資源簡介

帶電粒子在勻強磁場中的運動 教學目標 1.知道帶電粒子沿著與磁場垂直的方向射入勻強磁場會在磁場中做勻速圓周運動,能推導出勻速圓周運動的半徑公式和周期公式，能解釋有關的現象,解決有關實際問題。 2.經歷實驗驗證帶電粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動以及其運動半徑與磁感應強度 的大小和入射速度的大小有關的過程,體會物理理論必須經過實驗檢驗。 3.知道洛倫茲力作用下帶電粒子做勻速圓周運動的周期與速度無關,能夠聯想其可能的應用， 能用洛倫茲力分析帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動。了解帶電粒子在勻強磁場中的偏轉及其應用。 教學重點： 1.從理論和實驗兩方面探究帶電粒子進入勻強磁場的運動。 2.從實驗和理論兩方面探究垂直進入勻強磁場的帶電粒子做勻速圓周運動的半徑、周期問題 教學難點： 帶電粒子垂直射入勻強磁場做勻速圓周運動的分析。
教學過程
【引入新課】 質疑：多級直線加速器利用電場給帶電粒子加速，但這種加速器的不足是裝置很長，如何來解決這個問題呢？ 【新課教學】 一、探究：帶電粒子進入勻強磁場的運動 1、帶電粒子平行射入勻強磁場 引導學生分析帶電粒子平行射入勻強磁場受力情況，判斷運動情況 結論：帶電粒子平行射入勻強磁場做勻速直線運動 2、帶電粒子垂直射入勻強磁場 [猜想與假設]引導學生分析帶電粒子垂直射入勻強磁場受力情況 初步猜想帶電粒子垂直射入勻強磁場做勻速圓周運動 [理論探究] 當v ⊥ B，F洛=qvB， F合= F洛 １、F洛⊥v，洛倫茲力只改變速度的方向； 不改變速度的大小，粒子做勻速率運動 ２、F洛⊥ v，即F洛、 v不共線，粒子做曲線運動 結論：帶電粒子垂直射入勻強磁場做勻速圓周運動， F洛提供向心力。 [實驗探究]洛倫茲力演示儀演示實驗 電子槍作用：射出電子 加速電場作用：改變電子束出射的速度 工作原理：由電子槍發出的電子射線可以使管內的低壓水銀蒸汽發出輝光，顯示出電子的徑跡 探究1、只加加速電壓 結論：帶電粒子作直線運動 勵磁線圈作用：在兩線圈之間產生平行于兩線圈中心連線的勻強磁場 探究2、再加垂直速度方向的勻強磁場 結論：帶電粒子作圓周運動 結論：帶電粒子垂直射入勻強磁場做勻速圓周運動 3、帶電粒子斜射入勻強磁場 分析：當帶電粒子的速度分別為垂直于B的分量和平行于B的分量，因為和B垂直，受到洛倫茲力qB，此力使粒子q在垂直于B的平面內做勻速圓周運動，和B平行，不受洛倫茲力，故粒子在沿B方向上做勻速直線運動，可見粒子的合運動是——等距螺旋運動。 結論：帶電粒子斜射入勻強磁場做等距螺旋運動 （二）垂直進入勻強磁場的帶電粒子運動分析 1、受力分析： 2、運動軌跡： 勻速圓周運動 3、軌跡半徑： [實驗探究]洛倫茲力演示儀演示實驗 探究3、保持磁感應強度不變,改變出射電子的速度,觀察電子束徑跡的變化。 結論：電子速度越大，圓周運動半徑越大，電子速度越小，圓周運動半徑越小。 探究4、保持出射電子的速度不變,改變磁感應強度,觀察電子束徑跡的變化。 結論：磁感應強度越大，圓周運動半徑越小，磁感應強度越小，圓周運動半徑越大。 [理論探究] 設帶電粒子質量為m，電荷量為q，運動速度為v。磁感應強度大小為B。 半徑 結論：半徑r與速度v、磁感應強度B、粒子的比荷有關。 周期 結論：同一個粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期與速度無關。 答疑： 多級直線加速器裝置很長，如何來解決這個問題呢？ 用電場進行加速，用磁場控制軌道,能使帶電粒子“轉圈圈”!于是,人們依據這個思路設計出了、的回旋加速器( eyclotron) 應用： 通過氣泡室顯示的帶電粒子在勻強磁場中的運動徑跡，有的粒子運動過程中能量降低，速度減小，徑跡就呈螺旋形。 質譜儀 【課本例題解析】 一個質量為1.67×10-27kg電荷量為1.6×10-l9C的帶電粒子，以5×105m/s的初速度沿與磁場垂直的方向射入磁感應強度為0.2T的勻強磁場。 求∶（1）粒子所受的重力和洛倫茲力的大小之比； （2）粒子在磁場中運動的軌道半徑 （3）粒子做勻速圓周運動的周期。 分析 依據所給數據分別計算出帶電粒子所受的重力和洛倫茲力，就可求出所受重力與洛倫茲力之比。帶電粒子在勻強磁場中受洛倫茲力并做勻速圓周運動，由此可以求出粒子運動的軌道半徑及周期。 解： （1）粒子所受的重力 G= mg = 1.67×10-27×9.8 N= 1.64×10-26N 所受的洛倫茲力 F= qvB= 1.6×10-19×5×105×0.2 N= 1.6×10-14N 重力與洛倫茲力之比 可見，帶電粒子在磁場中運動時，洛倫茲力遠大于重力，重力作用的影響可以忽略。 （2）帶電粒子所受的洛倫茲力為 洛倫茲力提供向心力，故 由此得到粒子在磁場中運動的軌道半徑 （3）粒子做勻速圓周運動的周期 【課堂練習】 1、勻強磁場中，有兩個電子分別以速率v和2v沿垂直于磁場方向運動，哪個電子先回到原來的出發點？ （參考答案：同時回到時出發點） 2、一個帶電粒子，沿垂直于磁場的方向射入一勻強磁場．粒子的一段徑跡如下圖所示．徑跡上的每一小段都可近似看成圓弧．由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子的能量逐漸減小(帶電量不變)．從圖中情況可以確定 A．粒子從a到b，帶正電 B．粒子從a到b，帶負電 C．粒子從b到a，帶正電 D．粒子從b到a，帶負電 （參考答案：C） 【拓展提升】 3、如圖所示，虛線框內存在勻強磁場，磁場方向垂直紙面向里。a、b、c是三個質量和電荷量都相等的帶電粒子，它們從PQ邊上的中點沿垂直于磁場的方向射入磁場，圖中畫出了它們在磁場中的運動軌跡。若不計粒子所受重力，則（　　） A．粒子a帶負電，粒子b、c帶正電 B．粒子c在磁場中運動的時間最長 C．粒子c在磁場中的加速度最大 D．粒子c在磁場中的動量最大 （參考答案：B） 4、地磁場能有效抵御宇宙射線的侵入。赤道剖面外的地磁場可簡化為包圍地球的一定厚度的勻強磁場，方向垂直該剖面，如圖所示。圖中給出了速度在圖示平面內、分別從O點沿與地面平行和與地面垂直兩個不同方向入射的微觀帶電粒子（不計重力）在地磁場中的三條運動軌跡a、b、c，且它們都恰不能到達地面，則下列相關說法中正確的是（　　） A．沿a軌跡運動的粒子帶正電 B．若沿a、c兩軌跡運動的是相同的粒子，則沿軌跡a運動的粒子的速率更大 C．某種粒子運動軌跡為a，若它速率不變，只改變射入地磁場的方向，則只要其速度在圖示平面內，無論沿什么方向入射，都會到達地面 D．某種粒子運動軌跡為b，若它以相同的速率在圖示平面內沿其他方向入射，則有可能到達地面 （參考答案：D）
【小結】 從科學思維和科學探究的角度總結和學生一起總結本節課的學習內容 【作業布置】完成學習任務單作業 【板書設計】

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