www.gkstk.com課題3.6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)教師 授課教師 時(shí)間 課型新授課課時(shí) 教學(xué)目標(biāo)一、知識(shí)與能力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,并會(huì)用它們解答有關(guān)問題. 知道質(zhì)譜儀的工作原理。4、知道回旋加速器的基本構(gòu)造、工作原理 、及用途 二、過程與方法通過綜合運(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))中的問題.培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力.三、情感態(tài)度與價(jià)值觀通過對(duì)本節(jié)的學(xué)習(xí),充分了解科技的巨大威力,體會(huì)科技的創(chuàng)新歷程重點(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)的半徑和周期公式,并能用來分析有關(guān)問題.難點(diǎn):1.粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng).2.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)中的問題. 教法演示法教具洛倫茲力演示儀、感應(yīng)線圈、電源、多媒體等教學(xué)過程設(shè)計(jì)教材處理師生活動(dòng)  (一)復(fù)習(xí)引入 [問題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=qvBsinθ,θ為電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角,當(dāng)θ=90°時(shí),F=qvB;當(dāng)θ=0°時(shí),F=0.[問題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.   教學(xué)過程設(shè)計(jì)教材處理師生活動(dòng)(二)新課講解---第六節(jié)、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)【演示】先介紹洛倫茲力演示儀的工作原理,由電子槍發(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).(并說明相關(guān)問題104-105頁(yè))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].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?。?/span>.有沒有其他力作用使電子離開磁場(chǎng)方向垂直的平面?(沒有力作用使電子離開磁場(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。                               教學(xué)過程設(shè)計(jì)教材處理師生活動(dòng)通過思考與討論 105頁(yè)),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]一為帶電量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][問題2]向心力的計(jì)算公式是什么?[F=mv2/r[教師推導(dǎo)]粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力F=m是由粒子所受的洛倫茲力提供的,所以   qvB=mv2/ r由此得出r=       T=可得T=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.1、軌道半徑r =       2、周期T =2πm/ qB【說明】: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)方向不和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直,它的運(yùn)動(dòng)軌道是什么樣的曲線?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)?/span>v1B垂直,受到洛倫茲力qv1B,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),v1B平行,不受洛倫茲力,故粒子在沿B方向上做勻速曲線運(yùn)動(dòng),可見粒子的運(yùn)動(dòng)是一等距螺旋運(yùn)動(dòng).                           教學(xué)過程設(shè)計(jì)教材處理師生活動(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S1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. (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S1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     由此可得v=.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=[教師講解]r和進(jìn)入磁場(chǎng)的速度無關(guān),進(jìn)入同一磁場(chǎng)時(shí),r,而且這些個(gè)量中,u、B、r可以直接測(cè)量,那么,我們可以用裝置來測(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:在解決這類問題時(shí),如何確定圓心、畫出粒子的運(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                            教學(xué)過程設(shè)計(jì)教材處理師生活動(dòng)補(bǔ)充例題: 如圖所示,半徑為r的圓形空間內(nèi),存在著垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一個(gè)帶電粒子(不計(jì)重力),從A點(diǎn)以速度v0垂直磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)中,并從B點(diǎn)射出,已知AOB=120°,求該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。分析:首先通過已知條件找到所對(duì)應(yīng)的圓心O畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡并畫出幾何圖形。解:設(shè)粒子在磁場(chǎng)中的軌道半徑為R,粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡及幾何圖形如圖所示。粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由洛倫茲力提供,qvB=mv2/R         幾何關(guān)系有:R = r tan60o   粒子的運(yùn)動(dòng)周期T =2πR/v0         由圖可知θ=60°,得電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間  t = T/6    聯(lián)立以上各式解得:t=rπ/3v0 3)、質(zhì)譜儀閱讀課文及例題,回答以下問題:1.試述質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu).2.試述質(zhì)譜儀的工作原理.3.什么是同位素?4.質(zhì)譜儀最初是由誰設(shè)計(jì)的?5.試述質(zhì)譜儀的主要用途.閱讀后學(xué)生回答:1.質(zhì)譜儀由靜電加速極、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、顯示屏等組成.2.電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子,它們進(jìn)入磁場(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.3.質(zhì)子數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子互稱為同位素. 教學(xué)過程設(shè)計(jì)教材處理師生活動(dòng)4.質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì).5.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.-------1課時(shí))【過渡語】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題,從而引出早期使用的加速器——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 =ΔEk直線加速器的多級(jí)加速: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,ΔEk=qU1+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)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 = 2πm/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)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25 MeV~30 MeV),為狹義相對(duì)論埋下了伏筆。                                                  教學(xué)過程設(shè)計(jì)教材處理師生活動(dòng)老師再進(jìn)一步歸納各部件的作用:(如圖) 磁場(chǎng)的作用:交變電場(chǎng)以某一速度垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后,在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(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:回旋加速器的的兩個(gè)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(gè)D形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng),帶電粒子經(jīng)過該區(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)過夾縫時(shí)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(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)R=mv/qB 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 =2.0×105V,則需要幾級(jí)加速?解:設(shè)經(jīng)n級(jí)加速,neU=E     n=E/eU=1.4×104(級(jí))(三)對(duì)本節(jié)要點(diǎn)做簡(jiǎn)要小結(jié).(四)鞏固新課:復(fù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容        教學(xué)過程設(shè)計(jì)教材處理師生活動(dòng)  教學(xué)后記板書設(shè)計(jì)
   

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6 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

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