2019-2020年高二物理带电粒子的圆周运动一.doc

2019-2020年高二物理带电粒子的圆周运动一教学目的：1理解带电粒子在磁场中的运动规律，能推导、应用半径公式和周期公式2进行思维方法教育训练，培养辩证唯物主义观点重难点：带电粒子在磁场中运动的轨迹、半径和周期的分析确定教具：洛仑兹力演示仪，洛仑兹力纸板模型教学过程： 一、提出问题，引入新课师：同学们，上节课我们学习讨论了磁场对运动电荷的作用力洛仑兹力，下面请同学们确定黑板上画的正负电荷所受洛仑兹力的大小和方向（匀强磁场B、正负电荷的q、m、v课前画在黑板中央）一学生上讲台画f方向，写出f大小，另一学生指正，如图1所示师：通过作图，我们再一次认识到，洛仑兹力总是与粒子的运动方向垂直这样一来粒子还能做直线运动吗？生：不能师：那么粒子做什么运动呢？有怎样的规律？这就是我们上节课没有解决，今天要研究解决的课题板书（课题）：带电粒子在磁场中的运动师：带电粒子包括电子、质子、粒子等带正负电荷的粒子，我们这节课的教学目的是研究正、负粒子在磁场中的运动规律板书：研究q在B中的运动规律 二、分析论证，得出结论师：研究带电粒子在磁场中的运动规律应从哪里着手呢？我们知道，物体的运动规律取决于两个因素：一是物体的受力情况；二是物体具有的速度，因此，力与速度就是我们研究带电粒子在磁场中运动的出发点和基本点黑板上画的粒子，其速度及所受洛仑兹力均已知，除洛仑兹力外，还受其它力作用吗？严格说来，粒子在竖直平面内还受重力作用，但通过上节课的计算，我们知道，在通常情况下，粒子受到的重力远远小于洛仑兹力，所以，若在研究的问题中没有特别说明或暗示，粒子的重力是可以忽略不计的，因此，可认为黑板上画的粒子只受洛仑兹力作用为了更好地研究问题，我们今天来研究一种最基本、最简单的情况，即粒子垂直射入匀强磁场，且只受洛仑兹力作用的运动规律下面，我们从洛仑兹力与速度的关系出发，研究粒子的运动规律，洛仑兹力与速度有什么关系呢？第一、洛仑兹力和速度都与磁场垂直，洛仑兹力和速度均在垂直于磁场的平面内，没有任何作用使粒子离开这个平面，因此，粒子只能在洛仑兹力与速度组成的平面内运动，即垂直于磁场的平面内运动板书：平面（f、v）B第二、洛仑兹力始终与速度垂直，不可能使粒子做直线运动，那做什么运动？这个问题请同学们回答生：匀速圆周运动，因为洛仑兹力始终与速度方向垂直，对粒子不做功，根据动能定理可知，合外力不做功，动能不变，即粒子的速度大小不变，但速度方向改变；反过来，由于粒子速度大小不变，则洛仑兹力的大小也不变，但洛仑兹力的方向要随速度方向的改变而改变，因此，带电粒子做匀速圆周运动，所需要的向心力由洛仑兹力提供师：说得好，下面请同学们观看纸板模型演示（剪两片硬纸板如图2所示，在表示正、负粒子的圆板中央挖一个可插入粉笔的小孔，把表示负粒子的模型按在黑板的相应位置上，使纸片上画的负粒子与黑板上画的负粒子对准，在小孔里插入粉笔，教师边讲解粒子做匀速圆周运动的原因，边操作纸板绕固定点转动，画出粒子的圆形运动轨迹）师：分析推理得出的结果是否正确呢？最好的方法就是用实验来验证教师介绍洛仑兹力演示仪的构造、原理，然后操作演示不加磁场和加磁场两种情况下，电子射线的径迹师：从演示中，同学们观察到的现象是什么？生：在不加磁场的情况下，电子射线的径迹是直线；在加垂直于速度的匀强磁场情况下，电子射线的径迹是圆师：对，这就证明了上述的分析、推理是正确的，到此，我们就可下结论了：带电粒子垂直射入匀强磁场，在只受洛仑兹力作用的情况下，粒子在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动板书：结论：匀速圆周运动师：既然粒子是做匀速圆周运动，那么它的圆心在哪里？半径有多大？周期是多少呢？这就是我们要进一步讨论的问题，从上面纸板模型的演示中，你能看出粒子做匀速圆周运动的圆心在哪儿吗？生：在纸板的固定点，即洛仑兹力作用线的交点上师：对，圆心一定在洛仑兹力作用线的交点上，正因为此，解题时可通过作两洛仑兹力作用线的交点来确定圆心板书：圆心：洛仑兹力作用线的交点师：半径、周期应怎样确定？根据做匀速圆周运动的基本条件，洛仑兹力可提供所需的向心力，由此可确定半径、周期（教师板书时，故意漏淖2次方让学生纠正）成正比，与B成反比，这一规律可用实验来验证通过改变洛仑兹力演示仪的加速电压和磁场电流，定性验证r与v、B的关系重要的规律，遗憾的是我们无法用实验验证它，但对这个规律必须有一个正确的理解凭经验我们知道，跑步比赛时，跑得越快经历的时间就越短为什么带电粒子在磁场中运动的时间与v、r无关呢？它与跑步比赛有何不同呢？生：跑步比赛时，跑的是大小相等的圈，速率越大，时间就越短而粒子在磁场中运动的圆大小是随速率的增大而增大的从半径公式可知：速率增大一倍，半径也增大一倍，圆周长也增大一倍，所以周期不变，因此带电粒子在磁场中的运动周期与v、r无关板书：T与v，r无关 三、巩固练习，反馈矫正师：当然，静止的粒子不受洛仑兹力作用，不会运动起来，则无周期可言，周期是对运动的粒子而言的，那么粒子的运动速度又是怎样获得的呢？一般粒子的速度是通过电压加速获得的，下面我们在黑板图上加一个加速电压板书：画图3师：使带正电的粒子加速，则哪板接正极，哪板接负极？生：左板接正，右板接负师：若加速电压为U，粒子带电量为q，质量为m，匀强磁场磁感强度为B大致画出正粒子在磁场中的运动轨迹、圆心位置，求出半径大小（学生练习，教师巡视，学生回答，然后，教师操作把表示正粒子的纸板模型按在黑板的相应位置上，画出正粒子的运动轨迹）师：圆心一定在f线上，若以粒子刚进入磁场点为坐标原点，以v方向为坐标x轴，向上为y轴，则圆心坐标为（0、r），那么半径有多大？师：若把上式变形可得：师：同学们对这个式子有什么发现吗？生：有的，只要测出加速电压、磁感强度及偏转半径，就可测定粒子的电量和质量比师：对，我们把粒子的电量和质量比叫做粒子的荷质比，质谱仪就是利用这个原理来测定粒子的荷质比的，很多同位素就是在质谱仪中首先被发现的 四、课堂小结师：今天的课到此结束，下面进行课堂小结，第一，这节课主要解决的问题是什么？生：解决了带电粒子垂直射入匀强磁场、且只受洛仑兹力作用的运动规律，其规律是粒子在垂直磁场的平面内做匀速圆周运动，其半径师：第二，这节课运用了哪些方法？生：1研究物体的运动规律，必须从力与速度的关系出发分析、研究2研究匀速圆周运动的、出发点是：提供的力等于所需要的向心力师：第三，还有哪些问题有待解决？1粒子不是垂直射入磁场的问题2粒子除受洛仑兹力外，还受其它力作用的问题3射入非匀强磁场的问题师：第四，说明三点：1带电粒子在磁场中的运动与其它运动一样，都是有规律的，规律是客观的，又是可以认识利用的，这就是我们要树立的辩证唯物主义观点2分析推理得出的结果是否正确，必须用实验加以验证，因为实践才是检验真理的唯一标准，这就是我们应该追求、坚持的态度3粒子的运动具有对称性、简洁性布置作业（略）