2022年《带电粒子在匀强磁场中的运动》教案.pdf

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1、学习好资料欢迎下载高中物理新课标选修3-1 第三章第六节带电粒子在匀强磁场中的运动教案【教学目标 】（一）主要目标1. 理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度方向垂直时，在匀强磁场中做匀速圆周运动。2. 熟练掌握 带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动的基本规律。3. 推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，学会解答有关问题。4. 知道质谱仪的工作原理及旋加速器的基本构造、工作原理及用途。（二）同时目标1. 通过对本节的学习，充分了解科技的巨大威力，体会科技的创新历程。2. 培养学生综合分析问题的能力，体会物理知识的实际应用。【教材分析 】本节是本章知识的重要应用之一，是力学知识和电

2、磁学知识的综合。通过对本节知识的学习，学生能够把洛伦兹力和动力学知识有机地结合起来，加深对力、磁场知识的理解，有利于培养学生用物理规律解决实际问题的能力。【教学重点】带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式和周期公式，并能用来解决有关问题。【教学难点】1. 带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动的基本规律。qvB=mv2/r 2. 综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场中的问题. 【教学方法】分析法、讲练法【教学用具】多媒体【教学过程】（一）复习旧知引入新课教师活动：匀速圆周运动受力有什么特点？向心力大小公式？速度有什么特点？学生活动：做匀速圆周运动的物体受力合力指向圆心，F=mv2

3、/r，速度大小不变，方向不断改变。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - - 学习好资料欢迎下载教师活动 :带电粒子在磁场中一定受到洛伦兹力吗？学生活动：当带电粒子的速度与磁场方向平行时，带电粒子不受洛念伦兹力。教师活动：洛伦兹力的大小怎么计算？学生活动：F=qvBsin教师活动：洛伦兹力的方向如何确定？学生活动：左手定则教师活动：洛伦兹力有什么特点？学生活动：对运动电荷不做功，不改变速度大小只改变速度方向。引入：带电粒子进入匀强磁场时将做什

4、么运动呢？今天我们就来讨论 带电粒子在匀强磁场中的运动（二）新课教学一. 带电粒子在匀强磁场中的运动（重力不计） 1.带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态？学生分析得出结论：匀速直线运动 2.带电粒子垂直射入匀强磁场的运动状态？理论分析 :首先回顾匀速圆周运动的特点：速率不变，向心力和速度垂直且始终在同一平面，向心力大小不变始终指向圆心。带电粒子在匀强磁场中的运动时速度、受力否符合上面3 个特点。得出猜想： 带电粒子垂直射入匀强磁场后做匀速圆周运动。 3.在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径r 和周期 T，与速度v、磁场强度B的关系？学生推导：（1）圆周运动的半径qvB=2mv/R R=mv/qB（

5、2）圆周运动的周期T=2 R/v T=2 m/Bq教师总结：同一粒子在相同磁场中半径跟速率成正比。同一磁场周期与r 和 v 均无关，而与比荷q/m 成反比。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - - 学习好资料欢迎下载实验验证 1洛伦兹力演示仪(1)结构：电子枪：射出电子加速电场：作用是改变电子束出射的速度励磁线圈：作用是能在两线圈之间产生平行于两线圈中心的连线的匀强磁场（2）实验结论：沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀

6、速圆周运动。磁场强度不变，粒子射入的速度增加，轨道半径也增大。粒子射入速度不变，磁场强度增大，轨道半径减小。实验验证 2 图片：带电粒子在汽泡室运动径迹的照片。有的粒子运动过程中能量降低，速度减小，径迹就呈螺旋形。结论：沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。例 1：一个质量为m、电荷量为q 的粒子，从容器下方的小孔S1 飘入电势差为的加速电场，然后经过S3 沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为的匀强磁场中，最后打到照相底片上求：（）求粒子进入磁场时的速率（）求粒子在磁场中运动的轨道半径解：由动能定理得：qU = mv2 /2, 解得：mqUv2粒子在磁场中做匀速圆

7、周运动得半径为：Rmv/qB=mmqU /2/qB=BqmU2/2教师引导分析 ： 由例 1的结果可知 r 和进入磁场的速度无关，进入同一磁场时， rqm，而且这些个量中，u、B、r 可以直接测量，那么，我们可以用装置来测量比荷或算出质量，这就是质谱仪。二. 实际应用1. 质谱仪质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪发现了氖20 和氖 22，证 实了同位素的存在，现在的质谱仪已经是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具。2. 加速器精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - -

8、 -第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - - 学习好资料欢迎下载（1）直线加速器加 速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使其动能增加，即qU =Ek 直线加速器的多级加速：( 多媒体演示直线加速器的原理图) 由动能定理可知，带电粒子经N级的电场加速后增加的动能为: Ek=q（U1+U2+U3+U4+ Un）直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间内制造直线加速器受到一定的限制。（2）回旋加速器由美国物理学家劳伦斯于1932 年发明。多媒体演示回旋加速器结构与加速带电粒子的过程。加速原理：通过“思考与讨论”让学生自己分析出带电粒子做匀速圆周运动的周期公式T = 2m/q B

9、，明确带电粒子的周期在q、m 、B不变的情况下与速度和轨道半径无关，从而理解回旋加速器的原理。老师再进一步归纳各部件的作用：磁场的作用： 交变电场以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，其周期在q、m 、B不变的情况下与速度和轨道半径无关，带电粒子每次进入 D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场加速。电场的作用： 回旋加速器的的两个D形盒之间的夹缝区域存在周期性变化的并垂直于两个 D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。交变电压的作用：为保证交变电场每次经过夹缝时都被加速，使之能量不断提高，须在在夹缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运

10、动周期相同的交变电压。教师引导学生总结: 1）带电粒子在匀强磁场中的运动周期跟运动速率和轨道半径无关， 对于一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说，这个周期是恒定的。T=2m/Bq2）交变电场的往复变化周期和粒子的运动周期T 相同，这样就可以保证粒子在每次经过交变电场时都被加速。3）粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径决定。4）由于侠义相对论的限制，回旋加速器只能把粒子加速到一定的能量。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - - 学习好资料欢迎

11、下载例 2： 1989年初，我 国投入运行的高能粒子回旋加速器可以把电子的能量加速到2.8GeV;若改用直线加速器加速，设每级的加速电压为U =2.0 105V ，则需要几级加速？解：设经 n 级加速 , 由 neU=E有n=E/eU =1.4 104（级）巩固练习：回旋加速器中磁场的磁感应强度为B，D形盒的直径为d，用该回旋加速器加速质量为m 、电量为 q 的粒子，设粒子加速前的初速度为零。求：（1） 粒子的回转周期是多大？（2）高频电极的周期为多大？（3） 粒子的最大动能是多大？（4） 粒子在同一个D形盒中相邻两条轨道半径之比?（三）小结：由学生对本节要点做简要小结【板书设计】带电粒子在匀强磁场中的运动一. 带电粒子在电场中的运动情况（平衡、加速和减速）1. 带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态匀速直线运动2. 带电粒子垂直射入匀强磁场的运动状态？匀速圆周运动半径公式R=mv/qB周期公式T=2m/Bq 注：同一粒子在相同磁场中半径跟速率成正比。同一磁场周期与r 和 v 均无关，而与比荷q/m 成反比。二. 实 际应用1. 质谱仪2. 加速器（1）直线加速器（2）回旋加速器精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - - -