2022年《带电粒子在匀强磁场中的运动》示范教案.docx

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1、名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动三维教学目标 1、学问与技能（1）懂得洛伦兹力对粒子不做功；（2）懂得带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时,粒子在匀强磁场中做匀速圆 周运动；（3）会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,知道它们与哪些因 素有关；（4）明白回旋加速器的工作原理；2、过程与方法：通过带电粒子在匀强磁场中的受力分析,敏捷解决有关磁场的问题；3、情感、态度与价值观：新与应用历程；通过本节学问的学习,充分明白科技的庞大威力,体会科技的创教学重点： 带电粒子

2、在匀强磁场中的受力分析及运动径迹；教学难点： 带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹；教学方法： 试验观看法、叙述法、分析推理法；教学用具： 洛伦兹力演示仪、电源、投影仪、投影片、多媒体帮助教学设备；教学过程：（一）引入新课 提问 1：什么是洛伦兹力？答：磁场对运动电荷的作用力；提问 2：带电粒子在磁场中是否肯定受洛伦兹力？答： 不肯定,洛伦兹力的运算公式为f=qvBsin , 为电荷运动方向与磁场方向的夹角,当 =90 时, f=qvB；当 =0 时, f =0；老师：带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？今日我们来学习带电粒 子在匀强磁场中的运动；（二）进行新课1、带电粒子在

3、匀强磁场中的运动介绍 洛伦兹力演示仪,如图3.6-1所示； 引导 同学猜测电子束的运动情形；（1）不加磁场时,电子束的径迹；（2）加垂直纸面对外的磁场时,电子束的径迹；（3）保持出射电子的速度不变,增大或减小磁感应强度,电子束的径迹；（4）保持磁感应强度不变,增大或减小出射电子的速度,电子束的径迹；演示： 同学观看试验,验证自己的猜测是否正确；现象： 在暗室中可以清晰地看到,在没有磁场作用时,电子的径迹是直线；在管外加上匀强细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页,共 6 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资

4、料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载磁场（这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的）,电子的径迹变弯曲成圆形；磁场越 强,径迹的半径越小；电子的出射速度越大,径迹的半径越大；指出：当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时,电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的 作用,洛伦兹力只能转变速度的方向,不能转变速度的大小；因此,洛伦兹力对粒子不做功,洛伦兹力对带电粒子的作用正好起到了向心力的作用；所以, 当带电 不能转变粒子的能量；粒子的初速度方向与磁场方向垂直时,粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动；问题 1 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,其轨道半径r 和周期

5、T 为多大呢？一带电量r为 q,质量为m ,速度为v 的带电粒子垂直进入磁感应强度为B 的匀强磁场中,其半径和周期 T 为多大？如图3.6-2 所示；推导 ：粒子做匀速圆周运动所需的向心力F=m vr2是由粒子所受的洛伦兹力供应的,所以2 qvB=m v r由此得出：r =mv 由于周期 T=2r,代入式得：T=2m qBvqB总结： 由式可知,粒子速度越大,轨迹半径越大；磁场越强,轨迹半径越小,这与演示实 验观看的结果是一样的；由式可知,粒子运动的周期与粒子的速度大小无关；磁场越强,周期越短；老师：介绍带电粒子在汽泡室运动的径迹照片,法 3.6-3 ；让同学明白物理学中争论带电粒子运动的方细

6、心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页,共 6 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -老师引导同学对结果进行争论,学习必备欢迎下载让同学明白质谱仪在科让同学明白有关质谱仪的学问；学争论中的作用；2、回旋加速器（1）结构在现代物理学中, 人们为探究原子核内部的构造,需要用能量很高的带电粒子去轰击原子核,如何才能使带电粒子获得庞大能量呢？假如用高压电源形成的电场对电荷加速,由于受到电源电压的限制,粒子获得的能量并不太高；美国物理学家劳伦斯于 1932 年

7、创造了回旋加速器,奇妙地利用较低的高频电源对粒子多次加速使之获得庞大能量,为此在 1939 年劳伦斯获诺贝尔物理奖；那么回旋加速器的工作原理是什么呢？（2）原理第一,在狭缝AA 与 AA之间,有方向不断做周期变化的电场,其作用是当粒子经过狭缝时,电源恰好供应正向电压,使粒子在电场中加速；狭缝的两侧是匀强磁场,其作用是当被加速后的粒子射入磁场后,做圆运动, 经半个圆周又回到狭缝处,使之射入电场再次加速；其次,粒子在磁场中做圆周运动的半径与速率成正比,随着每次加速,半径不断增大,而粒子运动的周期与半径、速率无关,所以每隔相相同的时间（半个周期）回到狭缝处,只细心整理归纳 精选学习资料 - - -

8、- - - - - - - - - - - - 第 3 页,共 6 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载要电源以相同的周期变化其方向,就可使粒子每到狭缝处刚好得到正向电压而加速；3、课堂小节4、实例探究带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动例 1：一个负离子,质量为m,电量大小为q,以速率 v 垂直于屏SO v P B 经过小孔O 射入存在着匀强磁场的真空室中,如下列图；磁感应强度 B 的方向与离子的运动方向垂直,并垂直于图中纸面对里；OPS （1）求离子进入磁场后到达屏S 上时的位置与O点

9、的距离；（2）假如离子进入磁场后经过时间t 到达位置P,证明：直线与离子入射方向之间的夹角 跟 t 的关系是qBt；2m解析： （1）离子的初速度与匀强磁场的方向垂直,在洛仑兹力作用下,做匀速圆周运动；设圆半径为r ,就据牛顿其次定律可得：=60 , 得 第 4 页,共 6 页 Bqvmv2,解得rm vrBq如下列图,离了回到屏S 上的位置 A 与 O点的距离为： AO=2r 所以AO2mvBq（2）当离子到位置P 时,圆心角：vtBqtrm由于2,所以qBt；2m例 2： 如下列图,半径为r 的圆形空间内,存在着垂直于纸面对里的匀强磁场,一个带电粒子（不计重力）,从A 点以速度v0 垂直磁

10、场方向射入磁场中,并从B 点射出, AOB=120 ,就该带电粒子在磁场中运动的时间为（）A2 r /3 v0B23 r/ 3v0C r /3 v0D3 r/ 3v0解 析 ： 首 先 通 过 已 知 条 件 找 到所 对 应 的 圆 心O, 由 图 可 知 t =60T3m,但题中已知条件不够,没有此选项,必需另想方法找规律表示t ,360qB细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -由圆周运动和AB t = =v Rv学习必

11、备欢迎下载 OOA 可得；其中 R 为 AB弧所对应的轨道半径,由图中R=3 r ,所以 t =3 r /3 r 0,D选项正确；答案： D 例 3：电子自静止开头经 M、N板间（两板间的电压为 u）的电场加速后从 A 点垂直于磁场边界射入宽度为 d 的匀强磁场中,电子离开磁场时的位置 P 偏离入射方向的距离为 L,如图所示；求匀强磁场的磁感应强度；（已知电子的质量为 m,电量为 e）解析 ：电子在 M、N间加速后获得的速度为 v,由动能定理得：1 mv 2-0= eu22电子进入磁场后做匀速圆周运动,设其半径为 r,就：evB=m vr电子在磁场中的轨迹如图,由几何得：L2Ld2=2 Lrd

12、22由以上三式得：B=2 L2L22mu3、4 题； 第 5 页,共 6 页 de5、课余作业： 1、完成 P108“ 问题与练习” 第1、2、5 题；书面完成第细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -1、轨道半径r =m v 2 qB学习必备欢迎下载、周期 T =2 m/ qB 2、回旋加速器（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带电的粒子动能增加,即 qU = Ek直线加速器的多级加速：教材图 365

13、所示的是多级加速装置的原理图,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, Ek=q（U1+U2+U3+U4+ Un）直线加速器占有的空间范畴大,在有限的空间内制造直 线加速器受到肯定的限制；（2）回旋加速器 由美国物理学家劳伦斯于 1932 年创造；其结构教材图 366 所示；核心部件为两个 D形盒（加匀强磁场） 和其间的夹缝 （加 交变电场）加速原理： 通过“ 摸索与争论”让同学自己分析出带电粒子做匀速圆周运动的周期公式 T = 2 m/q B,明确带电粒子的周期在 q、m、B 不变的情形下与速度和轨道半径无关,从而懂得回旋加速器的原理；老师再进一步归纳各部件的作用：（如图）

14、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 不变的情形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形盒中运动周期相同的交变电压；带电粒子经加速后的最终能量：（运动半径最大为 D形盒的半径 R）由 R=mv/qB有 v=qBR/m 所以最终能量为 Em=mv 2/2 = q 2B 2R 2/2m 争论 ：要提高带电粒子的最终能量,应实行什么措施？（可由上式分析）例：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; 如改 第 6 页,共 6 页 用直线加速器加速,设每级的加速电压为U =2.0 105V,就需要几级加速？解： 设经 n 级加速 , 由 neU=E 有n=E/eU=1.4 104（级）细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -