高中物理《带电粒子在匀强磁场中的运动(4)》优质课教案、教学设计.pdf

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1、带电粒子在匀强磁场中的运动教学设计带电粒子在匀强磁场中的运动教学设计一、教学任务分析一、教学任务分析带电粒子在匀强磁场中的运动是洛伦兹力的应用，洛伦兹力是物理学电磁部分的重要基石，在实际生产生活和科技发展方面都发挥着极其重要的作用。普通高中物理课程标准（实验）（以下简称课程标准）对带电粒子在匀强磁场中运动这节知识没有明确的要求，但课程标准对洛伦兹力的知识有较高要求即通过实验认识洛伦兹力，会判断洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小，了解电子束的偏转原理以及在科学技术中的应用。带电粒子在匀强磁场中的运动是洛伦兹力的应用，本节的学习有助于学生进一步理解洛伦兹力的知识，并学会用洛伦兹力的知识解决实际问

2、题，了解质谱仪的应用。对于实现课程标准对洛伦兹力的要求具有重要的作用。本节选自人民教育出版社 2014 年出版的普通高中课程标准实验教科书物理选修 3-1第三章磁场的第六节，教材首先介绍洛伦兹力演示仪并用洛伦兹力演示仪观察运动电子在磁场中的偏转，然后通过理论推导得出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的结论，在此基础上逻辑推导出粒子的速度和磁场的强弱对圆半径的影响，最后由例题引入并介绍带电粒子在匀强磁场中的应用质谱仪，体现了从感性认识上升到理性认识，最后再回到实践的过程。二、学情分析二、学情分析学生已经学习过匀速圆周运动和向心力等曲线运动的知识和洛伦兹力的概念特点以

3、及电场对粒子的加速等相关内容并且可以较为熟练地运用牛顿第二定律和动能定理，这些都为本节课的学习奠定了知识基础。带电粒子在匀强磁场中运动规律和质谱仪原理的学习过程中要求分析粒子的受力和运动情况，并理论推导带电粒子的轨道半径和运动周期，需要学生具有较强的逻辑推理能力，但该阶段学生抽象思维能力有一定的欠缺，要想抽象出粒子垂直进入匀强磁场的运动轨迹有一定难度，因此在学生推导过程中，教师要做好铺垫和引导。学生对物理知识在科技发展中的应用有较强的兴趣，但学生在日常生活中对带电粒子在匀强磁场中的运动接触较少缺乏感性经验，因此教师要在讲解过程中理论结合实验以及形象的动画和视频，使学生较快地理解和掌握。三、教学

4、目标三、教学目标1.知识与技能（1）会分析带电粒子在磁场中的受力和运动情况，理解带电粒子的初速度方向与磁场的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动；（2）会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并会用它们解决相关的物理问题；（3）了解质谱仪的原理和在科学技术中的应用，并能运用其原理解决相关的物理问题。2.过程与方法（1）体会带电粒子在匀强磁场中运动规律的推导过程，提高逻辑推理能力；（2）观察演示实验，培养科学探究能力和观察能力，体会实验是物理学的基本研究方法；（3）分析质谱仪的原理和应用，体会知识应用于实践的过程。3.情感态度与价值观（1）学习带电粒子在匀强磁场中运动规律

5、，养成勤于思考的习惯和严密的科学态度；（2）学习质谱仪，激发学生对高新科技的兴趣和欲望，体会物理研究最终是应用于实践，高新科技的发展有赖于物理学的发展。四、教学重点和难点四、教学重点和难点重点：推导并分析带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式；难点：带电粒子进入匀强磁场中的受力分析和运动分析以及质谱仪原理的理解和应用。五、教学方法五、教学方法建构主义认为，学习是主体以已有的经验为基础，通过与外界的相互作用而主动建构新的理解、新的心理表征的过程。建构主义强调教学不是通过教师向学生单向传递知识就可以完成的，而是学习者在一定的情境下，借助于其他人（包括教师和同学）的帮助，利用必要的教学资

6、料，通过意义建构的方式而获得的。本节从学生原有的对洛伦兹力的概念特点和匀速圆周运动以及向心力的知识出发，在新的教学情境中，通过教师的逐步引导，帮助学生完成带电粒子在匀强磁场中运动的知识的建构。为更好的完成新知识的建构，我们将采用实验、探究、讲授、讨论等多种方法。本节课中教师通过演示实验展现带电粒子在磁场中的运动径迹，学生观察实验并从实验中发现新的问题进而解决问题。带电粒子在匀强磁场中运动规律的推导以及质谱仪的学习，主要采用教师引导学生讨论探究相结合的方式。整个教学过程体现了注重科学探究，化抽象为具体，倡导教学方式多样化的理念，突出以学生为主体，教师为主导的原则与要求。六、教学媒体设计六、教学媒

7、体设计洛伦兹力演示仪七、教学过程设计七、教学过程设计（一）（一）创设情境，引入新课创设情境，引入新课【活动 1】教师首先带领学生观看震撼人心的极光的视频，并简单介绍极光的出现是因为带电粒子在磁场中的偏转。教师提出问题：带电粒子在磁场中为什么会形成这样美丽的径迹，带电粒子在磁场中的运动到底遵循什么规律呢？从而引入带电粒子在匀强磁场中运动的新课。【教学设计说明【教学设计说明】由极光的视频，创设新的情境，提出新的问题，激发学生兴趣和求知欲望，提高学生的学习热情。（二）（二）新课教学新课教学1.1.带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动【演示实验 1】介绍洛伦兹力演示仪的结构及其原理，用

8、洛伦兹力演示仪分别观察在无磁场和磁场方向与电子入射速度垂直时电子的运动径迹。学生观察发现，沿着与磁场垂直的方向射入磁场的电子在匀强磁场中的运动径迹是一个圆。【活动 2】教师引导学生探究垂直射入匀强磁场的电子为什么做圆周运动，是匀速圆周运动还是变速圆周运动。对于这部分的分析，学生可能会遇到一定的困难，教师需做如下引导：教师提问：电子进入磁场时受什么力？将做什么性质的运动？分析后学生可得出电子受洛伦兹力运动轨迹为曲线；教师提问：下一时刻电子速度沿什么方向？这时电子受力情况是什么样的？分析后可得电子速度沿切线方向，电子受与速度方向垂直的洛伦兹力的作用；教师提问：在这个过程中洛伦兹力有什么作用效果？学

9、生分析后可得在此过程中洛伦兹力方向始终与速度方向垂直，洛伦兹力只改变速度的方向不改变速度的大小。教师总结进一步推广得出，沿着与磁场垂直的方向射入磁场的电子，将会受到一个大小不变、方向始终与其速度垂直的洛伦兹力的作用，电子做匀速圆周运动，向心力由洛伦兹力提供。【教学设计说明】由实验现象引发学生思考，学生已经理解了洛伦兹力的概念和特点并学习了匀速圆周运动和向心力等知识，但对匀强磁场中带电粒子的受力和运动情况的分析是学生学习的难点，将洛伦兹力与圆周运动有机结合是一个新的知识点。教师通过一系列问题的层层引导，让学生理论推导并分析出带电粒子的初速度方向与磁场的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，

10、并且由粒子所受的洛伦兹力提供做匀速圆周运动所需的向心力，突破本节难点。【活动3】假设忽略重力的电子的质量为 m，带电量为q，磁感应强度为B。教师提出进一步探究问题：带电粒子的运动半径和周期是否会随粒子的运动速度、磁感应强度的变化而改变？它们之间存在什么关系？在上一步分析和推导基础上学生可以利用圆周运动知识求得其半径公式，2 mmvTrB地推导出其运动周期。通在已知轨道半径和速度的情况下q，易B学生可以较为容q过计算得到电子的轨道半径运动周期。【演示实验 2】教师演示实验，在改变电压和磁感应强度的情况下，学生预测运动轨迹半径的变化。学生通过观察实验现象，验证理论推导结果。【教学设计说明】【教学设

11、计说明】由教师提出问题学生解决问题，通过理论推导得出定量表达式，突破本节课的重点。实验验证理论推导结果，符合理论结合实际的理念，培养学生实事求是的科学精神。【活动 4】教师给出不计重力的粒子以平行和任意角射入匀强磁场中的情况，让学生分析思考这时的粒子将做什么运动。平行时情况较为简单。教师提问：这种条件下粒子受什么力？将做什么性质的运动？通过分析学生很容易得出粒子做匀速直线运动。粒子以任意角入射时，教师带领学生将速度分解到水平方向和竖直方向上，一步步得出水平方向上做的是匀速直线运动，竖直方向上做的是匀速圆周运动，将两个方向上的运动合成，进而得到粒子的运动轨迹为螺旋线。【教学设计说明】【教学设计说

12、明】简单补充带电粒子与磁场方向平行和成任意角入射的情况，帮助学生建立完整的带电粒子在匀强磁场中的运动图景，利于学生对所学知识的整体把握和理解回顾。2.2.质谱仪质谱仪【活动 5】教师提出问题：学习了带电粒子在匀强磁场中的运动规律，那么它有什么应用呢？化学上我们学习了同位素，我们知道同位素原子序数相同但它们的质量数不同，由于它们的原子序数相同所以他们的核外电子数排列结构完全相同，导致化学性质完全一样，运用化学方法不能将同位素分开，通过今天的学习你能不能想到什么办法将同位素分开？学生通过对所学知识的迁移应用进行思考并展开小组讨论。对于这部分的分析，学生可能会遇到一定的困难，教师需做如下引导：首先创

13、设一定的情景如果同位素垂直进入匀强磁场做匀速圆周运动，圆周运动半径的表达式是已知的，如果我们保证同位素进入的是同一个磁场，并且进入时速度相同，又知道同位素的电荷量相同，由于同位素的质量不同就会使粒子做匀速圆周运动的半径不同，进而把同位素分开想要使同位素获得相同的速度，就要用到前一节所学的速度选择器，使同位素获得初速度的方法可以使用加速电场进行加速总结出运用这种方法可以测出带电粒子的荷质比或者粒子的质量，运用这种原理制成的仪器叫做质谱仪，可以用来分离带电量相同但质量不同的同位素。【教学设计说明】【教学设计说明】由实际生活中的应用引入，运用前面所学习的知识解决问题，通过启发式引导小组讨论，加强了知

14、识的迁移运用，分析题目创设的情景并把它应用于实践，理论与实际相结合，体会带电粒子在匀强磁场中的应用，激发学生对物理学习和高新科技的兴趣和欲望。【活动 6】教师播放二战当中原子弹爆炸的视频，讲解质谱仪在二战当中的作用，用质谱仪分离得到了铀的同位素 235，从而提早结束了战争，提高学生把所学的知识应用到实际生活中的意识，增强学习物理的兴趣。并鼓励学生现在在学校学习的我们未来也有可能会改变世界改变历史，激励同学们好好读书报效祖国。【教学设计说明教学设计说明】由科技的发展影响历史的发展，物理知识真真正正用到了战争和生活中中，理论与实际相结合，体会带电粒子在匀强磁场中的应用，激发学生对物理学习和高新科技

15、的兴趣和欲望。（三）课堂小结（三）课堂小结教师引导学生从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度总结本节课的收获。在此过程中重点把握知识与技能方面对带电粒子在匀强磁场中受力运动情况的分析和粒子运动规律的掌握并要了解质谱仪的原理以及应用；过程与方法中要体会粒子运动规律的推导过程，培养学生严密的逻辑推理和理论与实践相结合的能力；情感态度与价值观则是贯穿于整个教学实践中的潜移默化的过程，激发学生对物理学习和高新科技的兴趣，养成勤于思考的习惯和严密的科学态度。（四）四）布置作业布置作业1.1.完成教材P102 问题与练习1、2、3题。2.2.查找有关质谱仪的资料，写一篇科学作文。3.3.预习回旋加速器【教学设计说明】【教学设计说明】布置相关问题与练习巩固本节课所学带电粒子在匀强磁场中运动的知识，了解质谱仪的发展历程提高学生对科学的兴趣，培养学生的探究精神。既帮助学生巩固本节的重点内容，又拓展学生知识面，并提高信息收集和整理能力。七、板书设计七、板书设计第六节第六节 带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动一一.带电粒子在匀强磁场中的运动规律带电粒子在匀强磁场中的运动规律 二二.质谱仪质谱仪1.1.B Bv v：匀速圆周运动匀速圆周运动2.2.B Bv v：匀速直线运动匀速直线运动3.3.B B 与与 v v 存在任意角：存在任意角：螺旋线运动螺旋线运动质谱仪质谱仪