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霞浦六中 20082009 高二物理潘丽秋1第六章第3节 洛伦兹力的应用课时安排: 1 课时教学目标:(一)知识与技能1、理解洛伦兹力对粒子不做功。2、理解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、了解回旋加速器和质谱仪的工作原理。(二)过程与方法通过带电粒子在匀强磁场中的受力分析,灵活解决有关磁场的问题。(三)情感、态度与价值观通过本节知识的学习,充分了解科技的巨大威力,体会科技的创新与应用历程。教学重点:带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹及其应用教学难点:洛伦兹力的应用教学器材:洛伦兹力演示仪、多媒体辅助教学设备教学方法:实验观察法、讲述法、分析推理法教学过程:(一)引入新课教师:(复习提问)什么是洛伦兹力?学生答:磁场对运动电荷的作用力教师:带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力?学生答:不一定,洛伦兹力的计算公式为 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。教师:带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢?今天我们来学习带电粒子在匀强磁场中的运动。(二)进行新课一、带电粒子在匀强磁场中的运动教师:介绍洛伦兹力演示仪。如图所示。教师:引导学生预测电子束的运动情况。(1)不加磁场时,电子束的径迹;(2)加垂直纸面向外的磁场时,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;霞浦六中 20082009 高二物理潘丽秋2(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。教师演示,学生观察实验,验证自己的预测是否正确。实验现象:在暗室中可以清楚地看到,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。讨论交流:(1)有磁场作用时,电子的运动轨迹是否可能为直线?(2)电子为什么会做圆周运动?向心力由谁提供?(3)什么情况下,电子会做螺旋运动?教师指出: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,洛伦兹力只能改变速度的方向,不能改变速度的大小。因此,洛伦兹力对粒子不做功,不能改变粒子的能量。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。思考与讨论: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 T 为多大呢?出示投影片,引导学生推导:一带电量为 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 r 和周期 T 为多大?如图所示。学生推导:粒子做匀速圆周运动所需的向心力F=m 是由粒子所受的洛伦兹力提供的,rv2所以 qvB=m rv2由此得出 r= qB周期 T= 代入式得 T= v2qBm2师生互动、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,这与演示实验观察的结果是一致的。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。霞浦六中 20082009 高二物理潘丽秋3点评:演示实验与理论推导相结合,使学生从感性认识上升到理性认识,实现认识上的升华。例题:书本 P129 页二、回旋加速器和质谱仪1回旋加速器教师:在现代物理学中,人们为探索原子核内部的构造,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巨大能量呢?如果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 年发明了回旋加速器,巧妙地利用较低的高频电源对粒子多次加速使之获得巨大能量,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?引导学生阅读教材有关内容,了解各种加速器的发展历程,体会回旋加速器的优越性。课件演示,回旋加速器的工作原理,根据情况先由学生讲解后老师再总结。在讲解回旋加速器工作原理时应使学生明白下面两个问题:(1)在狭缝 A A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,电源恰好提供正向电压,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。(2)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。例题:书本 P132 页2质谱仪霞浦六中 20082009 高二物理潘丽秋4教师引导学生对结果进行讨论,让学生了解有关质谱仪的知识。让学生了解质谱仪在科学研究中的作用。(三)课堂总结、点评教师活动:让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结,其他同学在笔记本上总结,然后请同学评价黑板上的小结内容。学生活动:认真总结概括本节内容,并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结,看谁的更好,好在什么地方。点评:总结课堂内容,培养学生概括总结能力。教师要放开,让学生自己总结所学内容,允许内容的顺序不同,从而构建他们自己的知识框架。(四)实例探究带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动霞浦六中 20082009 高二物理潘丽秋5【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 S 经过小孔 O 射入存在着匀强磁场的真空室中,如图所示。磁感应强度 B 的方向与离子的运动方向垂直,并垂直于图中纸面向里。(1)求离子进入磁场后到达屏 S 上时的位置与 O 点的距离。(2)如果离子进入磁场后经过时间 t 到达位置 P,证明:直线 OP 与离子入射方向之间的夹角 跟 t 的关系是 。tmqB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,则据牛顿第二定律可得:,解得rvBq2Bqmvr如图所示,离了回到屏 S 上的位置 A 与 O 点的距离为: AO=2r 所以 v2(2)当离子到位置 P 时,圆心角: tmBqr因为 ,所以 。tmqB2【例 2】如图所示,半径为 r 的圆形空间内,存在着垂直于纸面向里的匀强磁场,一个带电粒子(不计重力) ,从 A 点以速度 v0垂直磁场方向射入磁场中,并从 B 点射出, AOB=120,则该带电粒子在磁场中运动的时间为_A2 r /3v0 B2 r/ 3v0C r /3v0 D 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 =60,得 t= ,但题中已知条件不够,没有此选项,必须另想办法找规qBmT36律表示 t,由圆周运动和 t= = 。其中 R 为 AB 弧所对应的轨道半径,v由图中 OO A 可得 R= r,所以 t= r /3r0,D 选项正确。3vABO BSvP霞浦六中 20082009 高二物理潘丽秋6答案:D【例 3】电子自静止开始经 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:mv2-0=eu1电子进入磁场后做匀速圆周运动,设其半径为 r,则:evB=m rv2电子在磁场中的轨迹如图,由几何得:=2dLr2由以上三式得: B= emudL22(五)作业书面完成 P128:1、2、3、4、5 题。教学反思:
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