選修31第六章第3節(jié)洛倫茲力的應用

1、第六章第3節(jié) 洛倫茲力的應用課時安排： 1課時教學目標：（一）知識與技能1、理解洛倫茲力對粒子不做功。2、理解帶電粒子的初速度方向與磁感應強度的方向垂直時，粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動。3、會推導帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑、周期公式，知道它們與哪些因素有關(guān)。4、了解回旋加速器和質(zhì)譜儀的工作原理。（二）過程與方法通過帶電粒子在勻強磁場中的受力分析，靈活解決有關(guān)磁場的問題。（三）情感、態(tài)度與價值觀通過本節(jié)知識的學習，充分了解科技的巨大威力，體會科技的創(chuàng)新與應用歷程。教學重點：帶電粒子在勻強磁場中的受力分析及運動徑跡及其應用教學難點：洛倫茲力的應用教學器材：洛倫茲力演示儀、多媒體輔助

2、教學設備教學方法：實驗觀察法、講述法、分析推理法教學過程：（一）引入新課教師：（復習提問）什么是洛倫茲力？學生答：磁場對運動電荷的作用力教師：帶電粒子在磁場中是否一定受洛倫茲力？學生答：不一定，洛倫茲力的計算公式為f=qvBsin，為電荷運動方向與磁場方向的夾角，當=90°時，f=qvB；當=0°時，f=0。教師：帶電粒子垂直磁場方向進入勻強磁場時會做什么運動呢？今天我們來學習帶電粒子在勻強磁場中的運動。（二）進行新課一、帶電粒子在勻強磁場中的運動教師：介紹洛倫茲力演示儀。如圖所示。教師：引導學生預測電子束的運動情況。（1）不加磁場時，電子束的徑跡；（2）加垂直紙面向外的磁

3、場時，電子束的徑跡；（3）保持出射電子的速度不變，增大或減小磁感應強度，電子束的徑跡；（4）保持磁感應強度不變，增大或減小出射電子的速度，電子束的徑跡。教師演示，學生觀察實驗，驗證自己的預測是否正確。實驗現(xiàn)象：在暗室中可以清楚地看到，在沒有磁場作用時，電子的徑跡是直線；在管外加上勻強磁場（這個磁場是由兩個平行的通電環(huán)形線圈產(chǎn)生的），電子的徑跡變彎曲成圓形。磁場越強，徑跡的半徑越?。浑娮拥某錾渌俣仍酱?，徑跡的半徑越大。討論交流：（1）有磁場作用時，電子的運動軌跡是否可能為直線？（2）電子為什么會做圓周運動？向心力由誰提供？（3）什么情況下，電子會做螺旋運動？教師指出：當帶電粒子的初速度方向與磁場

4、方向垂直時，電子受到垂直于速度方向的洛倫茲力的作用，洛倫茲力只能改變速度的方向，不能改變速度的大小。因此，洛倫茲力對粒子不做功，不能改變粒子的能量。洛倫茲力對帶電粒子的作用正好起到了向心力的作用。所以，當帶電粒子的初速度方向與磁場方向垂直時，粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動。思考與討論：帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，其軌道半徑r和周期T為多大呢？出示投影片，引導學生推導：一帶電量為q，質(zhì)量為m ，速度為v的帶電粒子垂直進入磁感應強度為B的勻強磁場中，其半徑r和周期T為多大？如圖所示。學生推導：粒子做勻速圓周運動所需的向心力F=m是由粒子所受的洛倫茲力提供的，所以qvB=m由此得出r= 周期

5、T=代入式得 T= 師生互動、總結(jié)：由式可知，粒子速度越大，軌跡半徑越大；磁場越強，軌跡半徑越小，這與演示實驗觀察的結(jié)果是一致的。由式可知，粒子運動的周期與粒子的速度大小無關(guān)。磁場越強，周期越短。點評：演示實驗與理論推導相結(jié)合，使學生從感性認識上升到理性認識，實現(xiàn)認識上的升華。例題：書本P129頁二、回旋加速器和質(zhì)譜儀1回旋加速器教師：在現(xiàn)代物理學中，人們?yōu)樘剿髟雍藘?nèi)部的構(gòu)造，需要用能量很高的帶電粒子去轟擊原子核，如何才能使帶電粒子獲得巨大能量呢？如果用高壓電源形成的電場對電荷加速，由于受到電源電壓的限制，粒子獲得的能量并不太高。美國物理學家勞倫斯于1932年發(fā)明了回旋加速器，巧妙地利用較低

6、的高頻電源對粒子多次加速使之獲得巨大能量，為此在1939年勞倫斯獲諾貝爾物理獎。那么回旋加速器的工作原理是什么呢？引導學生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容，了解各種加速器的發(fā)展歷程，體會回旋加速器的優(yōu)越性。課件演示，回旋加速器的工作原理，根據(jù)情況先由學生講解后老師再總結(jié)。在講解回旋加速器工作原理時應使學生明白下面兩個問題：（1）在狹縫AA與AA之間，有方向不斷做周期變化的電場，其作用是當粒子經(jīng)過狹縫時，電源恰好提供正向電壓，使粒子在電場中加速。狹縫的兩側(cè)是勻強磁場，其作用是當被加速后的粒子射入磁場后，做圓運動，經(jīng)半個圓周又回到狹縫處，使之射入電場再次加速。（2）粒子在磁場中做圓周運動的半徑與速率成正比，隨著每

7、次加速，半徑不斷增大，而粒子運動的周期與半徑、速率無關(guān)，所以每隔相相同的時間（半個周期）回到狹縫處，只要電源以相同的周期變化其方向，就可使粒子每到狹縫處剛好得到正向電壓而加速。例題：書本P132頁2質(zhì)譜儀教師引導學生對結(jié)果進行討論，讓學生了解有關(guān)質(zhì)譜儀的知識。讓學生了解質(zhì)譜儀在科學研究中的作用。（三）課堂總結(jié)、點評教師活動：讓學生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請一個同學到黑板上總結(jié)，其他同學在筆記本上總結(jié)，然后請同學評價黑板上的小結(jié)內(nèi)容。學生活動：認真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會寫下來、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰的更好，好在什么地方。點評：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學生概括總結(jié)能力。教師要放開

8、，讓學生自己總結(jié)所學內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識框架。（四）實例探究帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動【例1】一個負離子，質(zhì)量為m，電量大小為q，以速率v垂直于屏S經(jīng)過小孔O射入存在著勻強磁場的真空室中，如圖所示。磁感應強度B的方向與離子的運動方向垂直，并垂直于圖中紙面向里。OBSvP（1）求離子進入磁場后到達屏S上時的位置與O點的距離。（2）如果離子進入磁場后經(jīng)過時間t到達位置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。解析：（1）離子的初速度與勻強磁場的方向垂直，在洛侖茲力作用下，做勻速圓周運動。設圓半徑為r，則據(jù)牛頓第二定律可得： ，解得如圖所示，離了回到

9、屏S上的位置A與O點的距離為：AO=2r 所以（2）當離子到位置P時，圓心角：因為，所以?！纠?】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磁場，一個帶電粒子（不計重力），從A點以速度v0垂直磁場方向射入磁場中，并從B點射出，AOB=120°，則該帶電粒子在磁場中運動的時間為_A2r/3v0B2r/3v0Cr/3v0Dr/3v0vAB解析：首先通過已知條件找到所對應的圓心O，由圖可知=60°，得t=，但題中已知條件不夠，沒有此選項，必須另想辦法找規(guī)律表示t，由圓周運動和t= =。其中R為AB弧所對應的軌道半徑，由圖中OOA可得R=r，所以t=r×/3r0，D選項正確。答案：D【例3】電子自靜止開始經(jīng)M、N板間（兩板間的電壓為u）的電場加速后從A點垂直于磁場邊界射入寬度為d的勻強磁場中，電子離開磁場時的位置P偏離入射方向的距離為L，如圖所示。求勻強磁場的磁感應強度。（已知電子的質(zhì)量為m，電量為e）解析：電子在M、N間加速后獲得的速度