,開(kāi)始總體檢驗(yàn),用已獲得的巴巴事例進(jìn)行刻度。北京譜儀開(kāi)始物理工作。中國(guó)科技大學(xué)設(shè)計(jì)的我國(guó)最早起步的同步輻射加速器建成出光,它由200MeV電子直線加速器和800MeV儲(chǔ)存環(huán)組成。2004年

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