2019-2020年高中物理《磁场对运动电荷的作用力》教案3 新人教版选修3-1.doc

2019-2020年高中物理磁场对运动电荷的作用力教案3 新人教版选修3-1 一、教学目标1在物理知识方面的要求：了解什么是洛仑兹力。明确通电导线在磁场中的受力是其中运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的宏观体现。掌握判断洛仑兹力方向的法则。能够推导计算洛仑兹力大小的公式（f=qvBsin）。2通过观察演示实验认识并验证带电粒子在匀强磁场中的受力情况，借此培养学生观察能力、分析问题的能力。3引导学生用分析、猜想、实验（观察）、理论验证的科学方法探求新知识，增强他们的能力。二、重点、难点分析1重点使学生理解安培力产生的根本原因是运动粒子在匀强磁场中受到洛仑兹力的作用，并掌握计算洛仑兹力的大小、判断洛仑兹力方向的方法。2推导洛仑兹力大小的计算公式（f=qvBsin）有些抽象，学生不易认识和理解，是教学的难点，应加以注意。三、教具感应圈、机械效应阴极射线管、直进阴极射线管、马蹄形磁铁。四、主要教学过程（一）复习引入新课如图1所示，AB导体杆的两端分别用细线悬挂于O1、O2两点，AB导体杆处于竖直向下的匀强磁场中。提问：当开关闭合时，原本处于静止状态的导体杆状态将如何？通电直导线在垂直于自身的匀强磁场中会受到安培力的作用。依据左手定则，AB导体杆受到一个垂直黑板向外的安培力，因此AB导体杆将向黑板外的方向运动。（二）教学过程设计1分析那么，安培力产生的本质原因是什么呢？开关的闭合与断开关系到导体杆是否受到安培力。开关的闭合与断开到底有什么本质上的不同？开关闭合后，AB中有定向移动的电荷，此时AB导体杆受到安培力。开关断开后，AB中没有定向移动的电荷，AB导体杆不受安培力。2猜测运动电荷在磁场中会受到磁场力，安培力是大量运动电荷所受到的磁场力的宏观体现。3实验（观察）实验目的是检验我们的猜测。因此，必须先提供运动电荷和磁场。此外，如何显示带电粒子的运动也是需要认真考虑的问题。解决方案：感应圈产生高压，加在机械效应阴极射线管上可观察到叶轮发光并转动。若高压反向，则叶轮向相反方向转动。这样的方法得到带负电的粒子流阴极射线。用改进的装置，直进阴极射线管进行实验。介绍仪器结构后，外加高压，出现一条亮线。加外部磁场并观察现象：亮线发生偏转。猜测得到验证。亮线表示的是带负电粒子流的运动轨迹，在外部磁场的作用下运动方向发生变化，表明其有加速度，进一步判定带负电粒子受到力的作用。改变磁场的方向，观察磁场力的方向。研究磁场方向与磁场力方向的关系并检验左手定则是否适用。4理论推导洛仑兹力：运动电荷在磁场中所受到的力叫做洛仑兹力。依据安培力是大量运动电荷所受到的磁场力的宏观体现，可利用安培力计算单个运动电荷受到的洛仑兹力的大小f。在恒定电流中，自由电荷的定向运动可视为速度为v的匀速运动，引入分析：截取两横截面A和B，当AB导体杆中流过恒定电流I时，经历时间t0，则有N个带电量为q的粒子通过A截面且必定有相同的N即洛仑兹力的大小等于带电粒于的电量q、电荷的速度大小v、磁感应强度B以及速度与磁感应强度方向间夹角的正弦sin的乘积。在q、v保持不变的前提下，洛仑兹力的大小随着磁感应强度的大小以及速度与磁感应强度方向间夹角的变化而变化。=90即速度方向与磁感应强度垂直，洛仑兹力最大；=0或=180即速度方向与磁感应强度方向在一条直线上，电荷受到的洛仑兹力最小，等于零。5几个关键点公式f=qvBsin中， q、v、 B、的含义。q：带电粒子所带电量的绝对值。v：带电粒子运动的速率。B：磁场磁感应强度的大小。：带电粒子运动方向与磁感应强度方向夹角。应用左手定则判断方向时必须让磁感线穿入手心，四指指向正电荷运动的方向，此时拇指所指的方向才是洛仑兹力的方向。若带电粒子所带电性为正，四指指向就是带电粒子运动方向；若带电粒子电性为负，四指指向粒子运动的相反方向。（三）课堂小结本节课主要研究了一种新型的力洛仑兹力。我们知道一切磁现象都可以归结为运动电荷间通过磁场的作用磁现象的电本质。洛仑兹力恰恰是运动电荷在磁场所受到的作用。它的方向仍然服从左手定则，它的大小用公式f=qvBsin计算。安培力实际上是大量规律运动的带电粒子所受洛仑兹力的宏观体现。例1：如图3所示，某一带电粒子垂直射入一个垂直纸面向外的匀强磁场，并经过P点，试判断带电粒子的电性。（负）例2：有一束粒子，其中有正电性的、负电性的还有不带电的粒子，如何区分开它们？（通过一垂直于粒子运动方向的磁场）五、说明洛仑兹力与重力、弹力及摩擦力相比是比较抽象的，理解上也有一定的难度。直接指出该力的产生原因再进行推导，最后由实验验证也完全可以。然而考虑到该力的抽象性，从已知的安培力产生的本质原因入手，来解决这个问题会使学生更容易接受洛仑兹力大小计算式（f=qvBsin）的推导体现了物理与数学两门学科密切的关系，善于利用数学工具解决物理问题是学好物理必不可少的前提条件之一。整体教学过程安排的设想是为了培养学生用分析、猜想、实验（观察）、理论验证的科学方法探求新知识的能力。磁场磁场对运动电荷的作用教案 一、教学目标1通过实验掌握左手定则，并能熟练地用左手定则判断磁场对运动电荷的作用力洛仑兹力的方向。2理解安培力是洛仑兹力的宏观表现。3根据磁场对电流的作用和电流强度的知识推导洛仑兹力的公式f=Bqv，并掌握该公式的适用条件。4熟练地应用公式f=Bqv进行洛仑兹力大小的计算。二、重点、难点分析1重点是洛仑兹力方向的判断方法左手定则和洛仑兹力大小计算公式的推导和应用。2因电荷有正、负两种，在用左手定则判断不同的电荷受到的洛仑兹力方向时，要强调四指所指方向应是正电荷的运动方向或负电荷运动的反方向。3洛仑兹力计算公式的推导是难点之一，这要从概念上讲解清楚。三、教具感应圈、低压直流电荷（学生电源或蓄电池）、阴极射线管，蹄形永久磁铁、导线若干。四、主要教学过程（一）引入新课1设问：我们已经掌握了磁场对电流存在力的作用、安培力的产生条件和计算方法，那么磁场对运动电荷是否也有力的作用呢？回答：有。2实验：演示电子束在磁场中的偏转，让同学注意当改变磁场方向时，电子束的偏转方向也随之改变。（二）教学过程设计1洛仑兹力（板书）通过上述实验，让学生思考：电子束在磁场中偏转的实验现象揭示了什么？定义：磁场对运动电荷存在着力的作用，我们把它称做洛仑兹力。2洛仑兹力产生的条件（板书）通过实验，师生共同得出。结论：电荷电量q0，电荷运动速度v0，磁场相对运动电荷速度的垂直分量B0，三个条件必须同时具备。在这里教师进一步强调，当运动电荷垂直进入磁场时受到磁场力的作用最大，教材只要求学生掌握这种情况。3洛仑兹力方向的判断：（板书）进一步观察电子束垂直进入磁场时的偏转，并改变磁场方向。在黑板上作图表示，让同学找出一种判断方法。也可联系安培力方向的判断推理确定洛仑兹力方向的判断方法左手定则。结论：洛仑兹力的方向判断也遵循左手定则。4洛仑兹力的大小（板书）师生共同讨论得出。提问：（1）如何用（单位体积内含的运动电荷数n，每个电荷电量为q，电荷的平均定向移动速率是v，导线的横截面积是S）n、q、v、S来表示通电导线中的电流强度I？教师画图点拨，学生自己讨论得出（2）如何从合力的观点出发用洛仑兹力f来表达安培力F的值？（当通电导线垂直于磁场时）教师点拨，学生自己讨论得出F=LIB=Mf（N为导线中电荷总数）（3）让学生自己根据上面二个式子推出一个运动电荷垂直于磁场方向运动时受到的洛仑兹力的大小。代入式：LnvSqB=NfN=nLSf=Bqv（4）提问：f=Bqv的适用条件是什么？答：当电荷q以速度v垂直进入磁感应强度为B的磁场中，它所受的洛仑兹力f=Bqv。（三）小结安培力是洛仑兹力的宏观表现。当运动电荷q以速度v垂直进入磁感应强度为B的磁场中，它受到的洛仑兹力f=Bqv。洛仑兹力的方向由左手定则来判断。当电荷运动速度平行于磁场方向进入磁场中，电荷不受洛仑兹力作用。（四）课堂练习1如图所示，运动电荷电量为q=210-8C，电性图中标明，运动速度v=4103ms，匀强磁场磁感应强度为B=0.5T，求电荷受到的洛仑兹力的大小和方向。可以让六位同学上黑板上每人演算一小题，写出公式计算洛仑兹力的大小，并标明电荷受力方向。2当一带正电q的粒子以速度v沿螺线管中轴线进入该通电螺线管，若不计重力，则 A带电粒子速度大小改变；B带电粒子速度方向改变；C带电粒子速度大小不变；D带电粒子速度方向不变。五、说明1本节教材的重点是洛仑兹力产生的条件，洛仑兹力的大小和方向，难点是公式f=Bqv的推导，为突出重点和难点，该节内容不涉及带电粒子在磁场中的运动轨迹等问题。2严格说，洛仑兹力的大小等于电荷电量q、电荷速率v、磁感应强度B以及v和B间夹角的正弦sin的乘积。当电荷运动速率方向与磁场方向垂直时，电荷受洛仑兹力最大，f=Bqv；当电荷运动方向与磁场方向一致时，电荷受洛仑兹力最小，等于零。因教材只要求学生掌握后两种情况的判断和计算，所以教案中只推导出=90时的洛仑兹力f=Bqv。3洛仑兹力属于微观力学范畴，充分利用实验让学生从感性知识入手，激发学生的兴趣，在讲解重点知识时，分步运用观察实验、提问、思考、讲解、推导等手段，让同学在积极参与的过程中理解和掌握本节知识内容。 磁场带电粒子的圆周运动教案 一、教学目标1在物理知识方面：（1）理解带电粒子在匀强磁场中垂直于磁场方向运动时，为什么会做匀速圆周运动。（2）掌握带电粒子做圆周运动的半径公式与周期公式及其推导过程。（3）了解回旋加速器的工作原理，加深对半径公式与周期公式的理解。2在培养学生能力方面，通过引导学生由洛仑兹力对运动电荷的作用力的分析，逐步得出带电粒子在磁场中的运动规律，以及通过让学生推导半径公式、周期公式等教学过程，培养学生的迁移能力，体会如何用已学知识来探讨研究新问题。3通过对回旋加速器的介绍，开阔学生眼界，了解物理学知识在高新科技领域的应用，激发学生学习物理知识的兴趣。二、重点、难点分析1通过对运动电荷所受洛仑兹力的分析及观察演示实验，使学生得出带电粒子垂直于磁场方向运动时，一定做匀速圆周运动的结论是本节重点之一。r径与周期T与哪些因素有关是本节又一重点。3“回旋加速器”是选修内容，电场、磁场在回旋加速器中的作用，电场变化周期与粒子在磁场中做圆运动的周期之间的关系是这部分教学的难点。三、教具1ZJ82B型洛仑兹力演示仪。2挂图：回旋加速器工作原理图。四、主要教学过程1提出问题，引入新课提问（1）：如图1所示，匀强磁场方向垂直纸面向里，一带负电的粒子以速度v垂直于磁场方向运动，磁场对电荷有什么作用？作用力的方向及大小如何？总结学生的回答：运动电荷受到洛仑兹力f的作用，作用力的方向与速度方向垂直，力的方向与速度方向在同一平面内，作用力的大小f=Bqv。提问（2）：根据牛顿第二定律，洛仑兹力对电荷的运动将产生什么样的作用？总结学生的回答：根据牛顿第二定律，洛仑兹力使电荷沿力的方向产生与速度方向垂直的加速度，这个加速度将使电荷运动方向发生改变。提问（3）：洛仑兹力会不会使电荷速度大小发生改变？为什么？总结学生的回答：不会，因为洛仑兹力方向总是与速度方向垂直，所以洛仑兹力对电荷不做功，电荷的动能不变，所以速度大小不变。这里还应强调由于洛仑兹力f=Bqv，当v的大小不变，f的大小也不会变。提问（4）：电荷在以后的运动过程中所受的洛仑兹力有什么特点，在这样的力的作用下电荷会做什么样的运动？总结学生的回答：电荷在运动过程中洛仑兹力的大小恒定，方向时刻与电荷运动方向垂直，这个力与物体做匀速圆周运动的向心力所起的效果完全相同，因此带电粒子将在垂直磁场方向的某平面内做匀速圆周运动，如图2所示。以上是通过理论分析得出的结论，下面用实验来验证一下。2演示带电粒子在磁场中的圆周运动（1）介绍实验装置及实验原理，告诉学生实验中的匀强磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的，改变环形电流的强度可以改变磁场的强弱。（2）演示带电粒子在电场中被加速后的直线运动轨迹。（3）演示当建立与速度方向垂直的磁场后，带电粒子做圆周运动的轨迹，引导学生注意观察带电粒子圆周运动所在的平面与磁场方向的关系。（4）改变加速电场的电压，观察粒子圆周运动的半径发生什么样的变化；改变磁场的强弱，观察圆周运动的半径发生什么样的变化。通过以上教学过程可以使学生得出结论：当带电粒子垂直于磁场方向运动时，在洛仑兹力的作用下，带电粒子将做匀速圆周运动。下面根据演示中观察到圆半径会因某些因素变化而改变的现象，进一步讨论圆周运动的半径与周期。3圆周运动的半径与周期公式（这部分教学以学生自己推导为主）（1）圆周运动的半径公式首先让学生回忆当物体做匀速圆周运动时，向心力与物体速度、圆半径之间有关系式然后引导学生思考：带电粒子在磁场中做圆周运动的向心力是谁提供的？其大小与什么有关？让学生自己推导得出：老师总结：带电粒子做圆周运动的半径与磁感应强度B、粒子质量m、电量q及运动速率的大小有关；并对演示实验中半径变化原因做出解释。（2）周期公式让学生思考：如果知道了圆周运动的半径及粒子的速率，如何求出粒子转一圈所用的时间，即圆周运动的周期？使学生自己推导得出老师可提醒学生注意，虽然推导T时涉及了半径r与速率v，但最后结果中T的大小与r、v都无关。例：已知氢核与氦核的质量之比m1m2=14，电量之比q1q1=12，当氢核与氦核以相同的动量，垂直于磁场方向射入磁场后，分别做匀速圆周运动，则氢核与氦核半径之比r1r2=_，周期之比T1T2=_。若它们以相同的动能射入磁场后，其半径之比r1r2=_，周期之比T1T2=_由于周期只与B、m、q有关，与v、r无关，所以4介绍回旋加速器的工作原理在现代物理学中，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？学生自己阅读教材。展示挂图（图3）。可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，所以每隔相就可使粒子每到狭缝处刚好得到正向电压而加速。老师还可向学生介绍回旋加速器的局限性以及当前各类加速器的性能及北京郊区正负电子对撞机的有关情况。